第二部分 能量守恒定律
圖3-7所示是20世紀(jì)20年代德國發(fā)行的一張明信片，標(biāo)題是：拿愛因斯坦開玩笑。漫畫中用磁鐵的吸引力來牽引車子前行，這樣，車可以永遠(yuǎn)運(yùn)動下去。討論一下，這類永動機(jī)為什么不能實(shí)現(xiàn)？
（一）熱力學(xué)能 物質(zhì)的不同運(yùn)動對應(yīng)著不同的能量，如機(jī)械運(yùn)動對應(yīng)著機(jī)械能，電磁運(yùn)動對應(yīng)著電磁能，熱運(yùn)動對應(yīng)的稱為熱力學(xué)能。 1、分子動能 每一個分子都在高速運(yùn)動，每一個分子都是實(shí)物粒子，并都有一定的質(zhì)量，因此每一個分子都具有動能。由于分子的頻繁碰撞，使分子的速度大小不盡相同，因此關(guān)注每一個分子的動能沒有實(shí)際的價值。我們把所有分子動能的平均值叫分子熱運(yùn)動的平均動能。
2、分子勢能 地球上的物體由于與地球之間存在相互作用力而具有重力勢能。由于分子之間存在相互作用力，類比可知分子間也存在分子勢能。3、熱力學(xué)能物體中所有分子的動能和勢能的總和，叫做物體的熱力學(xué)能，也做內(nèi)能。熱力學(xué)能是大量分子無規(guī)則運(yùn)動和分子問的相互作用的共同結(jié)果。
（二）改變熱力學(xué)能的方式
改變物體的熱力學(xué)能有兩種方式：做功和熱傳遞。1、做功改變物體的熱力學(xué)能的實(shí)例
（1）粘乙醚的棉花放入氣缸內(nèi)，活塞迅速下移，會發(fā)現(xiàn)棉花燃燒起來，如圖3—8甲所示?；钊麑怏w有向下的壓力，又有向下的位移，即對氣體做了功，帶來的變化是氣體溫度升高（粘乙醚的棉花燃燒起來了），說明做功可以使氣體的熱力學(xué)能增加。
甲 空氣被壓縮時內(nèi)能增大
乙空氣推動塞子時，內(nèi)能減少
圖3—8 做功改變空氣的熱力學(xué)能
（2）用打氣筒向瓶內(nèi)充氣，達(dá)到一定程度時，瓶中氣體會沖開塞子，使瓶內(nèi)氣體熱力學(xué)能減少，如圖3-8乙所示。因此，做功可以改變物體的熱力學(xué)能。
(3)類似的例子還有很多：用鋸條鋸木頭，鋸條和木頭溫度都升高。打氣筒打氣時，筒壁會變熱。載人飛船高速返回地面時，與空氣摩擦，能劃亮天空，如圖3-9所示。
圖3-9 神六返回倉與大氣層摩擦發(fā)光
2、熱傳遞改變物體的熱力學(xué)能的實(shí)例
將燒紅的鐵塊放入冷水中，稱為“淬火”，如圖3-10所示，這時鐵塊溫度降低，熱力學(xué)能減少，水的溫度升高，熱力學(xué)能增加，熱傳遞可以改變物體的熱力學(xué)能。
圖3-10 將燒紅的刀具放入冷水中淬火
（三）熱力學(xué)能與哪些因素有關(guān)
分子的熱運(yùn)動只與溫度有關(guān)，分子勢能與體積有關(guān)，所以某物體的熱力學(xué)能與兩因素有關(guān)：溫度和體積。 還有一個量也會影響物體的熱力學(xué)能，那就是分子數(shù)目，分子數(shù)目越多，分子的動能之和就越大。即相同溫度下，一池塘水比一杯水的熱力學(xué)能多。 分子運(yùn)動是永不停息的，無論物體處于什么狀態(tài)，熱運(yùn)動是不可能停止的，因此任何物體都具有熱力學(xué)能。
物體的熱力學(xué)能取決于物體的溫度、體積和分子數(shù)目。一定量的固體或液體，通常情況下體積變化不明顯，可用其溫度的變化來確定熱力學(xué)能是否改變；而氣體通常不考慮分子勢能，一樣可以用溫度的變化判斷其熱力學(xué)能的變化。 可以簡單認(rèn)為物體的溫度升高，熱力學(xué)能增加；溫度降低，熱力學(xué)能減少。
物理研究的藝術(shù)—類比法
