第4章 41 热力学第一定律+42 能量守恒定律的发现历程.docx

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第4章41热力学第一定律+42能量守恒定律的发现历程

4．1　热力学第一定律

4．2　能量守恒定律的发现历程

学习目标

知识脉络

1.掌握功与内能的关系，掌握热量和内能的关系．（重点）

2．正确认识做功和热传递在改变内能上是等效的，但本质是不同的．

3．知道热力学第一定律的内容、公式，并能用其解决问题．（重点、难点）

4．了解第一类永动机及其不可能制成的原因．

5．知道能量守恒定律发现的过程，体会自然界的统一性．（重点）

6．理解能量守恒定律的内涵及外延，并解释自然现象．（重点、难点）

热力学第一定律

1．做功和内能的改变

（1）绝热过程

系统跟外界之间不发生热交换，这时系统经历的过程叫做绝热过程．

（2）关系式

ΔU＝U2－U1＝W.

2．热传递和内能的改变

（1）热传递的三种方式

传导、对流、辐射．

（2）关系式

ΔU＝U2－U1＝Q.

3．热力学第一定律

（1）改变物体内能的两种方式

做功和热传递．

（2）物体内能的改变

①如果物体与外界无热传递，若外界对物体做功，则物体的内能增加；若物体对外做功，物体的内能减少．

②如果物体既不对外做功，外界也不对物体做功，则物体吸收热量时，它的内能增加；物体放出热量时，它的内能减少．

（3）热力学第一定律

①内容：

物体内能的增加量ΔU，等于外界对物体所做的功W与物体从外界吸收的热量Q之和．

②表达式：

ΔU＝W＋Q.

③符号规则：

物体从外界吸收热量，外界对物体做功，则Q＞0，W＞0；反之Q＜0，W＜0；若ΔU＞0表示物体内能增加，ΔU＜0表示物体内能减小．

④意义：

一个物体内能增加，必定有其他物体对它做功，或向它传递热量．与此同时，对此物体做功或向它传热的其他物体要减少等量的能量，而系统的总能量保持不变．在一切涉及热现象的宏观过程中，能量可以发生转移或转化，在转移或转化过程中总能量守恒．

1．在绝热过程中，外界对系统做多少功，内能就能增加多少．（√）

2．热量一定从内能多的物体传递给内能少的物体．（×）

3．做功和热传递在改变物体内能上是等效的．（√）

给旱区送水的消防车停于水平地面．在缓慢放水的过程中，若车胎不漏气且胎内气体温度不变，不计分子间的势能，试分析气体的吸、放热情况．

图411

【提示】　由于车胎内气体温度不变，故气体分子的平均动能不变，内能不变．放水过程中气体体积增大，对外做功，由热力学第一定律可知，车胎内气体吸热．

1．改变内能的两种方式的比较

（1）等效的理解

等效是指做功和热传递在改变物体内能上可以取得相同的效果．两种方式均可以改变物体的内能，如果我们不知道系统所经历的具体过程时，仅从内能的改变上无法区分系统所采用的是做功，还是热传递方式使其内能发生变化的．所以做功和热传递是等效的．

（2）两种方式的区别

比较项目

做功

热传递

内能变化

外界对物体做功，物体的内能增加

物体对外界做功，物体的内能减少

物体吸收热量，内能增加

物体放出热量，内能减少

物理实质

其他形式的能与内能之间的转化

不同物体间或同一物体不同部分之间内能的转移

相互联系

做一定量的功或传递一定量的热在改变内能的效果上是相同的

（3）内能及内能的变化

①内能是状态量，物体的内能对应物体所处的状态．

②内能的变化是过程量，通过做功和热传递可以改变物体的内能，即做功和热传递都是过程量．

（4）内能、热量、功的区别

①就某一状态而言，只有“内能”，根本不存在什么“热量”和“功”，因此，不能说一个系统中含有“多少热量”或“多少功”．

②一个物体内能的多少是无法测量的，但物体内能的变化是可以测量的．

2.对热力学第一定律的理解

（1）热力学第一定律不仅反映了做功和热传递这两种改变内能过程是等效的，而且给出了内能的变化量和做功与热传递之间的定量关系．此定律应用时各量的单位应统一．

（2）对公式ΔU＝Q＋W符号的规定

符号

W

Q

ΔU

＋

外界对物体做功

物体吸收热量

内能增加

－

物体对外界做功

物体放出热量

内能减少

（3）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.

