第2、3节　热力学第一定律 能量守恒定律

第2、3节热力学第一定律

能量守恒定律核心素养导学物理观念(1)知道人类对能量概念的逐步认识过程。(2)理解能量守恒定律，知道能量守恒是自然界普遍遵从的基本规律。(3)知道第一类永动机是不可能实现的。科学思维(1)能以系统为研究对象，用综合分析的方法推导出热力学第一定律。(2)能运用热力学第一定律解释和计算能量的转化、转移问题。科学探究探究能量的转化过程和总量的变化情况。科学态度与责任(1)理解能量和能量守恒观念对世界统一性的意义。(2)体会科学探索中的挫折和失败对科学发展的意义。一、热力学第一定律1．改变内能的两种方式：做功和______都可以改变物体的内能，而且这两种方式是_____的。2．单纯地对系统做功时内能的变化量与功的关系：ΔU＝W。3．单纯地对系统传热时，内能的变化量与传递热量的关系：ΔU＝Q。4．当外界既对系统做功又对系统传热时，内能的变化量：ΔU＝Q＋W。5．热力学第一定律的内容一个热力学系统的内能变化量等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的和。传热等价二、能量守恒定律1．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_____为其他形式，或者从一个物体______到别的物体，在转化或转移的过程中，能量的总量__________。2．意义(1)各种形式的能可以__________。(2)各种物理现象可以用______________联系在一起。3．永动机不可能制成(1)第一类永动机：不需要任何动力或燃料，却能不断地__________的机器。(2)第一类永动机不可能制成的原因：违背了______________。转移保持不变相互转化能量守恒定律对外做功能量守恒定律转化1．给旱区送水的消防车停在水平地面上（如图）。在缓慢放水的过程中，若车胎不漏气且胎内气体温度不变，不计分子间的势能，试分析气体的吸放热情况。

提示：由于车胎内气体温度不变，故气体分子的平均动能不变，内能不变。放水过程中气体体积增大，对外做功，由热力学第一定律可知，车胎内气体吸热。2．“全自动”机械手表，既不需要上发条，也不用任何电源，表针却能不停地转动。由此，有人设想了如图所示的新能源汽车。请对以下说法作出判断：(1)“全自动”机械手表是一种永动机。

()(2)如图所示的新能源汽车是能够实现的。

()(3)“全自动”机械手表是通过手臂的运动获得能量，供手表指针转动，不是永动机。

()××√新知学习(一)|热力学第一定律的理解及应用[任务驱动]如图所示，一定质量的理想气体由a状态变化到b状态，请在图像基础上思考以下问题：

(1)在变化过程中是气体对外做功，还是外界对气体做功？提示：由图可知，气体的变化为等压膨胀，一定是气体对外做功。(2)在变化过程中气体吸热，还是向外放热？气体内能增加了，还是减少了？提示：由日常经验可知，理想气体在等压膨胀过程中需要从外界吸收热量。由盖-吕萨克定律可知，理想气体在等压膨胀过程中温度升高，内能一定增加。

[重点释解]1．公式ΔU＝Q＋W中符号的规定2．三种特殊情况(1)若过程是绝热的，即Q＝0，则ΔU＝W，物体内能的增加量等于外界对物体做的功。(2)若过程中不做功，即W＝0，则ΔU＝Q，物体内能的增加量等于物体从外界吸收的热量。符号QWΔU＋物体吸热外界对物体做功内能增加－物体放热物体对外界做功内能减少(3)若过程的始末状态物体的内能不变，即ΔU＝0，则W＝－Q(或Q＝－W)，外界对物体做的功等于物体放出的热量(或物体吸收的热量等于物体对外界做的功)。3．判断是否做功的方法一般情况下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，W<0。(2)若物体体积减小，表明外界对物体做功，W>0。[典例体验][典例]一定质量的实际气体从外界吸收了4.2×105J的热量，同时气体对外做了6×105J的功，问：(1)气体的内能是增加还是减少？变化量是多少？(2)分子势能是增加还是减少？(3)分子的平均动能是增加还是减少？[解析]

(1)气体从外界吸热，故Q＝4.2×105J，气体对外做功，故W＝－6×105J，由热力学第一定律有ΔU＝W＋Q＝(－6×105J)＋(4.2×105J)＝－1.8×105J。ΔU为负，说明气体的内能减少了，所以气体内能减少了1.8×105J。(2)因为气体对外做功，所以气体的体积膨胀，分子间的距离增大了，分子力做负功，气体分子势能增加。(3)因为气体内能减少，同时气体分子势能增加，说明气体分子的平均动能一定减少。[答案]

(1)减少1.8×105J

(2)增加(3)减少/方法技巧/应用热力学第一定律解题的方法(1)明确研究对象是哪个物体或者是哪个热力学系统。(2)分别找出题目中研究对象吸收或放出的热量；外界对研究对象所做的功或研究对象对外界所做的功；研究对象内能的增加量或减少量。(3)根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W列出方程进行求解。(4)特别注意物理量的正负号及其意义。