類比方法是以比較為基礎(chǔ)，通過比較找出相似或相同點(diǎn)，并以此為依據(jù)，把其中某一對象的有關(guān)知識和結(jié)論遷移到另一對象中去。類比思維方法是幾種邏輯思維方法中最富有創(chuàng)造性的，物理學(xué)史上的一些重大發(fā)現(xiàn)往往起源于類比，類比被稱為“偉大的引路人”，盡管類比不能取代論證，但可以作為新規(guī)律和概念的依托。這種“從特殊到特殊”的科學(xué)方法，盡管其結(jié)論具有偶然性，還需要后續(xù)的實(shí)踐檢驗(yàn)，但它們在物理學(xué)中有廣泛的應(yīng)用。
我們在用重力勢能來類比分子是能就是典型的類比方法。還可以將氣體分子比成彈性小球，并用小球?qū)ζ鞅诘呐鲎步忉尯屯茖?dǎo)氣體壓強(qiáng)；用剛性小球的反彈來解釋光的反射定律，用太陽行星模型去類比原子結(jié)構(gòu)；用小球、拉伸橡皮筋和亞彈簧模型去比擬分子引力和斥力。
（一）熱力學(xué)第一定律的內(nèi)容做功和熱傳遞都能改變物體的熱力學(xué)能，它們之間究竟存在怎樣的關(guān)系呢？實(shí)驗(yàn)和研究表明，當(dāng)一個物體狀態(tài)發(fā)生變化時，做功和熱傳遞往往是同時存在的。用Q表示外界對系統(tǒng)傳遞的熱量，用W表示外界對系統(tǒng)做的功，用ΔU表示系統(tǒng)熱力學(xué)能的增加量，那么有 ΔU =Q+W 這就是熱力學(xué)第一定律，用文字表述為物體熱力學(xué)能的增加量AU等于物體從外界吸收的熱量Q與外界對物體做的功W之和。
做功的過程就是能量轉(zhuǎn)化的過程；做多少功，能量轉(zhuǎn)化多少，功是能量轉(zhuǎn)化的量度。熱量是熱傳遞過程中物體熱力學(xué)能增加或減少的值，是熱傳遞過程中熱力學(xué)能變化的量度，是過程量，與功相當(dāng)。因此，熱力學(xué)能、功、熱量在單位上應(yīng)是相同的，都是J。
氣體膨脹對外做功100 J，同時從外界吸收了120 J的熱量，它的熱力學(xué)能的變化可能是多少？ 解：根據(jù)熱力學(xué)第一定律有△U=Q+W AU= 120 J+（- 100 J）=20 J 答：它的熱力學(xué)能增加了20 J。
（一）能量守恒定律的內(nèi)容物質(zhì)世界千變?nèi)f化，但這種變化不是沒有規(guī)律的，其基本的規(guī)律就是守恒定律。能量既不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化成為另一種形式，或者從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體；在轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移過程中其總量保持不變。這就是能量守恒定律。
（二）什么叫第一類永動機(jī)
熱力學(xué)發(fā)展初期，熱和機(jī)械能的相互轉(zhuǎn)化是人們研究的主題。在工業(yè)革命的推動下，工業(yè)上和運(yùn)輸上都相當(dāng)廣泛地使用蒸汽機(jī)。人們研究怎樣消耗最少的燃料而獲得盡可能多的機(jī)械能，甚至幻想制造一種機(jī)器。這種不需要任何動力或燃料卻能不斷對外做功的機(jī)器稱為第一類永動機(jī)。
（三）幻想的第一類永動機(jī)的例子
13世紀(jì)時，就有人提出了第一類永動機(jī)。如圖3-11所示，輪子中央有一個轉(zhuǎn)動軸，輪子邊緣安裝著12個可活動的短桿，每個短桿的一端裝有一個鐵球。方案的設(shè)計(jì)者認(rèn)為，右邊的球比左邊的球離軸遠(yuǎn)些，因此，右邊的球產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動力矩要比左邊的球產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動力矩大。這樣輪子就會永無休止地沿著箭頭所指的方向轉(zhuǎn)動下去。并且?guī)訖C(jī)器轉(zhuǎn)動。這個設(shè)計(jì)被不少人以不同的形式復(fù)制出來，但從未實(shí)現(xiàn)不停息地轉(zhuǎn)動。
