《熱力學(xué)第一定律　能量守恒定律》素養(yǎng)課件

3熱力學(xué)第一定律能量守恒定律【思考】問題1:這個機械的動力力矩大于阻力力矩嗎?問題2:這個機械能自動地轉(zhuǎn)動下去永不停止嗎?一、熱力學(xué)第一定律提示:1.不大于

總動力力矩的和不大于總阻力力矩的和2.不能

因為違反了能量守恒定律1.改變內(nèi)能的兩種方式:做功與_______。兩者在改變系統(tǒng)內(nèi)能方面是_______。2.熱力學(xué)第一定律:(1)內(nèi)容:一個熱力學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)能增量等于外界向它傳遞的_____與外界對它_________的和。(2)數(shù)學(xué)表達式:ΔU=____。熱傳遞等效的所做的功Q+W熱量1.內(nèi)容:能量既不會憑空產(chǎn)生,也不會憑空消失,它只能從一種形式_____為另一種形式,或者從一個物體_____到別的物體,在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程中能量的總量__________。轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)移保持不變2.意義:(1)各種形式的能可以_________。(2)各種物理現(xiàn)象可以用_____________聯(lián)系在一起。相互轉(zhuǎn)化能量守恒定律二、能量守恒定律1.對公式ΔU=Q+W中ΔU、Q、W符號的規(guī)定:符號QWΔU+物體吸收熱量外界對物體做功內(nèi)能增加-物體放出熱量物體對外界做功內(nèi)能減少知識點一熱力學(xué)第一定律的應(yīng)用2.幾種特殊情況:(1)若過程是絕熱的,即Q=0,則ΔU=W,物體內(nèi)能的增加量等于外界對物體做的功。(2)若過程中不做功,即W=0,則ΔU=Q,物體內(nèi)能的增加量等于物體從外界吸收的熱量。(3)若過程的始末狀態(tài)物體的內(nèi)能不變,即ΔU=0,則W=-Q(或Q=-W),外界對物體做的功等于物體放出的熱量(或物體吸收的熱量等于物體對外界做的功)。3.判斷是否做功的方法:一般情況下外界對物體做功與否,需看物體的體積是否變化。(1)若物體體積增大,表明物體對外界做功,W<0。(2)若物體體積減小,表明外界對物體做功,W>0?！舅伎肌び懻摗壳榫?如圖所示,一定質(zhì)量的理想氣體由a狀態(tài)變化到b狀態(tài),請在圖象基礎(chǔ)上思考以下問題:討論:(1)在變化過程中是氣體對外做功,還是外界對氣體做功?(科學(xué)思維)(2)在變化過程中氣體吸熱,還是向外放熱?氣體內(nèi)能增加了,還是減少了?(科學(xué)思維)提示:(1)由圖可知,氣體的變化為等壓膨脹,一定是對外做功。(2)由日常經(jīng)驗可知,理想氣體在等壓膨脹過程中需要從外界吸收熱量。由蓋—呂薩克定律可知,理想氣體在等壓膨脹過程中溫度升高,內(nèi)能一定增加。【典例示范】(2019·全國卷Ⅰ)某容器中的空氣被光滑活塞封住,容器和活塞絕熱性能良好,空氣可視為理想氣體。初始時容器中空氣的溫度與外界相同,壓強大于外界。現(xiàn)使活塞緩慢移動,直至容器中的空氣壓強與外界相同。此時,容器中空氣的溫度

(選填“高于”“低于”或“等于”)外界溫度,容器中空氣的密度

(選填“大于”“小于”或“等于”)外界空氣的密度。

【解析】容器與活塞絕熱性能良好,容器中空氣與外界不發(fā)生熱交換(Q=0),活塞移動的過程中,容器中空氣壓強減小,則容器中空氣正在膨脹,體積增大,對外界做功,即W<0。根據(jù)熱力學(xué)第一定律ΔU=Q+W可知:容器中空氣內(nèi)能減小,溫度降低,容器中空氣的溫度低于外界溫度。根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程有=C,又ρ=,聯(lián)立解得:ρ=。對容器外與容器內(nèi)質(zhì)量均為m的氣體,因容器中空氣壓強和容器外空氣壓強相同,容器內(nèi)溫度低于外界溫度,則容器中空氣的密度大于外界空氣的密度。答案:低于

