高中物理 《熱力學(xué)第一定律》教案 魯科版選修3-3

5.1 熱力學(xué)第一定律 教案 目標(biāo)導(dǎo)航1知道熱力學(xué)第一定律的內(nèi)容及其表達(dá)式2理解能量守恒定律的內(nèi)容3了解第一類永動(dòng)機(jī)不可能制成的原因誘思導(dǎo)學(xué)1.熱力學(xué)第一定律（1）.一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)能增量等于外界向它傳遞的熱量與外界對(duì)它所做的功的和。這個(gè)關(guān)系叫做熱力學(xué)第一定律。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：U=W+Q（2）.與熱力學(xué)第一定律相匹配的符號(hào)法則做功W熱量Q內(nèi)能的改變U取正值“+”外界對(duì)系統(tǒng)做功系統(tǒng)從外界吸收熱量系統(tǒng)的內(nèi)能增加取負(fù)值“”系統(tǒng)對(duì)外界做功系統(tǒng)向外界放出熱量系統(tǒng)的內(nèi)能減少（3）熱力學(xué)第一定律說(shuō)明了做功和熱傳遞是系統(tǒng)內(nèi)能改變的量度，沒(méi)有做功和熱傳遞就不可能實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移，同時(shí)也進(jìn)一步揭示了能量守恒定律。（4）應(yīng)用熱力學(xué)第一定律解題的一般步驟：根據(jù)符號(hào)法則寫出各已知量（W、Q、U）的正、負(fù)；根據(jù)方程U=W+Q求出未知量；再根據(jù)未知量結(jié)果的正、負(fù)來(lái)確定吸熱、放熱情況或做功情況。2.能量守恒定律.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)機(jī)械能；分子熱運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)內(nèi)能；電磁運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)電磁能。.不同形式的能量之間可以相互轉(zhuǎn)化。摩擦可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；熾熱電燈發(fā)光可以將電能轉(zhuǎn)化為光能。.能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生，也不會(huì)憑空消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或者從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到別的物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過(guò)程中其總量不變。這就是能量守恒定律。(4).熱力學(xué)第一定律、機(jī)械能守恒定律都是能量守恒定律的具體體現(xiàn)。(5).能量守恒定律適用于任何物理現(xiàn)象和物理過(guò)程。(6). 能量守恒定律的重要意義第一，能量守恒定律是支配整個(gè)自然界運(yùn)動(dòng)、發(fā)展、變化的普遍規(guī)律，學(xué)習(xí)這個(gè)定律，不能滿足一般理解其內(nèi)容，更重要的是，從能量形式的多樣化及其相互聯(lián)系，互相轉(zhuǎn)化的事實(shí)出發(fā)去認(rèn)識(shí)物質(zhì)世界的多樣性及其普遍聯(lián)系，并切實(shí)樹立能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生，也不會(huì)憑空消失的觀點(diǎn)，作為以后學(xué)習(xí)和生產(chǎn)實(shí)踐中處理一切實(shí)際問(wèn)題的基本指導(dǎo)思想之一。第二，宣告了第一類永動(dòng)機(jī)的失敗。3.第一類永動(dòng)機(jī)不可能制成任何機(jī)器運(yùn)動(dòng)時(shí)只能將能量從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，而不可能無(wú)中生有地創(chuàng)造能量，即第一類永動(dòng)機(jī)是不可能制造出來(lái)的。