仔細(xì)分析一下就會發(fā)現(xiàn)，雖然右邊每個球產(chǎn)生的力矩大，但是球的個數(shù)少，左邊每個球產(chǎn)生的力矩雖小，但是球的個數(shù)多。于是，輪子不會持續(xù)轉(zhuǎn)動下去而對外做功，只會擺動幾下，便停在圖示位置上。
（四）第一類永動機(jī)不可能制造出的理由
自然界的一切物質(zhì)都具有能量，它可以有多種不同的形式，但通過適當(dāng)?shù)难b置，能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，在相互轉(zhuǎn)化中，能量的總量不變。能量守恒轉(zhuǎn)化定律的建立，對制造永動機(jī)的幻想作了最后的判決，因而熱力學(xué)第一定律的另一種表述為“不可能制造出第一類永動機(jī)”。
1．試想一間與外界絕熱（即無熱交換）的房間，有一臺正在工作的電冰箱，如果電冰箱的門是敞開的，那么室內(nèi)溫度將( )。 A.降低 B.升高 C.不變 解析：由能量守恒定律知，消耗的電能轉(zhuǎn)化為空氣的內(nèi)能，室內(nèi)溫度要升高. 故選B.
2．關(guān)于物體的變化，以下說法中正確的是( )。 A.物體吸收熱量，熱力學(xué)能一定增大 B.物體對外做功，熱力學(xué)能一定減小 C.物體吸收熱量，同時對外做功，熱力學(xué)能可能不變 D.物體放出熱量，同時對外做功，熱力學(xué)能可能不變
【答案】分析：改變物體內(nèi)能有兩種方式：做功和熱傳遞，根據(jù)熱力學(xué)第一定律分析內(nèi)能的變化． 解答：解：A、物體吸收熱量，根據(jù)熱力學(xué)第一定律可知,內(nèi)能不一定增大,還與做功情況有關(guān).故A錯誤． B、物體對外做功，根據(jù)熱力學(xué)第一定律可知，內(nèi)能不一定減小，還與熱傳遞情況有關(guān)．故B錯誤． C、物體吸收熱量，同時對外做功，若熱量與功的數(shù)值相等，內(nèi)能不變．故C正確． D、物體放出熱量，同時對外做功，根據(jù)熱力學(xué)第一定律可知，內(nèi)能一定減?。蔇錯誤． 故選C
3．根據(jù)圖3-12所示情最，試分析改變手的熱力學(xué)能的兩種方式。
【分析】改變物體內(nèi)能有兩種方法。一是做功，二是熱傳遞。兩種方法在改變內(nèi)能本質(zhì)上是等效的。【解答】答；搓手是通過做功來改變?nèi)梭w內(nèi)能，提高人體溫度。冬天哈氣是通過熱傳遞方式來改變?nèi)梭w內(nèi)能，通過熱氣體將熱量傳遞給溫度較低的手，來提高人體溫度。
4、暖水瓶中盛有0.5kg、25°C的水，一個學(xué)生想用上下?lián)u晃的方法使冷水變?yōu)殚_水，設(shè)沒搖晃一次的落差為15cm，每分鐘搖晃30次，不計(jì)所有熱散失，他約經(jīng)過多少天，可以把水“搖開”？（水的比熱容ck=4.2×103J/（kg°C）
此問題中能量轉(zhuǎn)化的方向是：上搖時學(xué)生消耗自身的內(nèi)能通過對水做功轉(zhuǎn)化為水的重力勢能，下落時水的重力勢能轉(zhuǎn)化為動能再轉(zhuǎn)化為水的內(nèi)能，由于不計(jì)一切熱量損失，根據(jù)水的重力勢能的減少量等于水的內(nèi)能的增加量可得：解：設(shè)“搖開”水需時t分鐘，水升溫ΔT，由??? ΔEp減=ΔE內(nèi)增=Q水吸??? 得30?mgh?t=ck?m?ΔT??
