第三章

熱力學定律第二節(jié)

能量守恒定律及其應用粵教版（2019）高中物理選擇性必修第三冊一、能量守恒定律【實驗·探究】在常見的機械運動中，摩擦發(fā)熱是難以避免的，因此機械能會有一部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。如圖3-2-1所示是利用數(shù)據(jù)采集器，通過溫度傳感器與泡沫或者毛巾摩擦所測出的溫度隨時間的變化曲線。請選用不同的材料分別做實驗，觀察由數(shù)據(jù)采集器得到的溫度隨時間的變化曲線，看看使用哪一種材料能使溫度變化較快。由此能得出什么結(jié)論？【實驗·總結(jié)】由上述實驗可知，機械能可以通過摩擦生熱轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。其實不僅機械能，其他形式的能量也可以和內(nèi)能互相轉(zhuǎn)化。例如，通電導體溫度升高，電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；燃料燃燒過程中，化學能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；熾熱的物體發(fā)光，內(nèi)能轉(zhuǎn)化為光能……大量事實證明，各種形式的能量都可以相互轉(zhuǎn)化，并且在轉(zhuǎn)化過程中守恒。能量既不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為其他形式，或者從一個物體轉(zhuǎn)移到別的物體；在轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移過程中其總量不變。這就是能量守恒定律。熱力學第一定律實際上就是內(nèi)能與其他形式的能量發(fā)生轉(zhuǎn)化時的能量守恒定律。能量守恒定律不是由某一個人通過某一項研究得到的，在歷史上，能量及其守恒的思想有著悠久的淵源，人類對于能量及其守恒的認識經(jīng)歷了由淺入深、由模糊到清晰的過程，很多科學家為此做了大量基礎(chǔ)性的工作。目前，科學家公認的能量守恒定律的奠基人是德國醫(yī)生邁耶、英國物理學家焦耳和德國科學家亥姆霍茲。能量守恒定律于1860年前后得到了科學界的普遍承認，并成為全部自然科學和工程技術(shù)的基礎(chǔ)，它是自然界的一條普遍規(guī)律，不僅適用于無機界，也適用于生命過程，一切違背能量守恒定律的觀點，都被實踐證明是錯誤的。因此，恩格斯把這一定律稱為“偉大的運動基本定律”，并把這一定律和細胞學說、達爾文的生物進化論一起稱為19世紀自然科學的三大發(fā)現(xiàn)。二、第一類永動機不可能制成【實驗·探究】能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)具有重大的實踐和理論指導意義。歷史上，人們曾幻想制造這樣一種機器，它不需要任何動力或燃料卻能不斷對外做功，這種機器被稱為第一類永動機。如圖3-2-2所示是一臺“永動機”構(gòu)想圖，其設(shè)計思想如下：在水輪上方的水箱內(nèi)裝入一定量的水，水流下時沖動水輪轉(zhuǎn)動，水輪通過皮帶帶動抽水機不斷地把水從下方的水池中抽到上方水箱中，這樣，水不停地循環(huán)，水輪機將永久地轉(zhuǎn)動下去。思考：這樣的“永動機”能實現(xiàn)嗎？為什么？歷史上提出“永動機”設(shè)想的人，他們對能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)有何貢獻？【實驗·總結(jié)】由熱力學第一定律可知，如果物體不與外界進行熱傳遞，則有Q=0，?U=W。物體對外做功(W<0)是必須以減少內(nèi)能(△U<0)為代價的。反之，如果不消耗內(nèi)能，則有?U=0，Q=-W物體必須從外界吸收熱量(Q>0)，才能對外做功。所以，不消耗任何能量，卻可以源源不斷對外做功的第一類永動機是不可能制成的。能量守恒定律的確立，使人們走出了制造第一類永動機的幻想，人們更加專注于探究實現(xiàn)各種能量形式相互轉(zhuǎn)化的具體條件，從而有效利用自然界的各種能源。能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)為物理學理論的發(fā)展提供了一個有力的支柱。在哲學上，這個定律的發(fā)現(xiàn)，為辯證唯物主義自然觀提供了一個堅實的自然科學基礎(chǔ)，它揭示了自然界各種不同的運動形式不是相互孤立、毫無聯(lián)系的，它們在一定的條件下可以相互轉(zhuǎn)化，并且在數(shù)量上保持守恒。因此，能量守恒定律有力地揭示了物質(zhì)運動的不滅性和統(tǒng)一性?！纠}】一天，小程瀏覽到了一則關(guān)于“節(jié)能電熱水器”的廣告，對于廣告中提到的“用一小時熱水僅耗一度電”的宣傳產(chǎn)生了懷疑，如何驗證這則廣告的真實性？你能夠利用所學知識進行判斷嗎?[水的比熱容c約為4.2kJ/(kg·℃)]【分析】根據(jù)能量守恒定律，如果單位時間內(nèi)電熱水器提供的熱量不足以提升水的溫度至有熱感，則可判斷廣告是虛假廣告?！窘馕觥坑靡恍r熱水耗一度電，說明電熱水器的功率為1kW，即每秒提供W=1kJ的電功。而以一般熱水器出水量為0.1L/s、水溫提升10℃計算，則每秒流出的水所需吸收的熱量為Q=cm?t=4.2×0.1×10kJ=4.2kJ。顯然Q>W，故該廣告為虛假廣告。

