第四章能量守恒與熱力學(xué)定律第四章能量守恒與熱力學(xué)定律2熱力學(xué)第一定律目標(biāo)導(dǎo)航1.理解能量守恒定律，會(huì)用能量守恒的觀點(diǎn)分析解決有關(guān)問(wèn)題．理解第一類永動(dòng)機(jī)是不可能制成的原因．2．理解物體跟外界做功和熱傳遞的過(guò)程及W、Q、ΔU的物理定義．3．理解熱力學(xué)第一定律，并能運(yùn)用熱力學(xué)第一定律分析和計(jì)算有關(guān)問(wèn)題．新知初探·自學(xué)導(dǎo)引一、能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)1.能量形式與能量轉(zhuǎn)化(1)各種能量：自然界存在著多種不同形式的運(yùn)動(dòng)，每種運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)著一種形式的能量．如機(jī)械運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)________；分子熱運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)________；電磁運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)___________．機(jī)械能內(nèi)能電磁能(2)各種能量之間可以互相轉(zhuǎn)化：不同形式的能量之間可以相互轉(zhuǎn)化．摩擦可以將__________轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；熾熱電燈發(fā)光可以將________轉(zhuǎn)化為光能．機(jī)械能電能2.能量守恒定律發(fā)現(xiàn)的歷史背景(1)蒸汽技術(shù)的發(fā)展：18世紀(jì)80年代，蒸汽機(jī)的發(fā)展和使用，證明了________可以轉(zhuǎn)化為_(kāi)________，推動(dòng)了熱力學(xué)理論的發(fā)展．(2)各種基本運(yùn)動(dòng)形式之間普遍聯(lián)系性的發(fā)現(xiàn)17世紀(jì)中葉：物理學(xué)家提出“運(yùn)動(dòng)量”守恒的思想．18世紀(jì)未到19世紀(jì)初：各種自然現(xiàn)象之間的普遍聯(lián)系被發(fā)現(xiàn)，能的概念被引入．內(nèi)能機(jī)械能(3)永動(dòng)機(jī)研制的失敗概念：一種不消耗能量卻可源源不斷___________的機(jī)器叫永動(dòng)機(jī)，并稱為第一類永動(dòng)機(jī)．

結(jié)果：無(wú)一例外地歸于失?。颍哼`背__________定律．對(duì)外做功能量守恒3.能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)與確立(1)能量守恒定律內(nèi)容：能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生，也不會(huì)憑空消失，它只能從一種形式______為另一種形式，或者從一個(gè)物體________到另一個(gè)物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過(guò)程中其________不變．轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)移總量(2)意義①各種形式的能可以相互轉(zhuǎn)化．②各種物理現(xiàn)象可以用能量守恒定律聯(lián)系在一起．二、熱力學(xué)第一定律1.改變物體內(nèi)能的兩種方式：_______與_________．2.兩者在改變系統(tǒng)內(nèi)能方面是等效的．熱力學(xué)第一定律(1)內(nèi)容：如果物體跟外界同時(shí)發(fā)生做功和熱傳遞的過(guò)程，那么外界對(duì)物體__________加上物體從外界____________等于物體內(nèi)能的增加．(2)數(shù)學(xué)表達(dá)式：____________．所做的功吸收的熱量ΔU＝Q＋W做功熱傳遞要點(diǎn)1

對(duì)能量守恒定律的理解及應(yīng)用1.與某種運(yùn)動(dòng)形式對(duì)應(yīng)的能是否守恒是有條件的，例如，物體的機(jī)械能守恒，必須是只有重力做功；而能量守恒定律是沒(méi)有條件的，它是一切自然界現(xiàn)象都遵守的基本規(guī)律．2.第一類永動(dòng)機(jī)失敗的原因分析如果沒(méi)有外界熱源供給熱量，則有U2－U1＝W，就是說(shuō)，如果系統(tǒng)內(nèi)能減少，即U2＜U1，則W＜0，系統(tǒng)對(duì)外做功是要以內(nèi)能減少為代價(jià)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(wú)外界能量供給的情況下，是不可能的．特別提醒：層出不窮的永動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方案，由于違背了能量守恒定律，無(wú)一例外地宣布失敗，人類制造永動(dòng)機(jī)的企圖是沒(méi)有任何成功希望的．例1(2012·西昌一中高二檢測(cè))如圖4－1－1所示，一個(gè)質(zhì)量為20kg的絕熱汽缸豎直放置，絕熱活塞的質(zhì)量為5kg，處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)被封閉氣體的高度為50cm，現(xiàn)在在活塞上方加一15kg的物體，待穩(wěn)定后，被封閉氣體的高度變?yōu)?0cm.求在這一過(guò)程中氣體的內(nèi)能增加了多少？(g取10m/s2，不考慮活塞的大氣壓力及摩擦阻力)【答案】

