高中物理(新教材)选修三课件：3-2-3-3-热力学第一定律-能量守恒定律 人教版

3.2-3.3热力学第一定律能量守恒定律学习目标1.理解热力学第一定律，能运用热力学第一定律解释自然界能量的转化、转移问题；2.理解能量守恒定律，知道能量守恒时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；4.通过能量守恒定律的学习，认识自然规律的多样性和统一性；知识回顾做功(外界对物体做功)(物体对外界做功)热传递内能增加内能减少改变内能的方式有哪两种？放热吸热对内对外内能增加内能减少(物体从外界吸热)(物体对外界放热)既然做功和热传递都可以改变物体的内能，那么，功、热量跟内能的改变之间一定有某种联系，我们就来研究这个问题。一、热力学第一定律1.内容：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.2.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定量关系.3.数学表达式：ΔU=Q+WΔU

：物体内能的增加量W：

外界对物体做的功Q：

物体吸收的热量4.符号法则(1)外界对系统做功，W>0，即W为正值；系统对外界做功，W<0，即W为负值；(2)外界对系统传递热量，Q>0，即Q为正值；系统对外界传递热量，Q>0，即Q为负值；(3)系统内能增加，∆U>0，即∆U为正值；系统内能减少，∆U<0，即∆U为负值；5.应用注意事项(1)注意分清W、Q的正负号，以便准确判断∆U的正、负。(2)几种特殊情况①若过程绝热，则Q=0，∆U=W②若过程不做功，则W=0，∆U=Q③若过程始、末状态物体的内能不变，即∆U=0，则W+Q=0。【特别提醒】

(1)当做功和热传递同时发生时，物体的内能可能增加，也可能减小，还可能保持不变。(2)物体内能发生变化可能是由做功引起的，也可能是由热传递引起的，还可能是两者共同作用的结果。7.解题步骤(1)明确研究对象(2)明确W、Q的正负(3)根据热力学定律列方程求解(4)注意各量的正负及其物理意义6.判断气体是否做功的方法一般情况下外界对系统做功与否，需要看物体的体积是否变化。①若系统体积增大，表明系统对外界做功，W＜0；②若系统体积减小，表明外界对系统做功，Ｗ＞0．例1一定质量的气体从外界吸收了4.2×105J的热量，同时气体对外做了6×105J的功，问：(1)物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)气体从外界吸热为Q＝4.2×105J，气体对外做功W＝－6×105J由热力学第一定律ΔU＝W＋Q＝(－6×105J)＋(4.2×105J)＝－1.8×105JΔU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，气体分子势能增加了。(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了。答案：(1)减少1.8×105J

(2)增加(3)减少解析：(1)气体从外界吸热为Q＝4.2×105J，气体对外做功W＝－6×105J由热力学第一定律ΔU＝W＋Q＝(－6×105J)＋(4.2×105J)＝－1.8×105JΔU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，气体分子势能增加了。(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了。答案：(1)减少1.8×105J

(2)增加(3)减少二、探索能量守恒的足迹1.人类对能量的认识时间科学家研究成果1798年伦福德热的本质是运动1820年奥斯特电流的磁效应1821年赛贝克温差电现象1831年法拉第电磁感应现象1836年盖斯化学反应放出的热量与反应步骤无关1841年焦耳电流的热效应1842年迈尔表述了能量守恒定律1843年焦耳测定做功与传热的关系1847年亥姆霍兹在理论上概括和总结能量守恒定律2.能量守恒观念的形成(1)俄国化学家盖斯的研究发现，任何一个化学反应，不论是一步完成，还是分几步完成，放出的总热量相同。这表明一个系统存在着一个与热量相关的物理量，在一个确定的化学反应中这个量是不变的。(2)焦耳的实验精确地测量了做功与传热之间的等价关系，从而为能量守恒定律奠定了牢固的实验基础，也为能量守恒的定量描述迈出了重要的一步。(3)德国医生迈尔通过对比不同地区人血颜色的差异，认识到食物中化学能与内能的等效性，即生物体内能量的输入和输出是平衡的。另外，他还通过海水在暴风雨中较热的现象，猜想热与机械运动的等效性。他在1841年和1842年连续写出“论‘自然力’（指能量）”的论文，并推算了多少热与多少功相当。因此，迈尔是公认的第一个提出能量守恒思想的人。三、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，能量的总量保持不变。机械能转化为内能内能转化为机械能电能转化为内能2.能量守恒定律的历史意义(1)能的转化和守恒定律是19世纪自然科学中三大发现之一（能量守恒定律与电子的发现、达尔文的进化论并称19世纪自然科学中三大发现），也庄严宣告了永动机幻想的彻底破灭。(2)能量守恒定律是认识自然、改造自然的有力武器，这个定律将广泛的自然科学技术领域联系起来，使不同领域的科学工作者有一系列的共同语言。3.说明①自然界存在着多种不同形式的运动，每种运动对应着一种形式的能量机械运动——机械能热运动——内能电荷运动——电能化学运动——化学能生物运动——生物能原子核内部的运动——原子能②不同形式的能量之间可以相互转化。③能量守恒定律适用于任何物理现象和物理过程3.说明①自然界存在着多种不同形式的运动，每种运动对应着一种形式的能量机械运动——机械能热运动——内能电荷运动——电能化学运动——化学能生物运动——生物能原子核内部的运动——原子能②不同形式的能量之间可以相互转化。③能量守恒定律适用于任何物理现象和物理过程例2如图所示，直立容器内部被隔板隔开的A、B两部分气体(A、B两部分体积等大)，A的密度小，B的密度大，加热气体，并取出隔板使两部分气体混合均匀，设此过程中气体吸热为Q，气体内能的增量为ΔU，则(