1.有關(guān)能量的轉(zhuǎn)化和守恒定律，下列說法正確的是（

）A．只適用于機械能與內(nèi)能的相互轉(zhuǎn)化B．只適用能量轉(zhuǎn)化過程C．“摩擦生熱”是創(chuàng)造了熱，它不符合能量守恒定律D．根據(jù)能量守恒定律，字宇宙中的能量總和不變D課堂練習2.第一類永動機違反了什么而不能制成（）A．違反了熱力學第一定律 B．違反了機械能守恒定律C．違反了能量守恒定律 D．以上說法都不對C3.下列說法中正確的是（

）A．由于能量的轉(zhuǎn)化過程符合能量守恒定律，所以不會發(fā)生能源危機B．隨著低溫技術(shù)的發(fā)展，我們可以使溫度逐漸降低，并最終達到絕對零度C．第一類永動機違背熱力學第一定律D．自然界中涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性D

4.以下說法正確的是（）A．當分子間距離增大時，分子間作用力減小，分子勢能增大B．某物體溫度升高，則該物體分子熱運動的總動能一定增大C．液晶顯示屏是應用液晶的光學各向同性制成的D．自然界發(fā)生的一切過程能量都守恒，符合能量守恒定律的宏觀過程都能自然發(fā)生B5.如圖所示為沖擊擺實驗裝置，一飛行子彈射入沙箱后與沙箱合為一體，共同擺起一定高度，則下面有關(guān)能的轉(zhuǎn)化的說法中正確的是（）A．子彈的動能轉(zhuǎn)變成沙箱和子彈的內(nèi)能B．子彈的動能轉(zhuǎn)變成了沙箱和子彈的勢能C．子彈的動能轉(zhuǎn)變成了沙箱和子彈的動能D．子彈的動能一部分轉(zhuǎn)變成沙箱和子彈的內(nèi)能，另一部分轉(zhuǎn)變成沙箱和子彈的機械能D6.“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．它違背了能量守恒定律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B7.物理學的發(fā)展豐富了人類對動物世界的認識，推動了科學技術(shù)的創(chuàng)新和革命，促進了物質(zhì)生產(chǎn)的繁榮與人類文明的進步，下列表述正確的是（）A．牛頓發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律，并通過實驗證實了萬有引力定律B．能量耗散說明能量在不停地減少，能量不守恒C．相對論的創(chuàng)立表明經(jīng)典力學在一定范圍內(nèi)不再適用D．能量守恒說明人類不用擔心能源的減少，不必節(jié)約能源C8.下列關(guān)于能量轉(zhuǎn)化現(xiàn)象的說法，正確的是（）A．用太陽灶燒水是太陽能轉(zhuǎn)化為電能B．電燈發(fā)光是電能轉(zhuǎn)化為光能和內(nèi)能C．核電站發(fā)電是電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能D．生石灰放入盛有涼水的燒杯里，水溫升高是動能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能B9.在陽光的照射下、太陽能小風扇快速轉(zhuǎn)動。這說明（）A．動能可以憑空產(chǎn)生B．可以制造出不消耗能量的永動機C．太陽能可以轉(zhuǎn)化為其他形式的能D．太陽可以是供無窮無盡的能量，不需要節(jié)約能源C10.以下關(guān)于能量和能源的認識，正確的是（