20J【方法總結(jié)】

(1)絕熱過(guò)程內(nèi)能增加，則應(yīng)為其他形式的能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能．(2)絕熱過(guò)程表示不吸熱，也不放熱；“導(dǎo)熱性能良好且過(guò)程緩慢”表示此過(guò)程有熱傳遞發(fā)生且及時(shí)充分，保持溫度不變．變式訓(xùn)練下列對(duì)能量的轉(zhuǎn)化和守恒定律的認(rèn)識(shí)正確的是(

)A．某種形式的能量減少，一定存在其他形式能量的增加B．某個(gè)物體的能量減少，必然有其他物體的能量增加C．不需要任何外界的動(dòng)力而持續(xù)對(duì)外做功的機(jī)器——永動(dòng)機(jī)是不可能制成的D．石子從空中落下，最后停止在地面上，說(shuō)明機(jī)械能消失了解析：選ABC.能量守恒定律是指能量的總量不變，但更重要的是指轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移過(guò)程中的守恒．在不同形式的能量間發(fā)生轉(zhuǎn)化，在不同的物體間發(fā)生轉(zhuǎn)移．不需要任何外界動(dòng)力而持續(xù)對(duì)外做功的機(jī)器是違背能量守恒定律的，是永遠(yuǎn)不可能制成的．機(jī)械能轉(zhuǎn)化成了其他形式的能量而不能消失，能量是不會(huì)消失的．要點(diǎn)2功、熱量和內(nèi)能的區(qū)別與聯(lián)系1.功和內(nèi)能的關(guān)系(1)內(nèi)能與內(nèi)能變化的關(guān)系①物體的內(nèi)能是指物體內(nèi)所有分子的動(dòng)能和勢(shì)能之和．因此物體的內(nèi)能是一個(gè)狀態(tài)量．②當(dāng)物體溫度變化時(shí)，分子平均動(dòng)能變化．物體體積變化時(shí)，分子勢(shì)能發(fā)生變化，因此物體的內(nèi)能變化只由初、末狀態(tài)決定，與中間過(guò)程及方式無(wú)關(guān)．(2)做功與內(nèi)能變化的關(guān)系①做功改變物體內(nèi)能的過(guò)程是其他形式的能(如機(jī)械能)與內(nèi)能相互轉(zhuǎn)化的過(guò)程．②在絕熱過(guò)程中，外界對(duì)物體做多少功，就有多少其他形式的能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，物體的內(nèi)能就增加多少．(3)功和內(nèi)能的區(qū)別①功是過(guò)程量，內(nèi)能是狀態(tài)量．②在絕熱過(guò)程中，做功一定能引起內(nèi)能的變化．③物體的內(nèi)能大，并不意味著做功多．在絕熱過(guò)程中，只有內(nèi)能變化較大時(shí)，對(duì)應(yīng)著做功較多．特別提醒：在絕熱過(guò)程中，外界對(duì)系統(tǒng)做功，系統(tǒng)的內(nèi)能增加，外界對(duì)系統(tǒng)做多少功，系統(tǒng)的內(nèi)能就增加多少；系統(tǒng)對(duì)外界做功，系統(tǒng)的內(nèi)能減少，系統(tǒng)對(duì)外界做多少功，系統(tǒng)的內(nèi)能就減少多少．2.熱量、功和內(nèi)能之間的關(guān)系內(nèi)能是由系統(tǒng)的狀態(tài)決定的．狀態(tài)確定了，系統(tǒng)的內(nèi)能也就隨之確定了．要使內(nèi)能改變，可以通過(guò)做功和熱傳遞兩種方式來(lái)完成，功和熱量都是過(guò)程量，兩者對(duì)改變系統(tǒng)的內(nèi)能是等效的，但做功是其他形式的能量轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，功的多少是內(nèi)能轉(zhuǎn)化的量度，在絕熱的過(guò)程中，對(duì)物體做了多少功，內(nèi)能就增加多少；物體對(duì)外做了多少功，內(nèi)能就減少多少．熱傳遞是內(nèi)能的轉(zhuǎn)移，熱量是內(nèi)能轉(zhuǎn)移的量度，在沒(méi)有做功的情況下，物體吸收了多少熱量，就增加多少內(nèi)能，或放出了多少熱量，就減少多少內(nèi)能．有過(guò)程(做功或熱傳遞)，才有變化(內(nèi)能改變)，離開(kāi)過(guò)程，功和熱量將毫無(wú)意義．就某一狀態(tài)而言，只有“內(nèi)能”，根本不存在“功”和“熱量”．因此不能說(shuō)物體中含有“多少熱量”或“多少功”．可以說(shuō)物體很熱，這指的是物體的溫度很高．特別提醒：熱傳遞改變物體內(nèi)能的過(guò)程是物體間內(nèi)能轉(zhuǎn)移的過(guò)程．熱傳遞使物體的內(nèi)能發(fā)生變化時(shí)，內(nèi)能改變的多少可用熱量來(lái)量度對(duì)于熱量、功和內(nèi)能三者的說(shuō)法正確的是(