[针对训练]1．(2021·山东等级考)如图所示，密封的矿泉水瓶中，距瓶口越近水的温度越高。一开口向下、导热良好的小瓶置于矿泉水瓶中，小瓶中封闭一段空气。挤压矿泉水瓶，小瓶下沉到底部；松开后，小瓶缓慢上浮。上浮过程中，小瓶内气体

(

)A．内能减少B．对外界做正功C．增加的内能大于吸收的热量D．增加的内能等于吸收的热量答案：B

2．(2021·河北高考)两个内壁光滑、完全相同的绝热汽缸A、B，汽缸内用轻质绝热活塞封闭完全相同的理想气体，如图1所示。现向活塞上表面缓慢倒入细沙，若A中细沙的质量大于B中细沙的质量，重新平衡后。汽缸A内气体的内能________(选填“大于”“小于”或“等于”)汽缸B内气体的内能。图2为重新平衡后A、B汽缸中气体分子速率分布图像，其中曲线________(选填图像中曲线标号)表示汽缸B中气体分子的速率分布规律。解析：当向活塞上表面缓慢倒入细沙时，活塞缓慢下降，外界对汽缸内气体做功；当A、B活塞上表面加入的细沙质量相同时，A、B汽缸内的气体体积相同，由于A中细沙的质量大于B中细沙的质量，则重新平衡时A中气体的体积小，汽缸A中活塞和细沙对汽缸内气体做功多，由于活塞和汽缸都是绝热的，则由热力学第一定律ΔU＝Q＋W可知，汽缸A内气体的内能大于汽缸B内气体的内能。一定质量的理想气体的内能只与温度有关，故汽缸A内气体的温度更高；温度升高，大多数气体分子的速率增大，气体分子的速率分布图线的峰值向速率大的方向移动，故曲线①表示汽缸B内气体分子的速率分布规律。答案：大于①新知学习(二)|对能量守恒定律的理解[任务驱动]文艺复兴时期，达·芬奇制造的永动机装置如图所示。他认为右边的重球比左边的重球离轮心更远些，两边不均衡的作用力会使轮子沿箭头方向转动不息。请问该装置属于第几类永动机，并请说明这类永动机为什么不能成功。提示：该装置属于第一类永动机，这一设计不可能成功，因为不消耗任何能量却能永远转动的机械，违反了能量守恒定律。

[重点释解]1．能量的存在形式及相互转化(1)各种运动形式都有对应的能：机械运动有机械能，分子的热运动有内能，还有电磁能、化学能、原子能等。(2)各种形式的能通过某种力做功可以相互转化。例如，利用电炉取暖或烧水，电能转化为内能；煤燃烧，化学能转化为内能；列车刹车后，轮子温度升高，机械能转化为内能。2．与某种运动形式对应的能是否守恒是有条件的例如，物体的机械能守恒，必须是只有重力或系统内的弹力做功；而能量守恒定律是没有条件的，它是一切自然现象都遵守的基本规律。3．能量守恒定律中的“转化”和“转移”(1)某种形式的能量减少，一定有其他形式的能量增加，且减少量和增加量一定相等。(2)某个物体的能量减少，一定存在其他物体的能量增加，且减少量和增加量一定相等。4．第一类永动机失败的原因分析如果没有外界热源供给热，则有U2－U1＝W，就是说，如果系统内能减少，即U2<U1，则W<0，系统对外做功是要以内能减少为代价的。若想源源不断地做功，就必须使系统不断回到初始状态，在无外界能量供给的情况下是不可能的。[典例体验][典例]

(多选)空调市场上有很多变频空调，据专家介绍变频空调比定频的要节能，因为定频空调开机时就等同于汽车启动时，很耗能，是正常运行的5～7倍。空调在工作时达到设定温度就停机，等温度高了再继续启动。这样的频繁启动，耗电多，而变频空调启动时有一个由低到高的过程，运行过程是自动变速来保持室内温度，从开机到关机中间不停机，而是达到设定温度后就降到最小功率运行，所以比较省电。阅读上述介绍后，以下说法合理的是

(

)A．变频空调节能，运行中不遵守能量守恒定律B．变频空调运行中做功少，转化能量多C．变频空调在同样工作条件下运行效率高，省电D．变频空调与定频空调做同样功时，消耗同样电能[解析]

自然界的一切过程都遵守能量守恒定律，A错误；功是能量转化的量度，做同样的功，消耗同样电能，B错误，D正确；由变频空调的工作特点可知省电的原因是效率高，C正确。[答案]