3．热力学第一定律的应用应注意的问题

（1）在应用过程中应特别分清W、Q的正负号，以便准确地判断ΔU的正、负．

（2）几种特殊情况：

①若过程是绝热的，则Q＝0，W＝ΔU，外界对物体做的功等于物体内能的增加．

②若过程中不做功，即W＝0，则Q＝ΔU，物体吸收的热量等于物体内能的增加．

③若过程的始末状态物体的内能不变，即ΔU＝0，则W＋Q＝0或W＝－Q，外界对物体做的功等于物体放出的热量．

4．第一类永动机的特点

不消耗任何能量而能永远对外做功的机器．

5．第一类永动机不可能制成

一切与热现象有关的过程，能量一定守恒．第一类永动机本质上都是认为能量能够无中生有地创造出来，这违背了热力学第一定律，因而是不可能实现的．

1．关于物体的内能和热量，下列说法中正确的有（　　）

A．质量相等的热水和冷水相比较，热水的内能比冷水的内能多

B．温度高的物体其热量必定多，内能必定大

C．在热传递过程中，内能大的物体其内能将减小，内能小的物体其内能将增大，直到两物体的内能相等

D．在热传递过程中，热量从高温物体传递到低温物体，直到两物体的温度相同为止

E．热量是热传递过程中内能转移的量度

【解析】　物体的内能由温度、体积及物体的质量决定，不是只由温度决定，故A对、B错；在热传递过程中，热量由高温物体传给低温物体，而与物体的内能大小无关，所以完全有可能是内能大的物体内能继续增大，内能小的物体内能继续减小，故C项错、D项对；关于热量的论述，E项是正确的．

【答案】　ADE

2．下列过程，可能发生的是（　　）

【导学号：

35500040】

A．物体吸收热量，对外做功，同时内能增加

B．物体吸收热量，对外做功，同时内能减少

C．外界对物体做功，同时物体吸热，内能减少

D．外界对物体做功，同时物体放热，内能增加

E．物体对外界做功，同时物体放热，内能增加

【解析】　根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，做功和热传递都可以改变物体的内能，故由此可确定A、B、D正确，C、E错误．

【答案】　ABD

3．一定质量的气体从外界吸收了4.2×105J的热量，同时气体对外做了6×105J的功，问：

（1）物体的内能是增加还是减少？

变化量是多少？

（2）分子势能是增加还是减少？

（3）分子的平均动能是增加还是减少？

【解析】　

（1）气体从外界吸收的热量为

Q＝4.2×105J

气体对外做功W＝－6×105J

由热力学第一定律

ΔU＝W＋Q＝（－6×105J）＋（4.2×105J）

＝－1.8×105J

ΔU为负，说明气体的内能减少了

所以，气体内能减少了1.8×105J.

（2）因为气体对外做功，所以气体的体积膨胀，分子间的距离增大了，分子力做负功，气体分子势能增加了．

（3）因为气体内能减少，同时气体分子势能增加，所以气体分子的平均动能一定减少了．

【答案】　

（1）减少　1.8×105J　

（2）增加　

（3）减少

气体状态变化与物理量对应方法

（1）绝热过程：

气体与外界没有热传递．

（2）导热良好：

气体与外界有热交换，且与外界温度保持相同．

（3）体积减小，外界对气体做功；体积增大（不是对真空膨胀），气体对外界做功．

（4）温度升高，理想气体的内能增加；温度降低，理想气体的内能减少．

能量守恒定律

1．漫长的发现之路

（1）1800年，意大利科学家伏打发明“伏打电堆”，实现了化学运动与电运动之间的转化．

（2）1820年，丹麦物理学家奥斯特发现了电流的磁效应，揭示了电与磁之间的联系．

（3）1821年，法拉第制成了“电磁旋转器”，实现了电运动和机械运动之间的转化．

（4）迈尔观点：

体力和体热必定来源于食物中的化学能，内能、化学能、机械能都是等价的，是可以相互转化的，如果动物体的能量输入与支出是平衡的，那么，所有这些形式的能在量上必定是守恒的．

