高二物理课件 10.3 热力学第一定律 能量守恒定律 （人教版选修3-3）

\n\n\n\n\n\n\n\n\n\n1.对热力学第一定律的理解(1)对ΔU=W+Q的理解：热力学第一定律将单纯的绝热过程和单纯的热传递过程中内能改变的定量表述推广到一般情况，既有做功又有热传递的过程，其中ΔU表示内能改变的数量，W表示做功的数量，Q表示外界与物体间传递的热量.\n(2)对公式中ΔU、Q、W符号的规定\n内能ΔU的符号理解记忆，增加取正号减少取负号，然后利用单纯绝热过程理解W的符号.ΔU=W.内能增加，当然要外界对物体做功时取正号.再利用单纯的热传递过程理解Q的符号.ΔU=Q，内能增加，当然要吸热，故吸收热量时取正号.\n2.改变内能的两种方式比较\n3.判断是否做功的方法一般情况下外界对物体做功与否，需看物体的体积是否变化.(1)若物体体积增大，表明物体对外界做功，W＜0;(2)若物体体积变小，表明外界对物体做功，W＞0.\n【典例1】(2011·江苏高考)(1)如图所示，一演示用的“永动机”转轮由5根轻杆和转轴构成，轻杆的末端装有用形状记忆合金制成的叶片.轻推转轮后，进入热水的叶片因伸展而“划水”，推动转轮转动.离开热水后，叶片形状迅速恢复，转轮因此能较长时间转动.下列说法正确的是()A.转轮依靠自身惯性转动，不需要消耗外界能量B.转轮转动所需能量来自形状记忆合金自身C.转动的叶片不断搅动热水，水温升高D.叶片在热水中吸收的热量一定大于在空气中释放的热量\n(2)如图所示，内壁光滑的气缸水平放置，一定质量的理想气体被活塞密封在气缸内，外界大气压强为p0.现对气缸缓慢加热，气体吸收热量Q后，体积由V1增大为V2，则在此过程中，气体分子平均动能________(选填“增大”、“不变”或“减小”)，气体内能变化了________.\n【解题指导】解答本题时注意理解以下两点：(1)永动机转动时能量的来源；(2)理想气体内能大小因素.【标准解答】(1)该永动机叶片进入水中，吸收热量而伸展划水，推动转轮转动，离开水面后向空气中放热，叶片形状迅速恢复，所以转动的能量来自热水，由于不断向空气释放热量，所以水温逐渐降低，A、B、C错，D对.(2)气体做等压变化，体积变大，温度升高，平均动能增大，内能的变化为ΔU=Q-p0(V2-V1).答案：(1)D(2)增大Q-p0(V2-V1)\n【变式训练】(2011·福建高考)一定量的理想气体在某一过程中，从外界吸收热量2.5×104J，气体对外界做功1.0×104J，则该理想气体的()A.温度降低，密度增大B.温度降低，密度减小C.温度升高，密度增大D.温度升高，密度减小【解析】选D.由热力学第一定律ΔE=W+Q，Q=2.5×104J，W=-1.0×104J可知ΔE大于零，气体内能增加，温度升高，A、B错；气体对外做功，体积增大，密度减小，C错，D对.\n【变式备选】密闭有空气的薄塑料瓶因降温而变扁，此过程中瓶内空气(不计分子势能)()A.内能增加，放出热量B.内能减少，吸收热量C.内能增加，对外界做功D.内能减少，外界对其做功\n【解析】选D.由题意可知瓶内气体温度降低，分子的平均动能减小.因不计分子的势能，所以气体的内能减少，故A、C选项均错.由塑料瓶的几何特点可知在变扁的过程中体积变小，所以是外界对气体做功，故D选项正确.根据热力学第一定律ΔU=W+Q可知ΔU<0，W>0，所以Q<0，即气体放出了热量，故B选项错误.\n\n1.能量的存在形式及相互转化各种运动形式都有对应的能：机械运动有机械能，分子的热运动有内能，还有诸如电磁能、化学能、原子能等.各种形式的能，通过某种力做功可以相互转化，例如：利用电炉取暖或烧水，电能转化为内能；煤燃烧，化学能转化为内能；列车刹车后，轮子温度升高，机械能转化为内能.2.与某种运动形式对应的能是否守恒是有条件的，例如，物体的机械能守恒，必须是只有重力或弹力做功；而能量守恒定律是没有条件的，它是一切自然现象都遵守的基本规律.\n3.能量守恒定律的重要意义(1)找到了各种自然现象的公共量度——能量，从而把各种自然现象用定量规律联系起来，揭示了自然规律的多样性和统一性.(2)突破了人们关于物质运动的机械观念的范围，从本质上表明了各种运动形式之间相互转化的可能性.能量守恒定律比机械能守恒定律应用更普遍，它是物理学中解决问题的重要思维方法.能量守恒定律与细胞学说、达尔文的进化论并称19世纪自然科学中的三大发现，其重要意义由此可见.(3)具有重大实践意义，即彻底粉碎了永动机的幻想.\n4.