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第二讲: 热力学第一定律 能量守恒定律,1理解热力学第一定律,并掌握其表达式 2能运用热力学第一定律解释自然界能量的转化、转移问题 3理解能量守恒定律,知道能量守恒定律是自然界普遍遵从的基本规律 4知道第一类永动机是不可能制成的,一、热力学第一定律 1.定律内容:一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的 与外界对它所做的 的和 2.数学表达式:,热量,功,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.,二、能量守恒定律 大量事实表明,各种形式的能量可以相互转化,并且在转化过程中总量保持 内容:能量既不能凭空 ,也不能凭空 ,它只能从一种形式 成另一种形式,或者从一个物体 . 到别的物体,在转化和转移的过程中其总量 能量守恒定律是自然界中最普遍、最重要的规律之一,不变,产生,消失,转化,转移,保持不变,3.判断是否做功的方法 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,W0. (3)若物体向真空膨胀,不做功,W=0.,三、永动机不可能制成 第一类永动机:人们把设想的不消耗 的机器称为第一类永动机 第一类永动机由于违背了 ,所以不可能制成 温馨提示 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,使能量从一种形式转化为另一种形式,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,能量,能量守恒定律,应用热力学第一定律解题的思路与步骤 (1)首先应明确研究对象是哪个物体或者是哪个热力学系统 (2)分别列出物体(或系统)吸收或放出的热量,外界对物体(或系统)所做的功或物体(或系统)对外所做的功,(3)根据热力学第一定律UQW列出方程进行求解 (4)特别注意的就是物理量的正负号及其物理意义 特别提醒: 无论何种形式的机器只要违背热力学第一定律都是不可能成功的,也就是说,第一类永动机是永远不可能制造成功的,【例1】 空气压缩机在一次压缩中,活塞对空气做了2105 J的功,同时空气的内能增加了1.5105 J,这一过程中空气向外界传递的热量是多少? 解析:选择被压缩的空气为研究对象, 根据热力学第一定律有UWQ. 由题意可知W2105 J,U1.5105 J,代入上式得 QUW1.5105 J2105 J5104 J. 负号表示空气向外释放热量,即空气向外界传递的热量为5104 J. 答案 5104 J,热力学第一定律的理解和应用,题型分类,【变式1】 图是密闭的气缸密封了一定质量的理想气体,外力推动活塞P压缩气体,对缸内气体做功800 J,同时气体向外界放热200J,缸内气体的( ) A温度升高,内能增加600 J B温度升高,内能减少200 J C温度降低,内能增加600 J D温度降低,内能减少200 J 解析 由WQU得: U800J(200J)600J,一定质量的理想气体的内能大小只与温度有关,U0故温度升高,选A. 答案 A,【例2】 如图所示,一个小铁块沿半径为R0.2m的半球内壁自上端由静止下滑,当滑至半球底部时,速度为1m/s,设此过程 中损失的机械能全部变为内能,并有40%被铁块吸收已知铁的比热容c0.46103 J/(kg),重力加速度g取10 m/s2.求铁块升高的温度,能量守恒定律的理解和应用,【变式2】 如图所示,A、B是两个完全相同的铁球,A放在绝热板上,B用绝热绳悬挂,现只让它们吸收热量,当它们升高相同的温度时,它们所吸收的热量分别为QA、QB,则( ) AQAQB BQAQB D无法确定QA、QB的大小,解析 1.由热胀冷缩可知,A、B两球体积增加,所以A球重心升高,重力势能增大,而B球重心降低,重力势能减小. 2.A、B两球升高相同的温度,内能的增加相同,即U相同. 3.由能量守恒定律得: 对A球:QA=UA+EPG. 对B球:QB+EPG=UB即QB=UB-EPG. 故QAQB.答案 C,多力做功,多种能量的转化采用能量守恒定律,【例3】如图所示,一定质量的理想气体从状态A经等压过程到状态B.此过程中,气体压强p1.0105Pa,吸收的热量Q7.0102J,求此过程中气体内能的增量,热力学第一定律与气体实验定律的综合应用,【变式3】如图所示的容器中,A、B各有一个可以自由移动的轻活塞,活塞下是水,上为空气,大气压恒定,A、B底部由带有阀门K的管道相连,整个装置与外界无热交换。开始A中水面比B中高,打开阀门,使A中的水逐渐流向B中,最后达到平衡,在这个过程中 ( ) A、大气压对水做功,水的内能增加 B、水克服大气压做功,水的内能减少 C、大气压对水不做功,水的内能不变 D、大气压对水不做功,水的内能增加.,【变式4】一定质量的理想气体的状态变化过程表示在如图所示的pV图上,气体先由a状态沿双曲线经等温过程变化到b状态,再沿与横轴平行的直线变化到c状态,a、c两点位于与纵轴平行的直线上,以下说法中正确的是(AD ) A.由a状态至b状态过程中,气体放出热量,内能不变 B.由b状态至c状态过程中,气体对外做功,内能增加,平均每个气体分子在单位时间内与器壁碰撞的次数不变 C.c状态与a状态相比,c状态分子平均距离较大, 分子平均动能较大 D.b状态与a状态相比,b状态分子平均距离较小, 分子平均动能相等,【变式5】如题图所示,在AB和DA的过程中,气体放出的热量分别为4J和20J.在BC和CD的过程中,气体吸收的热量分别为20J和12J.求气体完成一次循环对外界所做的功.,【变式6】一定量的理想气体从状态a开始,经历等温或等压过程ab、bc、cd、da回到原状态,其p-T图像如图所示其中对角线ac的延长线过原点O下列判断正确的是( ) A.气体在a、c两状态的体积相等 B.气体在状态a时的内能大于它在状态c时的内能 C.在过程cd中气体向外界放出的热量大于外界对气体做的功 D.在过程da中气体从外界吸收的热量小于气体对外界做的功 E.在过程bc中外界对气体做的功等于在过程da中 气体对外界做的功,6.一定质量的理想气体,从某一状态开始,经过一系列变化后又回一开始的状态,用W1表示外界对气体做的功,W2表示气体对外界做的功,Q1表示气体吸收的热量,Q2表示气体放出的热量,则在整个过程中一定有( ) AQ1Q2=W2W1 BQ1=Q2 CW1=W2 DQ1Q2,点拨:整个过程的内能不变, U = 0,由热力学第一定律 U=W总+Q总=0,Q总= - W总, Q1Q2=W2W1,A,注意:正负,7.如图所示,密闭绝热的具有一定质量的活塞,活塞的上部封闭着气体,下部为真空,活塞与器壁的摩擦忽略不计,置于真空中的轻弹簧的一端固定于理想气体容器的底部.另一端固定在活塞上,弹簧被压缩后用绳扎紧,此时弹簧的弹性势能为EP(弹簧处于自然长度时的弹性势能为零),现绳突然断开,弹簧推动活塞向上运动,经过多次往复运动后活塞静止,气体达到平衡态,经过此过程( ) A EP全部转换为气体的内能 B. EP一部分转换成活塞的重力势能,其余部分仍 为弹簧的弹性势能 C EP全部转换成活塞的重力势能和气体的内能 D EP一部分转换成活塞的重力势能,一部分转换 为气体的内能,其余部分仍为弹簧的弹性势能,D,BC,BD,D,BCD,外力整体法,内部内力隔离法,A,由压强和体积的增量求气体做功,再见!,
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