大于【定向訓(xùn)練】1.如圖所示,A、B兩點表示一定質(zhì)量的某種理想氣體的兩個狀態(tài),當氣體從狀態(tài)A變化到狀態(tài)B時(

)A.氣體內(nèi)能一定增加B.氣體壓強變大C.氣體對外界做功D.氣體對外界放熱【解析】選C。由圖可知,理想氣體的變化為等溫膨脹,氣體壓強減小,故氣體的內(nèi)能不變,氣體對外做功;由熱力學(xué)第一定律可知,氣體一定從外界吸收熱量。綜上可知,C對,A、B、D錯。2.一定質(zhì)量的氣體從外界吸收了4.2×105J的熱量,同時氣體對外做了6×105J的功,問: 世紀金榜導(dǎo)學(xué)號(1)氣體的內(nèi)能是增加還是減少?變化量是多少?(2)分子勢能是增加還是減少?(3)分子的平均動能是增加還是減少?【解析】(1)氣體從外界吸收的熱量為Q=4.2×105J氣體對外做功W=-6×105J,由熱力學(xué)第一定律ΔU=W+Q=(-6×105J)+(4.2×105J)=-1.8×105JΔU為負,說明氣體的內(nèi)能減少了。所以,氣體內(nèi)能減少了1.8×105J。(2)因為氣體對外做功,所以氣體的體積膨脹,分子間的距離增大了,分子力做負功,氣體分子勢能增加了。(3)因為氣體內(nèi)能減少,同時氣體分子勢能增加,所以氣體分子的平均動能一定減少了。答案:(1)減少

1.8×105J

(2)增加

(3)減少【補償訓(xùn)練】1.(多選)若一氣泡從湖底上升到湖面的過程中溫度保持不變,對外界做了0.6J的功,則在此過程中關(guān)于氣泡中的氣體(可視為理想氣體),下列說法正確的是 (

)A.氣體的內(nèi)能不變B.氣體體積要減小C.氣體向外界放出的熱量大于0.6JD.氣體從外界吸收的熱量等于0.6J【解析】選A、D。溫度是分子平均動能的標志,溫度不變,則分子平均動能不變,理想氣體分子勢能不計,故在氣泡上升過程中,氣體的內(nèi)能不變,故A正確;由題意知氣泡對外界做功,則體積變大,B錯誤;由熱力學(xué)第一定律可知:W+Q=ΔU,氣體對外做功,故W=Q=0.6J,故氣體從外界吸熱,吸收的熱量Q=0.6J,故C錯誤、D正確。2.一定量的氣體在某一過程中,外界對氣體做了8×104J的功,氣體的內(nèi)能減少了1.2×105J,則下列各式中正確的是(