第一类永动机失败的原因分析如果没有外界热源供给热量，则有U2-U1=W，就是说，如果系统内能减少，即U2<U1，则W<0，系统对外做功是要以内能减少为代价的，若想源源不断地做功，就必须使系统不断回到初始状态，在无外界能量供给的情况下是不可能的.\n5.应用热力学第一定律解题的思路与步骤(1)首先应明确研究对象是哪个物体或者是哪个热力学系统.(2)分别列出物体(或系统)吸收或放出的热量；外界对物体(或系统)所做的功或物体(或系统)对外界所做的功.(3)根据热力学第一定律ΔU=Q+W列出方程进行求解.(4)特别注意的就是物理量的正负号及其物理意义.\n层出不穷的第一类永动机设计方案，由于违背了能量守恒定律，无一例外地宣布失败，人类制造永动机的企图是没有任何成功希望的.\n【典例2】如图所示，一个质量为20kg的绝热汽缸竖直放置，绝热活塞的质量为5kg，处于静止状态时被封闭气体的高度为50cm,现在在活塞上方加一15kg的物体，待稳定后，被封闭气体的高度变为40cm.求在这一过程中气体的内能增加多少？(g取10m/s2，不考虑活塞的大气压力及摩擦阻力)\n【解题指导】解答本题可按以下思路进行思考：【标准解答】由能量守恒定律可知，内能的增加等于活塞和物体重力势能的减少，ΔU=ΔE=(M+m)gh=(15+5)×10×(50-40)×10-2J=20J.答案：20J\n【规律方法】(1)绝热过程表示不吸热、也不放热；“导热性能良好且过程缓慢”表示此过程有热传递发生且及时充分，保持温度不变.(2)用“能量”观点解题方便、快捷.\n【变式训练】(2011·广东高考)如图为某种椅子与其升降部分的结构示意图，M、N两筒间密闭了一定质量的气体，M可沿N的内壁上下滑动，设筒内气体不与外界发生热交换，在M向下滑动的过程中()\nA.外界对气体做功，气体内能增大B.外界对气体做功，气体内能减小C.气体对外界做功，气体内能增大D.气体对外界做功，气体内能减小【解析】选A.M向下滑动的过程中，气体体积减小，故外界对气体做功，由热力学第一定律知，Q=0，内能的改变取决于做功，因外界对气体做功，故气体的内能增大，A正确，B、C、D错误.\n【典例3】(2010·全国高考)如图，一绝热容器被隔板K隔开a、b两部分.已知a内有一定量的稀薄气体，b内为真空.抽开隔板K后，a内气体进入b，最终达到平衡状态.在此过程中()\nA.气体对外界做功，内能减少B.气体不做功，内能不变C.气体压强变小，温度降低D.气体压强变小，温度不变【解题指导】解答本题时可按以下思路分析：\n【标准解答】选B、D.抽开隔板K后，a内的稀薄气体进入真空b内，a内的稀薄气体做功W=0，绝热容器不与外界发生热传递，则Q=0，根据热力学第一定律：ΔU＝W+Q,可得ΔU=0,则内能不变，故A错误，B正确；稀薄气体可看做理想气体，内能仅由温度决定，由于ΔU＝0，则气体温度不变.根据玻意耳定律，气体体积变大，则压强变小，故C错误，D正确.\n一、选择题1.“第一类永动机”是不可能制成的，这是因为()A.它不符合机械能守恒定律B.它违背了能的转化和守恒定律C.它做功产生的热不符合热功当量D.暂时找不到合理的设计方案和理想材料【解析】选B.第一类永动机不可能制成的原因是违背了能的转化和守恒定律，故B项正确.\n2.(2011·大纲版全国卷)关于一定量的气体，下列叙述正确的是()A.气体吸收的热量可以完全转化为功B.气体体积增大时，其内能一定减少C．气体从外界吸收热量，其内能一定增加D．外界对气体做功，气体内能可能减少\n【解析】选A、D.如果气体等温膨胀，则气体的内能不变，吸收的热量全部用来对外做功，A正确；当气体体积增大时，对外做功，若同时吸收热量，且吸收的热量大于或等于对外做功的数值时，内能不会减少，所以B错误；若气体吸收热量同时对外做功，其内能也不一定增加，C错误；若外界对气体做功同时气体向外放出热量，且放出的热量多于外界对气体所做的功，则气体内能减少，所以D正确．\n3.下列关于做功和热传递的说法中正确的是()A.做功和热传递的实质是相同的B.做功和热传递在改变物体内能上是等效的C.做功和热传递是对同一过程中的两种说法D.做功和热传递是不可能同时发生的【解析】选B.做功和热传递在改变物体内能上是等效的，但本质不同，做功是将其他形式的能转化为内能或将内能转化为其他形式的能；热传递是将一个物体的内能传递给另一个物体或内能在同一物体的不同部分之间进行传递，且做功和热传递可以同时进行，故正确选项为B.\n4.一定质量的气体膨胀做功100J，同时吸热30J，则气体内能的增量为()A.130JB.70JC.-70JD.-130J【解析】选C.