典例探究例1.一定量的氣體在某一過(guò)程中，外界對(duì)氣體做了8×104J的功，氣體的內(nèi)能減少了1.2×105J，則下列各式中正確的是 （ ）A.W=8×104J，U =1.2×105J ，Q=4×104JB.W=8×104J，U =1.2×105J ，Q=2×105JC.W=8×104J，U =1.2×105J ，Q=2×104JD.W=8×104J，U =1.2×105J ，Q=4×104J解析：本題主要考查熱力學(xué)第一定律的應(yīng)用。因?yàn)橥饨鐚?duì)氣體做功，W取正值，即W=8×104J；內(nèi)能減少，U取負(fù)值，即U=1.2×105J；根據(jù)U=W+Q，可知Q=UW=1.2×1058×104=2×105J，即B選項(xiàng)正確。答案：B友情提示：注意熱力學(xué)第一定律關(guān)系式中各物理量的符號(hào)法則。例2.一定質(zhì)量的氣體，在壓縮過(guò)程中外界對(duì)氣體做功300J，但這一過(guò)程中氣體的內(nèi)能減少了300J，問(wèn)氣體在此過(guò)程中是吸熱還是放熱？吸收（或放出）多少熱量？解析：由題意可知，W=300J，U=300J，根據(jù)熱力學(xué)第一定律可得Q=UW=300J300J=600JQ為負(fù)值表示氣體放熱，因此氣體放出600J的熱量。友情提示：注意熱力學(xué)第一定律關(guān)系式中各物理量的符號(hào)法則及其物理意義。例3. 一定質(zhì)量的氣體從外界吸收了4.2×105J的熱量，同時(shí)氣體對(duì)外做了6×105J的功，問(wèn)：（1）物體的內(nèi)能是增加還是減少？變化量是多少？（2）分子勢(shì)能是增加還是減少？（3）分子的平均動(dòng)能是增加還是減少？解析：（1）氣體從外界吸熱為：Q=4.2×105J氣體對(duì)外做功：W=6×105J由熱力學(xué)第一定律：U=W+Q=（6×105）+（4.2×105J）=1.8×105JU為負(fù)，說(shuō)明氣體的內(nèi)能減少了。所以，氣體內(nèi)能減少了1.8×105J。（2）因?yàn)闅怏w對(duì)外做功，所以氣體的體積膨脹，分子間的距離增大了，分子力做負(fù)功，氣體分子勢(shì)能增加了。（3）因?yàn)闅怏w內(nèi)能減少，同時(shí)氣體分子勢(shì)能增加，說(shuō)明氣體分子的平均動(dòng)能一定減少了。友情提示：本題以熱力學(xué)第一定律關(guān)系式為起點(diǎn)，結(jié)合分子動(dòng)理論中內(nèi)能的定義，分析得出：氣體對(duì)外做功，體積膨脹，分子間的距離增大了，分子力做負(fù)功，氣體分子勢(shì)能增加了氣體內(nèi)能減少，同時(shí)氣體分子勢(shì)能增加，說(shuō)明氣體分子的平均動(dòng)能一定減少了?；A(chǔ)訓(xùn)練1關(guān)于物體內(nèi)能的變化，以下說(shuō)法正確的是 （ ）A.物體吸熱，內(nèi)能一定增大B.物體對(duì)外做功，內(nèi)能可能增大C.物體吸收熱量，同時(shí)對(duì)外做功，內(nèi)能可能不變D.物體放出熱量，同時(shí)對(duì)外做功，內(nèi)能可能不變2自由擺動(dòng)的秋千擺動(dòng)幅度越來(lái)越小，下列說(shuō)法正確的是 （ ）A.秋千的機(jī)械能守恒 B.秋千的能量正在消失C.只有動(dòng)能和重力勢(shì)能的相互轉(zhuǎn)化 D.減少的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，但總能量守恒3下列各物體在所經(jīng)歷的過(guò)程中，內(nèi)能增加的有 ( )A.在光滑斜面上由靜止釋放而下滑的物體B.水平飛行并射穿木塊的子彈C.在絕熱的條件下被壓縮的氣體D.在光滑水平面上運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)小球，碰撞后以共同的速度運(yùn)動(dòng)4在熱力學(xué)第一定律的表達(dá)式U=W+Q中關(guān)于U、W、Q各個(gè)物理量的正、負(fù)，下列說(shuō)法中正確的是 （ ）A.外界對(duì)物體做功時(shí)W為正，吸熱時(shí)Q為負(fù)，內(nèi)能增加時(shí)U為正B.