答：他經(jīng)過7.0×103?min即約5天的時間，才可把水“搖開”。
單元測試題（p95~96）
一、選擇題 1．一定質(zhì)量的某種氣體，若外界對它做的功等于它熱力學(xué)能的增加量，則該氣體在狀態(tài)變化過程中( )。A.溫度不變 B.體積不變C.與外界不發(fā)生熱交換 D.壓強(qiáng)不變
2 .如圖3-20所示為電冰箱的工作原理圖,壓縮機(jī)工作時,強(qiáng)迫制冷劑在冰箱內(nèi)、外管道中不斷循環(huán),那么下列說法中正確的是( )。A.在冰箱內(nèi)的管道中，制冷劑迅速膨脹，并吸收熱量B.在冰箱外的管道中，制冷劑迅速膨脹，并放出熱量C.在冰箱內(nèi)的管道中，制冷劑被強(qiáng)烈壓縮并吸收熱量D.在冰箱外的管道中，制冷劑被急劇壓縮并放出熱量
圖3-20 電冰箱工作原理
解析：冰箱內(nèi)有一種重要物質(zhì)就是氟利昂，在冰箱內(nèi)氟利昂迅速膨脹對外做功，吸收熱量，故A對B錯;在外部管道中,氟利昂被劇烈壓縮做功，并放出熱量，故D對C錯.
3 .關(guān)于物體的溫度、熱力學(xué)能和熱量，下列說法中正確的是( )。 A.物體溫度越高，所含的熱量也越多 B.物體熱力學(xué)能越大，熱量越多 C.物體的溫度越高，其分子平均動能就越大 D.物體溫度不變，其熱力學(xué)能也不變
【解析】物體的內(nèi)能是指所有分子的動能和所有分子的勢能之和，它與分子熱運(yùn)動的能量狀態(tài)相對應(yīng)，內(nèi)能的改變量可用做功和熱量傳遞的多少量度。因此不能說物體的內(nèi)能越大，熱量越多，因?yàn)楸M管物體的內(nèi)能大，若物體的內(nèi)能不改變或不發(fā)生熱傳遞，仍不能衡量熱量的多少，所以選項(xiàng)B錯誤。同理，溫度越高，所含熱量越多的說法也是錯誤的A錯。因?yàn)闇囟仍礁?，只能表明分子熱運(yùn)動的平均動能越大，所以選項(xiàng)C正確。溫度不變，表明物體的分子平均動能沒有改變，但分子勢能可以改變，因此內(nèi)能可能改變，答案D錯誤。選C.
4.下列說法中正確的是( )。A.用手捏面包，面包體積縮小了，證明分子間有間隙B.打開香水瓶后，很遠(yuǎn)的地方能聞到香味，證明分子在不停地運(yùn)動C.封閉在容器中的氣體很難被壓縮，證明分產(chǎn)間有斥力D.封閉在容器中的液體很難被壓縮，證明分子間有斥力
A.用手捏面包，面包體積縮小了，是將面包里的部分空氣擠壓出來了，不是因?yàn)榉肿娱g有間隙，A錯。B.打開香水瓶后,香氣分子不停地?zé)o規(guī)則運(yùn)動，所以很很遠(yuǎn)的地方都能聞到香味，B對。C.封閉在容器中的氣體很難被壓縮，是要克服氣體的壓強(qiáng)，C錯。D.由于斥力的存在，使得分子已經(jīng)離得很近的固體和液體很難被壓縮，D對。應(yīng)選B、D.