气体膨胀做功W=-100J，吸收热量Q=30J，由热力学第一定律有：ΔU=W+Q=-100J+30J=-70J.\n5.一定质量的气体在某一过程中，外界对气体做了8×104J的功，气体的内能减少了1.2×105J，则下列各式中正确的是()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】选B.根据热力学第一定律的符号法则，W=8×104J，ΔU=-1.2×105J，由ΔU=W+Q可求得：Q=-2.0×105J，所以选项B正确.\n【方法技巧】符号规则对于热力学第一定律的应用，要特别注意,公式中各量的符号规则，能确定正负号的直接在数值前代入符号计算即可,对于不能确定符号的可先采取假设正值的方法来处理，若计算结果是正值，就是规定正值的情况，若计算结果为负值就是正值的相反情况.\n6.自由摆动的秋千摆动幅度越来越小，下列说法正确的是()A.机械能守恒B.能量正在消失C.只有动能和重力势能的相互转化D.减少的机械能转化为内能，但总能量守恒【解析】选D.自由摆动的秋千摆动幅度越来越小，说明机械能在减少，故A项错误，C项错误，而减少的机械能通过摩擦转化成了内能，故B项错误，D项正确.\n7.下列对能量的转化和守恒定律的认识不正确的是()A.某种形式的能量减少，一定存在其他形式能量的增加B.某个物体的能量减少，必然有其他物体的能量增加C.不需要任何外界的动力而持续对外做功的机器——永动机是不可能制成的D.石子从空中落下，最后停止在地面上，说明机械能消失了\n【解析】选D.A选项是指不同形式的能量间的转化，转化过程中能量是守恒的.B选项是指能量在不同的物体间发生转移，转移过程中能量是守恒的.这正好是能量守恒定律的两个方面——转化与转移.任何永动机都是不可能制成的，它违背了能量守恒定律.所以A、B、C正确.D选项中石子的机械能在变化，比如受空气阻力作用，机械能可能减少，但机械能并没有消失，能量守恒定律表明能量既不会创生，也不会消失.故D是错的.\n8.(2011·冀州高二检测)一物理实验爱好者开展探究性课外活动研究气体压强、体积、温度三量间的变化关系.导热良好的汽缸开口向下，内有理想气体(即分子势能可忽略的气体)，汽缸固定不动，缸内活塞可自由滑动且不漏气.一温度计通过缸底小孔插入缸内，插口处密封良好，活塞下挂一个沙桶，沙桶装满沙子时，活塞恰好静止.现给沙桶底部钻一个小洞，细沙慢慢漏出，外部环境温度恒定，则()\nA.绳的拉力对沙桶做正功，所以气体对外界做功B.外界对气体做功，温度计示数不变C.气体体积减小，同时从外界吸热D.外界对气体做功，温度计示数增加【解析】选B.汽缸导热良好，细沙慢慢漏出，故活塞缓慢上升，有足够的时间与外界进行热交换，故温度不变，而压强变大.由理想气体状态方程可得体积减小，外界对气体做功，而内能又不变，故向外界放热，B项正确.\n二、非选择题9.(2011·杭州高二检测)水能不产生污染物，是一种清洁能源，位于美国和加拿大交界处的尼亚加拉瀑布流量可达每秒6000m3，而且是一年四季流量稳定，瀑布落差50m，若利用这一资源发电，设其效率为50%，估算发电机的输出功率.(g取10m/s2)\n【解析】每秒钟流下的水的质量为：m=ρV=1×103×6000kg=6×106kg,每秒钟水减少的机械能为：E=mgh=6×106×10×50J=3×109J,设发电机的输出功率为P,则由能量守恒定律可得：Eη=P×1s,解得：P=3×109×50%W=1.5×109W.答案：1.5×109W\n10.(2011·南宁高二检测)爆米花酥脆可口、老少皆宜，是许多人喜爱的休闲零食，如图为高压爆米花的装置原理图，玉米在铁质的密闭容器内被加热，封闭气体被加热成高温高压气体，当打开容器盖后，“嘭”的一声气体迅速膨胀，压强急剧减小，玉米粒就“爆炸”成了爆米花.设当地温度为t1=27℃,大气压为p0，已知密闭容器打开前的气体压强达到4p0.试分析：\n(1)容器内的气体看做理想气体，求容器内气体的温度.(2)假定在一次打开的过程中，容器内气体膨胀对外界做功15kJ，并向外释放了20kJ的热量，容器内原有气体的内能如何变化？变化了多少？【解析】(1)根据查理定律：p1=p0,T1=300K,p2=4p0.整理得：T2=1200K,t2=927℃.(2)由热力学第一定律ΔU=Q+W,得ΔU＝-20kJ-15kJ=-35kJ，故内能减少35kJ.答案：(1)927℃(2)减少35kJ\nThankyou!\n励志名言形成天才的决定因素应该是勤奋\n安全小贴上课间活动注意安全