）A．“永動機”違反了能量的轉(zhuǎn)化和守恒定律B．因為能量不會消失，所以我們沒必要節(jié)約能源C．石油、天燃氣都是自然界自主生成的可再生能源D．我國煤炭和石油的資源豐富，不需要大力開發(fā)新能源A1.內(nèi)容：能量既不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消失，它只能讓從一種形式轉(zhuǎn)化為其他形式，或者從一個物體轉(zhuǎn)移到別的物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程中，能量的總量保持不變。2.能量守恒定律是自然界普遍適用的最基本規(guī)律，其成立是不需要條件的，任何自然現(xiàn)象（包括宏觀和微觀世界）都必須遵守。3.理解：熱力學第一定律體現(xiàn)了功、熱量和物體內(nèi)能的變化滿足一種守恒關(guān)系。熱力學第一定律實際上是內(nèi)能轉(zhuǎn)移或與其他能量發(fā)生轉(zhuǎn)化時的能量守恒定律。課堂小結(jié)1.能量守恒定律（1）特點：不需要任何動力或燃料，卻能不斷地對外做功的機器。（2）不可能制成的原因：違背能量守恒定律，不可能制成。課堂小結(jié)2.第一類永動機課堂訓練1.關(guān)于以下四幅圖有關(guān)說法中不正確的是（）A．圖一為中間有隔板的絕熱容器，隔板左側(cè)裝有溫度為T的理想氣體，右側(cè)為真空。現(xiàn)抽掉隔板，氣體的最終溫度小于TB．圖二中繩子對玻璃板的拉力一定大于玻璃板的重力C．圖三中液體表面層的分子間距離較大，則分子間的引力和斥力都比液體內(nèi)部的大D．圖四中的永動機的設(shè)計違背了熱力學第二定律ACD課堂訓練2.關(guān)于熱力學定律，下列說法正確的是（）A．做功和熱傳遞都能改變系統(tǒng)的內(nèi)能B．空調(diào)機在制冷過程中，從室內(nèi)吸收的熱量少于向室外放出的熱量C．一定質(zhì)量的某種理想氣體，從外界吸收熱量，其溫度一定升高D．一定質(zhì)量的某種理想氣體，在等壓膨脹過程中，內(nèi)能一定增大E．在熔化過程中，晶體要吸收熱量，但溫度保持不變，內(nèi)能也保持不變ABD課堂訓練3.關(guān)于氣體的內(nèi)能和熱力學定律，下列說法正確的是（）A．在絕熱過程中，對氣體做功可以改變其內(nèi)能B．質(zhì)量和溫度都相同的理想氣體，內(nèi)能一定相同C．熱量不可能從低溫物體傳到高溫物體D．一定量的理想氣體在等溫膨脹過程中，一定吸收熱量E．一定量的理想氣體，溫度越高，氣體分子運動越劇烈，氣體內(nèi)能越大ADE課堂訓練4.下列關(guān)于能量守恒定律的認識正確的是（）A．某種形式的能量減少，一定存在其他形式的能量增加B．某個物體的能量減少，必然有其他物體的能量增加C．不需要任何外界的動力而持續(xù)對外做功的機械（第一類永動機）不可能制成D．樹葉從空中落下，最后停止在地面上，說明能量消失了ABC課堂訓練5.關(guān)于熱力學及其相關(guān)現(xiàn)象，下列說法正確的是（）A．PM2.5在空氣中的運動屬于布朗運動B．氣體對器壁的壓強是由氣體分子之間的排斥力產(chǎn)生的C．一定質(zhì)量的理想氣體發(fā)生絕熱壓縮，氣體分子的平均動能增大D．空氣的相對濕度越大，空氣中水蒸氣的壓強越接近同一溫度時水的飽和汽壓E．其他形式的能量在向內(nèi)能轉(zhuǎn)化過程中存在“能量耗散”，所以能的總量減少了ACD課