)A．熱量、功、內(nèi)能三者的物理意義相同B．熱量、功都可以作為物體內(nèi)能的量度C．熱量、功、內(nèi)能的單位不相同

D．熱量和功是由過(guò)程決定的，而內(nèi)能是由物體狀態(tài)決定的例2【精講精析】物體的內(nèi)能是指物體所有分子的動(dòng)能和分子勢(shì)能的總和，而要改變物體的內(nèi)能可以通過(guò)做功和熱傳遞兩種途徑，這三者的物理意義不同，A項(xiàng)錯(cuò)．熱量是表示在熱傳遞過(guò)程中物體內(nèi)能變化多少的物理量，而功也是用做功的方式來(lái)量度改變物體內(nèi)能多少的物理量，B項(xiàng)錯(cuò)．三者單位都是焦耳，C項(xiàng)錯(cuò)，熱量和功是過(guò)程量，內(nèi)能是狀態(tài)量，D項(xiàng)正確．【答案】

D【方法總結(jié)】區(qū)別熱量、功和內(nèi)能的技巧(1)就某一狀態(tài)而言，只有“內(nèi)能”，根本談不上“熱量”和“功”．(2)就某一過(guò)程而言，“內(nèi)能”有變化，與“熱量”、“功”對(duì)應(yīng)．(3)一個(gè)物體的內(nèi)能無(wú)法計(jì)算，但物體的內(nèi)能變化是可以計(jì)算的．變式訓(xùn)練2.下列哪個(gè)實(shí)例說(shuō)明做功改變了系統(tǒng)的內(nèi)能(

)A．用熱水袋取暖B．用雙手摩擦給手取暖C．把手放在火爐旁取暖

D．用嘴對(duì)手呵氣給手取暖解析：選B.雙手摩擦做功，使手的內(nèi)能增加，感到暖和；A、C、D都是通過(guò)熱傳遞來(lái)改變系統(tǒng)的內(nèi)能，故選項(xiàng)B正確．要點(diǎn)3對(duì)熱力學(xué)第一定律的理解及應(yīng)用1.對(duì)ΔU＝W＋Q的理解：熱力學(xué)第一定律是對(duì)單純的絕熱過(guò)程和單純的熱傳遞過(guò)程中內(nèi)能改變的定量表達(dá)推廣到一般情況，既有做功又有熱傳遞的過(guò)程，其中ΔU表示內(nèi)能改變的數(shù)量，W表示做功的數(shù)量，Q表示外界與物體間傳遞的熱量．2.對(duì)公式ΔU＝Q＋W符號(hào)的規(guī)定符號(hào)WQΔU＋外界對(duì)物體做功物體吸收熱量?jī)?nèi)能增加－物體對(duì)外界做功物體放出熱量?jī)?nèi)能減少如圖4－1－2所示，某同學(xué)將空的薄金屬筒開(kāi)口向下壓入水中．設(shè)水溫均勻且恒定，筒內(nèi)空氣無(wú)泄漏，不計(jì)氣體分子間相互作用，則被淹沒(méi)的金屬筒在緩慢下降過(guò)程中，筒內(nèi)空氣體積減小，則空氣(

)A．從外界吸熱

B．內(nèi)能增大C．向外界放熱

D．內(nèi)能減小例3【精講精析】緩慢下降的過(guò)程中，筒內(nèi)空氣的溫度與水溫始終相同，即空氣溫度不變．由于不計(jì)氣體分子間的相互作用，分子勢(shì)能始終為零，筒內(nèi)空氣分子的平均動(dòng)能不變，所以筒內(nèi)空氣的內(nèi)能不變．筒內(nèi)空氣的體積減小，外界對(duì)氣體做功，根據(jù)