1、第第1节节 热力学第一定热力学第一定律律 第第5章章 热力学定律热力学定律实验录像：钻木取火实验录像：钻木取火改变内能的两种方改变内能的两种方式式做做功功热传递热传递对对内内对对外外吸吸热热放放热热内能增内能增加加内能增内能增加加内能减内能减少少内能减内能减少少（外界对物（外界对物体做功）体做功）（物体对外（物体对外界做功）界做功）（物体从外（物体从外界吸热）界吸热）（物体对外（物体对外界放热）界放热）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
2、功及做的功W之间又有什么关系呢？之间又有什么关系呢？ 一、热力学第一定律及其应用一、热力学第一定律及其应用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热量与外界对它所做的功的和.2、意义：、意义：热力学第一定律反映了功、热量跟系统内能改变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之间的定量关系.3、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号符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
3、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？气体做功？做了多少功？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)根据符号法则写出各已知量根据符号法则写出各已知量(W、Q、U)的正、负的正、负(3)再根据未知量结果的正、负来确定吸
4、热、放热情况再根据未知量结果的正、负来确定吸热、放热情况或做功情况或做功情况(2)根据方程根据方程UWQ 求出未知量求出未知量二、第一类永动机二、第一类永动机 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：违背了热力学第一定律：违背了热力学第一定律.录像：永动机不可能制成录像：永动机不可能制成动画：失败的永动机动画：失败的
5、永动机著名科学家达著名科学家达 芬奇早在芬奇早在15世纪就提出过永动机不可能的思世纪就提出过永动机不可能的思想，他曾设计过一种转轮，如图所示想，他曾设计过一种转轮，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了一些水银，他想水银在容器中移动有可能使转轮永远地转动，但是经过仔细研究能使转轮永远地转动，但是经过仔细研究之后，得出了否定的结论之后，得出了否定的结论. .他从许多类似他从许多类似的设计方案中认识到永动机的尝试是注定的设计方案中认识到永动机的尝试是注定要失败的要失败的. .他写道：他写道：“永恒运动的幻想家永恒运动
6、的幻想家们！你们的探索何等徒劳无功！还是去做们！你们的探索何等徒劳无功！还是去做淘金者吧！淘金者吧！” ” 达达芬奇设想的永动芬奇设想的永动机机 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的犯人，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23千克的千克的钢球沿转轮辐翼外侧运动，使力矩加大，钢球沿转轮辐翼外侧运动，使力矩加大，待转到高处时，钢球会自动地滚向中心待转到高处时，钢球会自动地滚向中心.据说，他曾向英国国王查理一世表演过这据说
7、，他曾向英国国王查理一世表演过这一装置一装置.国王看了很是高兴，就特赦了他国王看了很是高兴，就特赦了他.其实这台机器是靠惯性来维持短时运动的其实这台机器是靠惯性来维持短时运动的. 滚球永动滚球永动机机 软臂永动机软臂永动机 19世纪有人设计了一种特殊机构，如图世纪有人设计了一种特殊机构，如图所示所示. 它的臂可以弯曲它的臂可以弯曲.臂上有槽，小球沿凹臂上有槽，小球沿凹槽滚向伸长的臂端，使力矩增大槽滚向伸长的臂端，使力矩增大.转到转到另一侧，软臂开始弯曲，向轴心靠拢另一侧，软臂开始弯曲，向轴心靠拢.设计者认为这样可以使机器获得转矩设计者认为这样可以使机器获得转矩.然而，他没有想到力臂虽然缩短了，
8、然而，他没有想到力臂虽然缩短了，阻力却增大了，转轮只能停止在原地阻力却增大了，转轮只能停止在原地. 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，利用阿基米得螺旋德提出一个建议，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，如此周而复始，不就可以无需担心天旱水枯了吗？一时，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
9、的人大有人在，形形色色的自动水轮机陆续提间，响应他的人大有人在，形形色色的自动水轮机陆续提出，竟出出，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 阿基米得螺旋永动阿基米得螺旋永动机机 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，提出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受磁石吸引可沿受磁石吸引可沿斜面滚上去，滚到上端的斜面滚上去，滚到上端的E处，从小洞处，从小洞B落下，经曲面落下，经曲
10、面BFC返回，复又被磁石返回，复又被磁石吸引，铁球就可以沿螺旋途径连续运动吸引，铁球就可以沿螺旋途径连续运动下去下去.大概他那时还没有建立库仑定律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平方成反，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，其荒谬处比变化的，只要认真想一想，其荒谬处就一目了然了就一目了然了. 磁力永动磁力永动机机 就在一些人热衷于制造永动机的同时，科学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规律性自然界的客观规律性.继达继达芬奇之后，斯蒂芬奇之后，斯蒂文于文于156
11、8年写了一本静力学基础，其中年写了一本静力学基础，其中讨论斜面上力的分解问题时，明确地提出了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：“神奇其神奇其实并不神奇实并不神奇.”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，他认为链的球链，放在斜面上，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，所以两侧应平衡以两侧应平衡. “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
12、的“发明发明”对人类有点益处的话，那就是人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然规律的“创造创造”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？科学规律不容违反想？科学规律不容违反, ,违反了就要碰壁违反了就要碰壁, ,大家千万不要大家千万不要做那种徒劳无功的事啊！做那种徒劳无功的事啊！ 小结小结：1、热力学第一定律、热力学第一定律： U = W + Q 2、第一类永动机、第一类永动机练一练练一练1.下图
13、为某种椅子与其升降部分的结构示意图，下图为某种椅子与其升降部分的结构示意图，M、N两筒间密闭了一定质量的气体，两筒间密闭了一定质量的气体，M可沿可沿N的内壁上下滑动，设筒内气体不与外界发生热交换，在的内壁上下滑动，设筒内气体不与外界发生热交换，在M向下滑动的过程中向下滑动的过程中()A外界对气体做功，气体内能增大B外界对气体做功，气体内能减小C气体对外界做功，气体内能增大D气体对外界做功，气体内能减小气体体积减小，外界对气体做功气体体积减小，外界对气体做功U=W内能增加内能增加A练一练练一练2.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，这时，在压缩空气的过程中，外界对空气做了多少功？在压缩空气的过程中，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
