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1、第第3节节 热力学第一定律热力学第一定律 能量守恒定律能量守恒定律改变内能的两种方式改变内能的两种方式做功做功热传递热传递对内对内对外对外吸热吸热放热放热内能增加内能增加内能增加内能增加内能减少内能减少内能减少内能减少（外界对物体（外界对物体做功）做功）（物体对外界（物体对外界做功）做功）（物体从外界（物体从外界吸热）吸热）（物体对外界（物体对外界放热）放热）WU QU 绝热过程绝热过程WU 仅传热过程仅传热过程QU 如果物体在跟外界同时发生做功和热传递的过程中，如果物体在跟外界同时发生做功和热传递的过程中，内能的变化内能的变化U与热量与热量Q及做的功及做的功W之间又有什么关系呢？之间又有什么
2、关系呢？ 一、热力学第一定律一、热力学第一定律1、表述：、表述：一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的热量与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的和外界对它所做的功的和.3、意义：、意义：热力学第一定律反映了功、热量跟系统内能改变之间的热力学第一定律反映了功、热量跟系统内能改变之间的定量关系定量关系.2、数学表达式：、数学表达式： U= Q +W定律中各量的正、负号及含义定律中各量的正、负号及含义物理量物理量符符号号意义意义符号符号意义意义W外界外界对对物体物体做功做功物体物体对对外界外界做功做功Q物体物体吸收吸收热量热量物体物体放出放出热量热量U内能内能增加增
3、加内能内能减少减少U = W + Q 1.一定量的气体，从外界吸收热量一定量的气体，从外界吸收热量2.7105J,内能增加内能增加4.3105J.在这一过程中，是气体对外做功，还是外界对气体做功？做了在这一过程中，是气体对外做功，还是外界对气体做功？做了多少功？多少功？Q=+2.7105JU=+4.3105JUW + Q得：得： W=1.6105J 0即外界对气体做功即外界对气体做功4.解题的一般步骤解题的一般步骤(1)写出各已知量写出各已知量(W、Q、U)(注意注意正、负正、负)(3)再根据未知量结果的正、负来确定吸、放热或做功情况再根据未知量结果的正、负来确定吸、放热或做功情况(2)根据方
4、程根据方程UWQ 求出未知量求出未知量练一练练一练1.空气压缩机在一次压缩中，空气向外界传递的热量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，同时空气的内能增加了1.5 105J. 这时，在压缩空这时，在压缩空气的过程中，外界对空气做了多少功？气的过程中，外界对空气做了多少功？由热力学第一定律由热力学第一定律U = Q + W 知：知：W= UQ = +1.5 105J -（- 2.0 105J） = +3.5 105J0所以此过程中外界对空气做了所以此过程中外界对空气做了3.5 105J的功的功Q0 1、内容：能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能
5、从一种形、内容：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另一种形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转式转化为另一种形式，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保持不变移的过程中其总量保持不变 2、能量守恒定律的历史意义、能量守恒定律的历史意义 能的转化和守恒定律是能的转化和守恒定律是19世纪自然科学中三大发现之一，也庄严世纪自然科学中三大发现之一，也庄严宣告了宣告了永动机幻想的彻底破灭永动机幻想的彻底破灭.二、能量守恒定律二、能量守恒定律2.水平马路上行驶的汽车，在发动机熄火后，速度越来越慢，水平马路上行驶的汽车，在发动机熄火后，速度越来越慢，最后停
6、止最后停止.这一现象符合能的转化和守恒定律吗？如果符合这一现象符合能的转化和守恒定律吗？如果符合,汽车失去的动能变成了什么？汽车失去的动能变成了什么？符合能的转化和守恒定律符合能的转化和守恒定律地面、轮胎的内能地面、轮胎的内能动能动能2第一类永动机违反了什么而不能制成第一类永动机违反了什么而不能制成( )A违反了热力学第一定律违反了热力学第一定律B违反了机械能守恒定律违反了机械能守恒定律C违反了能量守恒定律违反了能量守恒定律D以上说法都不对以上说法都不对第一类永动机不可制成是因为它违背了能量守恒定律第一类永动机不可制成是因为它违背了能量守恒定律C小结小结：1、热力学第一定律：、热力学第一定律：
7、 U = W + Q 2、能量守恒定律：、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另一种形式，或者从一个物体转移一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到别的物体；在转化和转移过程中其总量不变，这到别的物体；在转化和转移过程中其总量不变，这就是就是能量守恒定律能量守恒定律.练一练练一练3.如图所示容器中，如图所示容器中，A、B各有一个可自由移动的轻活塞，活塞下是水，各有一个可自由移动的轻活塞，活塞下是水，上为空气，大气压恒定上为空气，大气压恒定.A、B底部由带有阀门底部由带有阀门K的管道相连，整个装置与的管道相连，
8、整个装置与外界绝热外界绝热.原先原先A中水面比中水面比B中高，打开阀门，使中高，打开阀门，使A中的水逐渐向中的水逐渐向B中流，中流，最后达到平衡最后达到平衡.在这个过程中，下面说法正确的是在这个过程中，下面说法正确的是 ()A大气压力对水做功，水的内能增加大气压力对水做功，水的内能增加B水克服大气压力做功，水的内能减少水克服大气压力做功，水的内能减少C大气压力对水不做功，水的内能不变大气压力对水不做功，水的内能不变D大气压力对水不做功，水的内能增加大气压力对水不做功，水的内能增加WPShPV大气压力对大气压力对A、B两管两管中水做功代数和为零中水做功代数和为零水的重心下降水的重心下降重力势能减