（5）焦耳的研究

①确定了电能向内能转化的定量关系．

②用了近40年的时间，不懈地钻研热功转换问题，为能量守恒定律提供了无可置疑的证据．

（6）亥姆霍兹的贡献

从理论上把力学中的能量守恒原理推广到热、光、电、磁、化学反应等过程，揭示了它们之间的统一性．

2．能量守恒定律及其应用

（1）内容

能量既不能凭空产生，也不能凭空消失，它只能从一种形式转化为另一种形式，或者从一个系统（物体）转移到另一个系统（物体），在转化和转移的过程中其总量不变．

（2）意义

揭示了自然科学各个分支之间的普遍联系，是自然界内在统一性的第一个有力证据．

（3）应用

①各种形式的能可以相互转化．但能量转化过程中总伴有内能的损失．

②各种互不相关的物理现象，可以用能量守恒定律联系在一起．

自由摆动的秋千摆动幅度越来越小，减少的机械能转化为内能，但总能量守恒．（√）

有一种所谓“全自动”机械手表，既不需要上发条，也不用任何电源，却能不停地走下去．这是不是一种永动机？

如果不是，维持表针走动的能量是从哪儿来的？

图412

【提示】　这不是永动机．手表戴在手腕上，通过手臂的运动，机械手表获得能量，供手表指针走动．若将此手表长时间放置不动，它就会停下来．

1．自然界中能量的存在形式

物体运动具有机械能、分子热运动具有内能、电荷具有电能、原子核内部的运动具有原子能等，可见，在自然界中不同的能量形式与不同的运动形式相对应．

2．不同形式能量之间的转化

“摩擦生热”是通过克服摩擦做功将机械能转化为内能；水壶中的水沸腾时水蒸汽对壶盖做功将壶盖顶起，表明内能转化为机械能；电流通过电热丝做功可将电能转化为内能，汽缸内燃油燃烧释放的内能通过燃气推动活塞做功而转化为机械能等．这些实例说明了不同形式的能量之间可以相互转化，且这一转化过程是通过做功来完成的．

3．太阳能的转化

【说明】　自然界中各种形式的能量可以相互转化，说明不同的运动形式也可以相互转化．

4．对能量守恒定律的理解

（1）某种形式的能减少，一定有其他形式的能增加，且减少量和增加量一定相等．

（2）某个物体的能量减少，一定存在其他物体的能量增加，且减少量和增加量一定相等．

（3）各种形式的能在转化和转移过程中总量守恒无需任何条件，而某种或几种形式的能的守恒是有条件的．例如，物体的机械能守恒，必须是只有重力做功．

（4）意义：

能量守恒定律的发现，使人们进一步认识到，任何一部机器，只要对外做功，都要消耗能量，都只能使能量从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到其他物体，而不能无中生有地创造能量．不消耗能量，却可以源源不断地对外做功的机器（第一类永动机）是不可能制成的．

4．下列对能量的转化和守恒定律的认识正确的是（　　）

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——第一类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

E．汽车刹车而停止，汽车的动能消失了

【解析】　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．第一类永动机是不可能制成的，因为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、E是错误的．

【答案】　ABC

5．说出下列过程中是什么能量转化为内能．

（1）物体沿粗糙斜面下滑；

（2）变压器发热；

（3）汽油机内气体燃烧后变成高温气体；

（4）车刀切下炽热铁屑．

【解析】　物体沿斜面下滑，克服摩擦力做功，机械能转化为内能；电流通过变压器线圈发热，电能转化为内能；气体（燃料）燃烧后变成高温气体，化学能转化为内能；车刀切下炽热的铁屑，克服摩擦力做功，机械能转化为内能．

【答案】　

（1）机械能——内能　

（2）电能——内能

（3）化学能——内能　（4）机械能——内能

应用能量守恒定律的思路方法

（1）能量守恒的核心是总能量不变，因此在应用能量守恒定律时应首先分清系统中哪些能量在相互转化，是通过哪些力做功实现的，这些能量分别属于哪些物体，然后再寻找合适的守恒方程式．

（2）在应用能量守恒定律分析问题时，应明确两点：

①哪种形式的能量减少，哪种形式的能量增加．

②哪个物体的能量减少，哪个物体的能量增加．