物體對(duì)外界做功時(shí)W為負(fù)，吸熱時(shí)Q為正，內(nèi)能增加時(shí)U為負(fù)C.物體對(duì)外界做功時(shí)W為負(fù)，吸熱時(shí)Q為正，內(nèi)能增加時(shí)U為正D.外界對(duì)物體做功時(shí)W為負(fù)，吸熱時(shí)Q為負(fù)，內(nèi)能增加時(shí)U為負(fù)5對(duì)于在一個(gè)大氣壓下100的水變成100的水蒸氣的過(guò)程中，下列說(shuō)法正確的是 （ ）A.水的內(nèi)能增加，對(duì)外界做功，一定是吸熱B.水的內(nèi)能不變，對(duì)外界做功，從外界吸熱C.水的內(nèi)能減少，對(duì)外界不做功，向外界放熱D.水的內(nèi)能增加，對(duì)外界做功，向外界放熱6為使一個(gè)與外界保持良好熱交換狀態(tài)的物體的內(nèi)能能夠明顯變化，以下方法可行的是（）A.以較大的功率對(duì)物體做功B. 以較小的功率對(duì)物體做功C.該物體以較大的功率對(duì)外做功D. 該物體以較小的功率對(duì)外做功1/VP.CBA7圖10.3-1所示是一定質(zhì)量的理想氣體從狀態(tài)A經(jīng)B至C的P圖線，則在此過(guò)程中（）A.氣體的內(nèi)能改變B.氣體的體積增大C.氣體向外界放熱D.氣體對(duì)外界做功 圖10.3-18從10m高空由靜止開(kāi)始下落的水滴，在下落的過(guò)程中，水滴重力勢(shì)能的40轉(zhuǎn)化為水的內(nèi)能使水的溫度升高，則水滴落下后溫度升高多少？水的比熱容c=4.2×103J/（kg·）9一個(gè)透熱良好的氣缸，缸壁浸在盛水的容器中，迅速下壓活塞，壓縮中對(duì)氣體做了2000J的功，穩(wěn)定后使容器中2千克的水溫度升高了0.2，假設(shè)盛水容器絕熱。問(wèn)：壓縮前后缸內(nèi)氣體的內(nèi)能變化了多少？多維鏈接1有一種所謂“全自動(dòng)”機(jī)械手表，既不需要上發(fā)條，也不用任何電源，卻能不停地走下去。這是不是一種永動(dòng)機(jī)？如果不是，你知道維持表針走動(dòng)的能量是哪兒來(lái)的嗎？提示：不是永動(dòng)機(jī)。能量是通過(guò)擺動(dòng)手臂對(duì)表內(nèi)的轉(zhuǎn)輪做功而儲(chǔ)存的。2在一間隔熱很好的密閉房間里放一臺(tái)電冰箱，如果把冰箱門打開(kāi)，開(kāi)動(dòng)一段時(shí)間后，房?jī)?nèi)溫度是降低還是升高？提示：升高了。因?yàn)殡姳湎碾娔?，產(chǎn)生電熱，使密閉房間內(nèi)的空氣內(nèi)能增加，房?jī)?nèi)溫度升高。3能的轉(zhuǎn)化和守恒定律的建立能的轉(zhuǎn)化和守恒定律的建立，揭示了機(jī)械熱、電、化學(xué)等各種運(yùn)動(dòng)形式之間相互聯(lián)系并相互轉(zhuǎn)化的統(tǒng)一性，是物理學(xué)發(fā)展史上繼牛頓學(xué)將天體運(yùn)動(dòng)與地面物體運(yùn)動(dòng)的大綜合之后的第二次大綜合，恩格斯將這一偉大的運(yùn)動(dòng)基本定律稱為19世紀(jì)自然科學(xué)的三大發(fā)現(xiàn)之一，它不僅是自然科學(xué)的基礎(chǔ)，而且也給哲學(xué)上的不滅運(yùn)動(dòng)原理和自然界運(yùn)動(dòng)形式的統(tǒng)一性提供了可靠的科學(xué)論據(jù)。4關(guān)于太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)化太陽(yáng)能輻射到地球表面，產(chǎn)生熱量和化學(xué)能，能量給地球以溫暖，推動(dòng)地表水的循環(huán)和空氣的流動(dòng)。化學(xué)能被植物經(jīng)過(guò)化學(xué)作用所利用，產(chǎn)生糖類及其其它有機(jī)物，成為生命活動(dòng)的能源，一個(gè)活的生命體可以看作是一個(gè)利用太陽(yáng)能以維持自身生命，并延續(xù)下一代的化學(xué)系統(tǒng)。太陽(yáng)能有廣泛的應(yīng)用，其輻射的直接利用基本上有以下四種方式：(1).