热力学第一定律能量守恒定律

高二新课夏令营2006-08-19 §11.5热力学第一定律能量守恒定律

一、习引入

【问】改变物体的内能有那些？改变内能的效果怎样？

【分析】做功和热传递，改变内能的效果是等效的，

【问】这两种方式的实质一样吗？如果不一样分别是什么呢？

【分析】但这两种方式改变内能的实质是不一样的。做功的过程是其他形式的能转化为内能，

例如：一物体从10m高处往下落，到地面的速度为5m/s,物体的机械能减少了多少？

减少的机械能到那里去了？

而热传递是物体间内能的转移过程，能量的形式没有发生变化。只是热量从一物体转移到另一物体。

这节课我们具体来研究功、热量和内能之间的关系。

二、热力学第一定律

【问】一物体，它既没有吸收热量，也没有放出热量，那么：如果外界对它做了W的功，则它的内能如何改变？改变了多少？如果它对外界做了W的功，则它的内能又如何改变呢？改变的又是多少？

【分析】外界对它做功，则内能增加，做了多少功，内能增加多少，它对外界做功，内能减少，对外做多少功，内能就减少多少。W=△U(外界对物体做功，W为正；物体对外界做功，W为负；内能增加，△U为正，内能减少，△U为负)

【问】一物体，外界没有对它做功，它也没有对外界做功，那么：如果物体吸收热量Q,则物体内能如何变化，如果物体放出热量Q，则物体的内能如何变化？

【分析】物体吸收热量，则内能增加，吸收了多少，内能增加多少；物体放出热量，则内能减少，放出多少，则内能减少多少。Q=△U( 物体吸收热量，Q为正；物体放出热量，Q为负；内能增加，△U为正，内能减少，△U为负)

如果物体和外界同时发生做功和热传递，则物体内能的增加等于物体所做功和从外界吸收的热量之和，这就是热力学第一定律。

数学表达式：△U＝W+Q

学生阅读思考和讨论：说明W、Q、和△U的正值、负值各代表什么意义？

【分析】W为正值，表示外界对物体做功；W为负值表示物体对外做功

Q为正值，表示物体吸收热量；Q为负值表示物体放出热量

△U为正值，表示内能增加；△U为负值表示内能减少

总结：热力学第一定律说明了做功和热传递是能量转化或转移的量度。没有做功和热传递过程，就不可能实现能的转化或转移。而且还揭示了能量在转化或转移中守恒。

例如：在摩擦生热的现象中，物体克服摩擦力做了多少功，就有多少机械能转化成等量的内能。一个物体从外界吸收多少热量，就有多少内能从外界转移给物体。在这转化或转移中能量守恒。

三、能量守恒定律

而大量事实都可以证明，能量之间可以转化，如机械能转化为内能；化学能转化为内能等，而在这转化的过程中守恒。

能量守恒定律：能量既不会凭空产生，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。

能量守恒定律和机械能守恒的关系：机械能守恒有严格的条件，只有重力做功，所以它只是能量守恒的一个特例。

意义：能量守恒定律被恩格斯，把这一定律称为“伟大的运动基本规律”，认为它的发现是19世纪自然科学的三大发现之一。

宣告了第一类永动机不可能制成。

四、永动机不可能制成

第一类永动机：不消耗能量的机器。

【问】第一类永动机为什么失败？

【分析】它持续运动不可能的原因是：虽然右边每个球产生的力矩大，但球的个数少，左边每个球产生的力矩小，但球的个数多，于是轮子不会持续转动下去而对外做功，最终肯定要停下来。

根据能量守恒定律：任何一部机器，只能使能量从一种形式转化为另一种形式，而不可能无中生有地制造能量，因此第一类永动机违背了能量守恒定律。是不可能制成的。

人类利用自然必须遵循自然规律，而不是去研制永远无法实现的永动机。

巩固练习：课本练习五

作业：练习卷《热力学第一定律能量守恒定律》