)A.W=8×104J,ΔU=1.2×105J,Q=4×104JB.W=8×104J,ΔU=-1.2×105J,Q=-2×105JC.W=-8×104J,ΔU=1.2×105J,Q=2×105JD.W=-8×104J,ΔU=-1.2×105J,Q=-4×104J【解析】選B。因為外界對氣體做功,W取正值,即W=8×104J,內(nèi)能減少,ΔU取負值,即ΔU=-1.2×105J,根據(jù)ΔU=Q+W,可得Q=ΔU-W=-1.2×105J-8×104J=-2×105J,B正確。1.能量的存在形式及相互轉(zhuǎn)化:(1)各種運動形式都有對應(yīng)的能:機械運動有機械能,分子的熱運動有內(nèi)能,還有電磁能、化學(xué)能、原子能等。(2)各種形式的能,通過某種力做功可以相互轉(zhuǎn)化。例如,利用電爐取暖或燒水,電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能;煤燃燒,化學(xué)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能;列車剎車后,輪子溫度升高,機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。知識點二能量守恒定律的應(yīng)用2.與某種運動形式對應(yīng)的能是否守恒是有條件的。例如,物體的機械能守恒,必須是只有重力或系統(tǒng)內(nèi)的彈力做功;而能量守恒定律是沒有條件的,它是一切自然現(xiàn)象都遵守的基本規(guī)律。3.第一類永動機失敗的原因分析:如果沒有外界熱源供給熱量,則有U2-U1=W,就是說,如果系統(tǒng)內(nèi)能減少,即U2<U1,則W<0,系統(tǒng)對外做功是要以內(nèi)能減少為代價的。若想源源不斷地做功,就必須使系統(tǒng)不斷回到初始狀態(tài),在無外界能量供給的情況下是不可能的?！舅伎肌び懻摗壳榫?有一種所謂“全自動”機械手表,既不需要上發(fā)條,也不用任何電源,卻能不停地走下去。討論:(1)這是不是一種永動機?(物理觀念)提示:這不是永動機。(2)如果不是,維持表針走動的能量是從哪兒來的?(科學(xué)思維)提示:手表戴在手腕上,通過手臂的運動,機械手表獲得能量,供手表發(fā)條做機械運動。若將此手表長時間放置不動,它就會停下來?！镜淅痉丁?多選)細繩一端固定在天花板上,另一端拴一質(zhì)量為m的小球,如圖所示。使小球在豎直平面內(nèi)擺動,經(jīng)過一段時間后,小球停止擺動。下列說法中正確的是(

)A.小球機械能不守恒B.小球能量正在消失C.小球擺動過程中,只有動能和重力勢能在相互轉(zhuǎn)化D.總能量守恒,但小球的機械能減少【解析】選A、D。小球在豎直平面內(nèi)擺動,經(jīng)過一段時間后,小球停止擺動,說明機械能通過克服阻力做功不斷地轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,即機械能不守恒,故A正確;小球的機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,能量的種類變了,但能量不會消失,故B錯誤;小球長時間擺動過程中,重力勢能和動能相互轉(zhuǎn)化的同時,機械能不斷地轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,故擺動的幅度越來越小,但總能量守恒,故C錯誤,D正確?！径ㄏ蛴?xùn)練】“第一類永動機”是不可能制成的,這是因為(

)A.它不符合機械能守恒定律B.它違背了能的轉(zhuǎn)化和守恒定律C.它做功產(chǎn)生的熱不符合熱功當量D.暫時找不到合理的設(shè)計方案和理想材料【解析】選B。第一類永動機不可能制成的原因是違背了能的轉(zhuǎn)化和守恒定律,故B正確。【補償訓(xùn)練】關(guān)于能量轉(zhuǎn)化,以下說法中不正確的是(

)A.正在運轉(zhuǎn)中的電風(fēng)扇是機械能變成電能B.燃燒煤是化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)能C.電熱器是將電能轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)能D.水力發(fā)電站是使水流的機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋窘馕觥窟xA。電扇是消耗電能使風(fēng)扇轉(zhuǎn)動,是將電能轉(zhuǎn)化為機械能,故A錯誤;燃燒發(fā)生化學(xué)變化,產(chǎn)生熱量,故是化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)能,故B正確;電熱器是通電后發(fā)熱,消耗電能,產(chǎn)生熱能,故C正確;水力發(fā)電站利用水流的機械能產(chǎn)生電能,故D正確?！就卣估}】熱力學(xué)第一定律與氣體實驗定律的綜合應(yīng)用【典例】(多選)如圖所示,質(zhì)量一定的活塞將一定質(zhì)量的理想氣體密封在汽缸內(nèi),活塞與汽缸壁之間無摩擦。a態(tài)時氣體溫度80℃,b態(tài)時氣體溫度是20℃。氣體從a態(tài)緩慢變到b態(tài)的過程中,大氣壓強始終保持不變,活塞保持平衡,下列說法中正確的是(

)A.從a態(tài)到b態(tài)的過程中外界對氣體做的功一定小于氣體向外界釋放的熱量B.a態(tài)與b態(tài)的氣體分子在單位面積上對活塞的作用力相等C.a態(tài)氣體分子的平均動能一定比b態(tài)氣體分子的平均動能大D.氣體放出的熱量等于氣體減少的內(nèi)能與活塞減少的重力勢能之和