1、3热力学第一定律 能量守恒定律,复习提问,1：分子动理论的内容是什么？,2：什么是内能？改变物体内能的方式是什么？,3：改变物体内能的方式有何本质的区别？,本节课来讨论做功和热传递在改变内能的过程中所遵守的规律。,一、热力学第一定律,1、热力学第一定律的研究对象和问题,研究的对象是一个系统，它研究功、热量和内能的变化之间的定量关系。,记住：写成公式为：W + Q = U,理解；公式中W表示做功，Q表示热量，U表示内能的变化。,注意：公式中的功是能够改变内能的功，不是所有的功。,2、热力学第一定律的表达式,3、热力学第一定律的内容,一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功
2、的和。这个关系叫做热力学第一定律。,注意：它适用于单体系统，对于多体系统不一定适用。,4符号规定 运用此公式时，需要注意各物理量的符号：物体内能增加时， U 为正，物体内能减少时， U 为负；外界对物体做功时，W 为正，物体对外界做功时，W为负；物体吸收热量时，Q为正，物体放出热量时，Q为负,例1：下列说法中正确的是：（ ）,A、物体吸收热量，其内能必增加,B、外界对物体做功，物体内能必增加,C、物体吸收热量，同时对外做功，其内能可能减少,D、物体温度不变，其内能也一定不变,评析：在分析问题时，要求考虑比较周全，既要考虑到内能包括分子动能和分子势能，又要考虑到改变内能也有两种方式：做功和热传递
3、,C,例题2：空气压缩机在一次压缩中，空气向外界传递的热量2.0 105J，同时空气的内能增加了1.5 105J. 这时，在压缩空气的过程中，外界对空气做了多少功？,解：根据热力学第一定律W + Q = U 知：,W= UQ = +1.5 105J -（- 2.0 105J） = +3.5 105J,所以此过程中外界对空气做了3.5 105J的功 。,二、能量守恒定律,1、复习各种能量的相互转化和转移,（1）各种机器的作用是什么？,各种机器都是能量转化器。,（2）风力发电是什么能转化为什么能？,（3）化学上电解食盐的过程中是什么能转化为什么能？,2、能量守恒定律：,记住能量守恒定律内容：能量既
4、不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为别的形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中其总量不变,4、能量守恒定律的历史意义 。,能的转化和守恒定律是分析解决问题的一个极为重要的方法，它比机械能守恒定律、热力学第一定律更普遍。例如：物体在空中下落受到阻力作用时，物体的机械能不守恒，但包括内能在内的总能量是守恒的。,能的转化和守恒定律是19世纪自然科学中三大发现之一，也庄严宣告了永动机幻想的彻底破灭。,3、与热力学第一定律的关系,热力学定律是能量守恒定律的特例,三、永动机不可能制成,2、永动机给我们的启示人类利用和改造自然时，必须遵循自然规律。,下面让我们来看看几种永动
5、机模型 。见识一下人们对永动机的研究情况：,能量守恒定律是认识自然、改造自然的有力武器，这个定律将广泛的自然科学技术领域联系起来，使不同领域的科学工作者有一系列的共同语言。,1、 第一类永动机概念：不消耗能量的机器。结果：无一例外地归于失败。原因：违背了能量守恒定律。,著名科学家达 芬奇早在15世纪就提出过永动机不可能的思想，他曾设计过一种转轮，如图1所示，,在转轮边沿安装一系列的容器，容器中充了一些水银，他想水银在容器中移动有可能使转轮永远地转动，但是经过仔细研究之后，得出了否定的结论。他从许多类似的设计方案中认识到永动机的尝试是注定要失败的。他写道：“永恒运动的幻想家们！你们的探索何等徒劳
6、无功！还是去做淘金者吧！”,图1 达芬奇设想的永动机,滚球永动机 17世纪，英国有一个被关在伦敦塔下叫马尔基斯的犯人，他做了一台可以转动的“永动机”，如图2所示。,转轮直径达4.3米，有40个各重23千克的钢球沿转轮辐翼外侧运动，使力矩加大，待转到高处时，钢球会自动地滚向中心。据说，他曾向英国国王查理一世表演过这一装置。国王看了很是高兴，就特赦了他。其实这台机器是靠惯性来维持短时运动的。,图2 滚球永动机,软臂永动机 19世纪有人设计了一种特殊机构，如图3所示。,它的臂可以弯曲。臂上有槽，小球沿凹槽滚向伸长的臂端，使力矩增大。转到另一侧，软臂开始弯曲，向轴心靠拢。设计者认为这样可以使机器获得转
7、矩。然而，他没有想到力臂虽然缩短了，阻力却增大了，转轮只能停止在原地。,图3 软臂永动机,阿基米得螺旋永动机 1681年，英国有一位著名的医生弗拉德提出一个建议，利用阿基米得螺旋（图4）,把水池的水提到高处，再让升高的水推动水轮机，水轮机除了带动水磨做功以外，还可使阿基米得螺旋转不断提水，如此周而复始，不就可以无需担心天旱水枯了吗？一时间，响应他的人大有人在，形形色色的自动水轮机陆续提出，竟出 现了热潮。,1.水沟 2.阿基米得螺旋 3.水轮 4.水磨,图4 阿基米得螺旋永动机,磁力永动机 大约在1570年，意大利有一位教授叫泰斯尼尔斯，提出用磁石的吸力可以实现永动机。他的设计如图5所示，,A