太陽(yáng)能內(nèi)能轉(zhuǎn)換這是目前技術(shù)最為成熟，成本最為低廉，因而應(yīng)用最為廣泛的形式，其基本原理是將太陽(yáng)輻射能收集起來(lái)，利用溫室效應(yīng)來(lái)加熱物體而獲得內(nèi)能，如地膜、大棚、溫室等，目前使用較多的太陽(yáng)能收集裝置有兩種，一種是平板式集熱器，如太陽(yáng)能熱水器等，另一種是聚集型集熱器，如反射式太陽(yáng)灶、高溫太陽(yáng)爐等。(2).太陽(yáng)能電能轉(zhuǎn)換太陽(yáng)能與電能轉(zhuǎn)換有兩種方式，一種是利用太陽(yáng)輻射能發(fā)電，一般是由太陽(yáng)能集熱器將吸收的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成蒸汽，再驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電，但這一過(guò)程效率較低并且成本高，沒(méi)有實(shí)用價(jià)值；另一種是太陽(yáng)能與電能的轉(zhuǎn)換，是利用光電效應(yīng)，將太陽(yáng)輻射能直接轉(zhuǎn)化成電能。(3).太陽(yáng)能化學(xué)能轉(zhuǎn)換利用太陽(yáng)輻射能可以轉(zhuǎn)化為化學(xué)鍵中的化學(xué)能，進(jìn)而生成新物質(zhì)，或利用其分解化學(xué)物質(zhì)生成新物質(zhì)。例如直接分解水制氫，是一種很有前途的光能與化學(xué)能的轉(zhuǎn)化方式。(4).太陽(yáng)能生物質(zhì)能的轉(zhuǎn)換主要是通過(guò)地球上眾多的植物的光合作用，將太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)能。生物能又叫綠色能源，是植物體燃燒放出的熱能。此外，葉綠素通過(guò)光合作用把二氧化碳和水轉(zhuǎn)化成碳水化合物和氧氣，這時(shí)太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成儲(chǔ)存在植物內(nèi)有機(jī)物的化學(xué)能。參考答案1.解析：由熱力學(xué)第一定律易知B、C正確。答案：B、C2.解析：由能的轉(zhuǎn)化和守恒定律及能量守恒定律，顯然D正確。答案：D3.解析：子彈在射穿木塊的過(guò)程中，摩擦生熱內(nèi)能增加；在絕熱的條件下被壓縮的氣體，外界對(duì)氣體做功氣體內(nèi)能增加；運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)小球碰撞時(shí)損失的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，故B、C、D正確。答案：B、C、D4.解析：外界對(duì)物體做功時(shí)W為正，反之為負(fù)；吸熱時(shí)Q為正，反之為負(fù)；內(nèi)能增加時(shí)U為正，反之為負(fù)。故C正確。答案：C5.解析：在一個(gè)大氣壓下100的水變成100的水蒸氣的過(guò)程中，溫度不變但要吸收熱量，體積增大，對(duì)外做功；由于溫度不變，體積增大，所以分子的動(dòng)能不變，分子勢(shì)能增加，內(nèi)能增加。故A正確。答案：A6.解析：由熱力學(xué)第一定律和WPt知，以較大的功率對(duì)物體做功就會(huì)使物體增加的內(nèi)能大于物體由于熱交換減小的內(nèi)能，從而使物體的內(nèi)能能夠明顯增加；該物體以較大的功率對(duì)外做功就會(huì)使物體減小的內(nèi)能大于物體由于熱交換增加的內(nèi)能，從而使物體的內(nèi)能能夠明顯減小。答案：A.C7.解析：由圖象可知該氣體發(fā)生的等溫變化，故氣體的內(nèi)能不變，U0；但氣體的體積在減小，故外界對(duì)氣體做功，W0；由熱力學(xué)第一定律UWQ知，Q0，氣體放熱。故C正確。答案：C8.解析：由題意得：mgh=cmt代入數(shù)值得：t0.01答案：0.019.解析：活塞對(duì)氣體做功W=2000J，氣體向水放出熱量，其絕對(duì)值為：Q=cmt=4.2×103×2×0.2J=1680J由于壓縮中氣體向外界放熱，所以代入熱力學(xué)第一定律表達(dá)式時(shí)，Q取負(fù)號(hào)，內(nèi)能變化為U=WQ=2000J1680J=320J即氣體內(nèi)能增加了320 J 。