5．對于熱量、功、熱力學(xué)能三個物理量，下述各種說法中正確的是( )。A.熱量、功、熱力學(xué)能三者的物理意義等同B.熱量、功都可以作為物體熱力學(xué)能的量度C.熱量、功、熱力學(xué)能的單位不相同D.熱量和功是由過程決定的，而熱力學(xué)能是由物體狀態(tài)決定的
A.物體的內(nèi)能是物體的所有分子動能和分子勢能的總和，而要改變物體的內(nèi)能，可以通過做功和熱傳遞兩種方式，這三者的物理意義不同，故A錯。B.熱量是熱傳遞過程中，物體內(nèi)能的變化量，而不是內(nèi)能的量度，故B錯。C.熱量、功、內(nèi)能三者的單位一樣，都是焦耳（J），故C錯。D.熱量和功是量度物體內(nèi)能的轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)化的，而物體的內(nèi)能是有物體本身的狀態(tài)，即溫度、體積、摩爾數(shù)決定的，故D對。故選D。
6．以下過程不可能發(fā)生的是( )。 A.對物體做功，同時物體放熱，物體的溫度不變 B.對物體做功，同時物體吸熱，物體的溫度不變 C.物體對外做功，同時放熱，物體的熱力學(xué)能不變 D.物體對外做功，同時吸熱，物體的熱力學(xué)能不變
分析：熱力學(xué)第一定律內(nèi)容為：熱力系內(nèi)物質(zhì)的能量可以傳遞，其形式可以轉(zhuǎn)換，在轉(zhuǎn)換和傳遞過程中各種形式能源的總量保持不變．公式為：△U=Q+W．．解答：解：根據(jù)熱力學(xué)第一定律△U=W+Q判斷． A、對物體做功的同時物體放熱，且做功與放熱的數(shù)值相等，物體的溫度不變，A正確； B、對物體做功，同時物體吸熱，物體的內(nèi)能增加，物體的溫度升高，B錯誤； C、物體對外做功，同時放熱，物體的內(nèi)能減少，C錯誤； D、物體對外做功，同時吸熱，且做功與放熱的數(shù)值相等，物體的內(nèi)能不變，D正確； 本題選不可能的，故選：B、C。
7．金屬氣缸中裝有柴油與空氣的混合物，有可能使氣缸中柴油達(dá)到燃點(diǎn)的過程是( )。 A.迅速向內(nèi)推活塞 B.迅速向外拉活塞 C.緩慢向內(nèi)推活塞 D.緩慢向外拉活塞 【解析】要使柴油與空氣的混合物的溫度升高，只有向里推活塞，外界對混合物做功才有可能，又因?yàn)闅飧资菍?dǎo)熱良好的金屬制成的，當(dāng)緩慢向里推活塞時，由于氣缸的熱傳遞，氣缸中的油氣混合物溫度不可能上升很高使之達(dá)到柴油的燃點(diǎn)，故只有迅速向里推活塞才可能使柴油達(dá)到燃點(diǎn)．答案A
1．用活塞壓縮氣缸里的空氣，對空氣做了900 J的功，同時氣缸向外散熱210 J，氣缸中空氣的熱力學(xué)能改變了多少？解：據(jù)熱力學(xué)第一定律,有增加的內(nèi)能（ΔU）=外力做功(W)-散熱（Q） 所以，內(nèi)能增加了 900-210=690J答：氣缸中空氣的熱力學(xué)能改變了690J。
2．氣缸中的氣體膨脹時推動活塞向外運(yùn)動，若氣體對活塞做的功是6×104 J，氣體的熱力學(xué)能減少了8×104 J，則在此過程中氣體是吸熱還是放熱？吸收或放出多少熱？解：據(jù)熱力學(xué)第一定律, Δ U= W＋Q依據(jù)題意得- 8×104 J=- 6×104 J+Q得Q=- 2×104 J，所以是放熱。答：在此過程中氣體是放熱；放出的熱量是2×104 J。
3．如圖3-21甲、乙、丙所示，三根不同形狀的玻璃管中都灌有水銀，分別求出三種情況下被封閉氣體A的壓強(qiáng)（設(shè)大氣壓強(qiáng)P0=76 cmHg）。
甲：【分析】管內(nèi)的水銀面比管外的水銀面高5cm，說明管外的大氣壓大于管內(nèi)封閉的空氣壓強(qiáng)5cmHg，根據(jù)壓強(qiáng)關(guān)系即可求出此時管內(nèi)空氣的壓強(qiáng)。解；此時管內(nèi)空氣壓強(qiáng)為P=P0-Ph=76cmHg-5cmHg=71cmHg
乙解：氣體壓強(qiáng)與10cmHg的壓強(qiáng)之和等于大氣壓P0∴氣體壓強(qiáng)P=76cmHg- 10cmHg=66cmHg丙解：氣體B的壓強(qiáng)PB為PB=P0+h2cmHgPA=PB-h1cmHg =P0+h2cmHg-h1cmHg

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