8、是一个磁石，铁球G受磁石吸引可沿斜面滚上去，滚到上端的E处，从小洞B落下，经曲面BFC返回，复又被磁石吸引，铁球就可以沿螺旋途径连续运动下去。大概他那时还没有建立库仑定律，不知道磁力大小是与距离的平方成反比变化的，只要认真想一想，其荒谬处就一目了然了。,图5 磁力永动机,如果说永动机的“发明”对人类有点益处的话，那就是人们可以从中吸取教训：一切违背能量转化与守恒定律等自然规律的“创造”都是注定要失败的,就在一些人热衷于制造永动机的同时，科学家们从力学基本理论的研究中逐步认识到了自然界的客观规律性。继达芬奇之后，斯蒂文于1568年写了一本静力学基础，其中讨论斜面上力的分解问题时，明确地提出了永动
9、机不可能实现的观点。,他所用的插图画在该书扉页上，见图6，图的上方写着：“神奇其实并不神奇。”将14个等重的小球均匀地用线穿起组成首尾相连的球链，放在斜面上，他认为链的“运动没有尽头是荒谬的”，所以两侧应平衡。,右图6为 “神奇其实并不神奇”,四、做功、热传递、内能变化的判断,如图所示容器，A、B 中各有一个可以自由移动的活塞，活塞下面是水，上面为大气，大气压恒定。 A、B 间用带有阀门的管道相连，整个装置与外界隔热A 容器的横截面积大于 B 容器的横截面积，开始时 A 的液面高于 B 的液面，开启阀门后，A 中的水逐渐流向 B，直至两边液面相平在这个过程中问大气压力对活塞做功不做功？水的内能
10、增加还是减少？系统是吸热还是放热？,四、做功、热传递、内能变化的判断,一）做功的判断 首先要明确W是能够改变内能的功！ 通常可以根据系统的体积来判断但是有例外。 通常是体积增加对外做功，体积减少对内做功。 例外的情况有：弯折物体，搅拌液体、电流做功等没有体积的变化却伴有做功，气体向真空膨胀等体积变大却没有做功。,四、做功、热传递、内能变化的判断,二）内能变化的判断若题目涉及的系统是一定质量的特定理想气体，由于它只有分子动能，故看它的内能就只需要看它的温度。温度升高内能增加，温度降低内能减少。,实际气体若是温度不变，体积增大，内能增加。 冰熔化成水的过程中，因为要从外界吸热且外界对系统做功，所以
11、内能增加。 故对于非理想气体一般不能根据温度判断内能的变化。,四、做功、热传递、内能变化的判断,三）热传递的判断 由于做功和热传递都能够改变物体的内能，改变物体的温度，所以对于做功和热传递同时存在的过程不能根据温度来判断吸热还是放热。 这里通常要根据题目给出的环境、所用材料、热传递的情况的描述进行判断。如果还无法判断通常就要用到热力学第一定律或者能量守恒定律了。,四、做功、热传递、内能变化的判断,四）思路 要通过认真审题，找出可以先行判断的项目。 不能单独判断的项目一般要利用热力学第一定律或者能量守恒定律进行判断。 更多的情况是用能量守恒定律更方便。,四、做功、热传递、内能变化的判断,五）顺口
12、溜做功情况看体积，例外情况要牢记；热传情况看环材，只看温度犯糊涂；理气内能看温度，典例情况心中熟；还有困难别打住，能量守恒能帮助。,四、做功、热传递、内能变化的判断,如图所示容器，A、B 中各有一个可以自由移动的活塞，活塞下面是水，上面为大气，大气压恒定。 A、B 间用带有阀门的管道相连，整个装置与外界隔热A 容器的横截面积大于 B 容器的横截面积，开始时 A 的液面高于 B 的液面，开启阀门后，A 中的水逐渐流向 B，直至两边液面相平在这个过程中对于活塞和水这个系统（ ）,A、大气压力对系统做功，水的内能增加,B、系统克服大气压力做功，水的内能减小,C、大气压力对系统不做功，水的内能不变,D
13、、大气压力对系统不做功，水的内能增加,D,思维训练：一定质量的理想气体，经历了下述过程，试分别判断相关过程中的内能变化、做功和热传递的情况：,A在大气中等温膨胀B在真空中等温膨胀C被等压压缩,巩固练习,1、一定质量的理想气体，如果体积膨胀，同时吸收热量，下列关于该气体内能变化的说法中正确的是（ ）,A、如果气体对外做的功大于吸收的热量，气体内能将减少B、如果气体对外做的功小于吸收的热量，气体内能将减少C、如果气体对外做的功等于吸收的热量，气体内能将不变D、如果气体对外做的功等于吸收的热量，气体内能可能改变,A、C,2、关于能的转化与守恒定律的下列说法错误的是（ ）,A、能量能从一种形式转化为另
14、一种形式的能，但不能从一个物体转移到另一物体B、能量的形式多种多样，它们之间可以相互转化C、一个物体能量增加了，必然伴随着别的物体能量减少D、能的转化与守恒定律证明了第一类永动机是不可能存在的,A,3、一个物体沿粗糙斜面匀速滑下，则下列说法正确的是（ ）,A、物体机械能不变，内能也不变B、物体机械能减小，内能不变C、物体机械能减小，内能增大，机械能与内能总量减小D、物体机械能减小，内能增大，机械能与内能总量不变,D,4、质量M=4Kg的重锤锻打铁器，铁器质量m=0.6Kg,已知重锤打击前的速度为v=10m/s,设打击时有60%的机械能转化为内能,其中50%使铁器升温,已知铁的比热C=5102J/Kg,求重锤连续打击20次后,铁器温度升高多少?,解:重锤打击一次的动能:EK=Mv2/2= 200 ( J ),重锤连续打击20次的动能 K总=4000 ( J ),转化成内能U=E总=2400(J),吸收的热量Q= U=1200(J),由Q = C m t,得t = 4 ,布置作业：,1、认真阅读课本选修33第5457页，理解所学内容。,谢谢合作,2、做题，课本选修33第56、57页问题与练习。,