CD[针对训练]1．“第一类永动机”是不可能制成的，这是因为它

(

)A．不符合热力学第一定律B．做功产生的热量太少C．由于有摩擦、热损失等因素的存在D．找不到合适的材料和合理的设计方案解析：“第一类永动机”是不可能制成的，因为它违背了能量守恒定律，即热力学第一定律，故A正确，B、C、D错误。答案：A2．下列有关能量的描述正确的是

(

)A．“既要马儿跑得快，又要马儿不吃草”违背了能量守恒定律B．工作中的电风扇，消耗的电能大于输出的机械能，该过程能量不守恒C．滑块在粗糙的水平面上减速滑行，最终停了下来，动能消失，能量不守恒D．同时做自由落体运动的物体，质量越大，势能减少越快，机械能减少也越快解析：马儿跑的时候需要消耗能量，而草能够为马儿提供能量，因此“既要马儿跑得快，又要马儿不吃草”违背了能量守恒定律，故A正确；工作中的电风扇，消耗的电能大于输出的机械能，损失的电能转化为内能，该过程能量仍守恒，故B错误；滑块在粗糙的水平面上减速滑行，最终停了下来，减小的动能转化为内能，能量守恒，故C错误；同时做自由落体运动的物体，运动的快慢与质量无关，减少的势能转化为动能，机械能不变，故D错误。答案：A

一、好素材分享——看其他教材如何落实核心素养

物理观念——认识历史上的永动机1．(选自鲁科版新教材“物理聊吧”)如图是历史上曾经出现的几种永动机的设想示意图：图(a)是想利用短杆上的重球产生的作用，使轮子不停地转动；图(b)是想利用像灯芯那样的棉线把水吸到高处，再流下冲击轮子的叶片，使轮子不停地转动；图(c)是想利用重物在水中受浮力作用而上升，带动轮子不停地转动。请仔细分析这些永动机的设想，指出它们不可能实现的原因。提示：图(a)设计，利用了杠杆的原理，认为左侧球的力臂长，力矩大，右侧球的力臂短，力矩小，故轮能逆时针转动，实际上，左侧球不如右侧球数量多，左、右力矩平衡，轮子不可能永远转动。图(b)设计，利用棉线吸水到高处，水流下时推动轮子上的叶片转动，实际上棉线吸水是由于水的表面张力，当棉线吸水后，表面张力等于水的重力和摩擦阻力时，吸水停止，上边的水流完后，轮子也就不再转动了。图(c)设计，右边的物体浸在水中，受浮力作用，推动右侧重物上升，左侧重物下降，带动轮子不停地转动。实际上，上面的重物漏出水面，下面的重物进入右侧容器时，就算不考虑漏水的技术问题，也应考虑下面进入的重物要承受上面水的压力，这个压力很大，可抵消上面几个重物所受的浮力，因此，这个永动机也就无法永动了。

科学思维——热力学第一定律的应用2．(选自粤教版新教材课后练习)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p＝1.0×105Pa，吸收的热量Q＝7.0×102J，求此过程中气体内能的增量。答案：气体内能增加了5.0×102J

科学态度与责任——发电厂能量转化或转移分析3．(选自沪科版新教材课后练习)如图是一个现代的燃煤蒸汽发电厂的运行流程示意图，请从能量的角度分析各生产部门(燃烧室、锅炉、涡轮机、发电机、冷凝器)之间能量转化或转移的情况。提示：燃烧室将燃料的化学能转化为锅炉内水的内能，再通过热蒸汽转化为涡轮机的机械能，经发电机转化为电能，通过涡轮机的热蒸汽经冷凝后使水的温度升高，转化为水的内能，较冷的蒸汽回到锅炉再次循环。二、新题目精选——品立意深处所蕴含的核心价值1．(2022·广东梅州高二检测)(多选)某校“科创社”在学校足球场进行水火箭发射、航模飞行等展示活动。此次活动激起了该校师生在工作和学习之余的科技创新热情。水火箭是一种用水的压力来推进的模型火箭，同学们利用废弃的饮料瓶制作成动力舱、箭体、箭头、尾翼、降落伞，灌入三分之一的水后，利用打气筒充入空气，等到达一定的压力后喷水获得反冲力而发射。喷水过程可以认为瓶内气体与外界绝热，则在喷水阶段

(

)A．瓶内气体体积增大，外界对气体做正功B．瓶内气体内能减小，温度降低C．喷水阶段机械能转换为内能D．瓶内气体压强减小，即瓶内壁单位面积上所受气体分子撞击的作用力减小解析：在喷水过程中，瓶内气体体积增大，气体对外界做功，W<0，故A错误；在喷水过程中，瓶内气体与外界绝热，Q＝0，由热力学第一定律ΔU＝W＋Q可知，瓶内气体内能减小，温度降低，故B正确；喷水阶段气体内能减小，而物体运动，机械能增加，所以内能转化为机械能，故C