)A.ΔU=Q B.ΔU<Q

C.ΔU>Q D.无法比较解析：因A部分气体密度小，B部分气体密度大，以整体为研究对象，开始时，气体的重心在中线以下，混合均匀后，气体的重心在中线上，所以有重力做负功，使气体的重力势能增大，由能量守恒定律可知，吸收的热量Q有一部分转化为气体的重力势能，另一部分转化为内能。故正确答案为B。B第一类永动机：不需要任何动力或燃料，却能不断地对外做功的机器。四、永动机不可能制成历史上一种永动机的设计从能量守恒的角度看：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，而不能无中生有地制造能量，因此第一类永动机是不可能制成的。从热力学第一定律的角度看：如果没有外界热源供给热量，则有U1-U2=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。为什么永动机不可能制成？例3下列说法正确的是()A.随着科技的发展，永动机是可以制成的B.太阳照射到地球上的光能转化成了其他形式的能量，但照射到宇宙空间的能量都消失了C.“既要马儿跑，又要马儿不吃草”违背了能量守恒定律，因而是不可能的D.有种“全自动”手表，不用上发条，也不用任何形式的电源，却能一直走动，说明能量可以凭空产生解析：无论科技多么发达，违背能量守恒的第一类永动机不可能制成，A错。能量是不会凭空消失的，也不会凭空产生，它只会从一种形式转化为另外一种形式，B、D错误，故C正确。C备用工具&资料从能量守恒的角度看：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，而不能无中生有地制造能量，因此第一类永动机是不可能制成的。从热力学第一定律的角度看：如果没有外界热源供给热量，则有U1-U2=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。为什么永动机不可能制成？例2如图所示，直立容器内部被隔板隔开的A、B两部分气体(A、B两部分体积等大)，A的密度小，B的密度大，加热气体，并取出隔板使两部分气体混合均匀，设此过程中气体吸热为Q，气体内能的增量为ΔU，则(

)A.ΔU=Q B.ΔU<Q

C.ΔU>Q D.无法比较解析：因A部分气体密度小，B部分气体密度大，以整体为研究对象，开始时，气体的重心在中线以下，混合均匀后，气体的重心在中线上，所以有重力做负功，使气体的重力势能增大，由能量守恒定律可知，吸收的热量Q有一部分转化为气体的重力势能，另一部分转化为内能。故正确答案为B。B知识回顾做功(外界对物体做功)(物体对外界做功)热传递内能增加内能减少改变内能的方式有哪两种？放热吸热对内对外内能增加内能减少(物体从外界吸热)(物体对外界放热)既然做功和热传递都可以改变物体的内能，那么，功、热量跟内能的改变之间一定有某种联系，我们就来研究这个问题。4.符号法则(1)外界对系统做功，W>0，即W为正值；系统对外界做功，W<0，即W为负值；(2)外界对系统传递热量，Q>0，即Q为正值；系统对外界传递热量，Q>0，即Q为负值；(3)系统内能增加，∆U>0，即∆U为正值；系统内能减少，∆U<0，即∆U为负值；5.应用注意事项(1)注意分清W、Q的正负号，以便准确判断∆U的正、负。(2)几种特殊情况①若过程绝热，则Q=0，∆U=W②若过程不做功，则W=0，∆U=Q③若过程始、末状态物体的内能不变，即∆U=0，则W+Q=0。【特别提醒】

(1)当做功和热传递同时发生时，物体的内能可能增加，也可能减小，还可能保持不变。(2)物体内能发生变化可能是由做功引起的，也可能是由热传递引起的，还可能是两者共同作用的结果。解析：(1)气体从外界吸热为Q＝4.2×105J，气体对外做功