9、小重力势能减小能量守能量守恒定律恒定律水的内能增加水的内能增加D录像：永动机不可能制成录像：永动机不可能制成三、永动机不可能制成三、永动机不可能制成 2、永动机给我们的启示、永动机给我们的启示 人类利用和改造自然时，必须遵循自然规律人类利用和改造自然时，必须遵循自然规律. 1、 第一类永动机第一类永动机 概念概念：不需要任何动力或燃料，却能源源不断地对外做功：不需要任何动力或燃料，却能源源不断地对外做功. 结果结果：无一例外地归于失败：无一例外地归于失败. 原因原因：违背了能量守恒定律：违背了能量守恒定律.动画：失败的永动机动画：失败的永动机著名科学家达著名科学家达 芬奇早在芬奇早在15世纪就
10、提出过永动机不可能的思想，他曾世纪就提出过永动机不可能的思想，他曾设计过一种转轮，如图所示设计过一种转轮，如图所示.在转轮边沿安装一系列的容器，容器中充了一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，得出了永远地转动，但是经过仔细研究之后，得出了否定的结论否定的结论. .他从许多类似的设计方案中认识到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永动机的尝试是注定要失败的. .他写道：他写道：“永恒永恒运动的幻想家们！你们的探索何等徒劳无功！运动的幻想家们！你们的探索何等徒劳
11、无功！还是去做淘金者吧！还是去做淘金者吧！” ” 达达芬奇设想的永动机芬奇设想的永动机 滚球永动机滚球永动机 17世纪，英国有一个被关在伦敦塔下叫马尔基斯的犯人，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他做了一台可以转动的“永动机永动机”，如图所示，如图所示. 转轮直径达转轮直径达4.3米，有米，有40个各重个各重23千克的钢球沿千克的钢球沿转轮辐翼外侧运动，使力矩加大，待转到高处转轮辐翼外侧运动，使力矩加大，待转到高处时，钢球会自动地滚向中心时，钢球会自动地滚向中心.据说，他曾向英国据说，他曾向英国国王查理一世表演过这一装置国王查理一世表演过这一装置.国王看了很是
12、高国王看了很是高兴，就特赦了他兴，就特赦了他.其实这台机器是靠惯性来维持其实这台机器是靠惯性来维持短时运动的短时运动的. 滚球永动机滚球永动机 软臂永动机软臂永动机 19世纪有人设计了一种特殊机构，如图所示世纪有人设计了一种特殊机构，如图所示. 它的臂可以弯曲它的臂可以弯曲.臂上有槽，小球沿凹槽滚臂上有槽，小球沿凹槽滚向伸长的臂端，使力矩增大向伸长的臂端，使力矩增大.转到另一侧，转到另一侧，软臂开始弯曲，向轴心靠拢软臂开始弯曲，向轴心靠拢.设计者认为这设计者认为这样可以使机器获得转矩样可以使机器获得转矩.然而，他没有想到然而，他没有想到力臂虽然缩短了，阻力却增大了，转轮只力臂虽然缩短了，阻力却
13、增大了，转轮只能停止在原地能停止在原地. 软臂永动机软臂永动机 阿基米得螺旋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，利用阿基米得螺旋一个建议，利用阿基米得螺旋.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
14、出人大有人在，形形色色的自动水轮机陆续提出，竟出 现了热潮现了热潮. 1.水沟水沟 2.阿基米得螺旋阿基米得螺旋 3.水轮水轮 4.水磨水磨 阿基米得螺旋永动机阿基米得螺旋永动机 磁力永动机磁力永动机 大约在大约在1570年，意大利有一位教授叫泰斯尼尔斯，提出年，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用磁石的吸力可以实现永动机.他的设计如图所示他的设计如图所示. A是一个磁石，铁球是一个磁石，铁球G受磁石吸引可沿斜面滚受磁石吸引可沿斜面滚上去，滚到上端的上去，滚到上端的E处，从小洞处，从小洞B落下，经曲落下，经曲面面BFC返回，复又被磁石吸引，铁球就可以返回，复又被磁石吸
15、引，铁球就可以沿螺旋途径连续运动下去沿螺旋途径连续运动下去.大概他那时还没有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谬处就一目了然了. 磁力永动机磁力永动机 就在一些人热衷于制造永动机的同时，科学家们从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规律性.继达继达芬奇之后，斯蒂文于芬奇之后，斯蒂文于1568年写了一本年写了一本静力学基础静力学基础，其中讨论斜面上
16、力的分解问题时，其中讨论斜面上力的分解问题时，明确地提出了永动机不可能实现的观点明确地提出了永动机不可能实现的观点. 他所用的插图画在该书扉页上，见图，图的上方写着：他所用的插图画在该书扉页上，见图，图的上方写着：“神奇其实并不神奇其实并不神奇神奇.”将将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，他认为链的面上，他认为链的“运动没有尽头是荒谬的运动没有尽头是荒谬的”，所以两侧应平衡，所以两侧应平衡. “神奇其实并不神奇神奇其实并不神奇” 如果说永动机的如果说永动机的“发明发明”对人类有点益处的话，那就是人们可以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“创创造造”都是注定要失败的都是注定要失败的. .亲爱的读者，你们读了这些发明永动机的故事有什么感想？科亲爱的读者，你们读了这些发明永动机的故事有什么感想？科学规律不容违反学规律不容违反, ,违反了就要碰壁违反了就要碰壁, ,大家千万不要做那种徒劳无大家千万不要做那种徒劳无功的事啊！功的事啊！