第3章 第一、二节 热力学第一定律 能量守恒定律及其应用（课件PPT）-【新课程学案】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册（粤教版2019）

　第三章 热力学定律 第一、二节　热力学第一定律　能量守恒定律及其应用 核心素养导学 物理观念 (1)掌握内能的概念，知道改变物体内能的两种方式。 (2)知道热力学第一定律的内容。 (3)理解能量守恒定律，知道能量守恒定律是自然界普遍遵从的基本原理。 (4)知道第一类永动机是不可能实现的。 科学思维 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现的意义，知道科学发现需要科学家共同努力。 一、物体的内能 1．分子势能 (1)定义：由分子间的相互作用力和分子间的__________决定的势能。 (2)宏观上：分子势能的大小与物体的_____有关。 (3)微观上：分子势能的大小与分子_____有关。 (4)当r>r0时，分子力表现为____，若r增大，需克服引力做功，分子势能_____。 (5)当r<r0时，分子力表现为____，若r减小，需克服斥力做功，分子势能_____。 (6)当r＝r0时，分子间的作用力为零，分子势能_____。 相对位置 体积 间距 引力 增大 斥力 增大 最小 2．分子动能 (1)定义：由于分子永不停息地做_______________而具有的动能。 (2)分子的平均动能：大量分子动能的________。 (3)温度的微观意义：温度是分子热运动的平均动能的标志。 3．内能 (1)定义：物体中所有分子的_____和__________的总和。 (2)决定因素：物体的内能由物体的质量、_____和_____共同决定。 无规则热运动 平均值 动能 分子势能 温度 体积 二、改变物体内能的两种方式 1．改变物体内能的两种方式：______和________。 2．功、热量和内能改变的关系 (1)如果物体与外界无热传递，外界对物体做功，物体的内能_____；物体对外做功，物体的内能______。 (2)如果物体既不对外做功，外界也不对物体做功，则物体从外界吸收热量时，它的内能_____；物体向外放出热量时，它的内能______。 做功 热传递 增加 减少 增加 减少 三、热力学第一定律及其应用 1．做功和_______都可以改变物体的内能，而且这两种方式是_____的。 2．单纯地对物体做功时内能的变化量与功的关系：ΔU＝W。 3．单纯地对物体热传递时，内能的变化量与传递热量的关系：ΔU＝Q。 4．当外界既对物体做功又对物体热传递时，内能的变化量：ΔU＝Q＋W。 5．热力学第一定律 (1)内容：一个热力学系统的内能变化量等于外界向它传递的_______与外界对它所做的_____之和。 (2)表达式：ΔU＝___＋___。 热传递 等效 热量Q 功W Q W 四、能量守恒定律　第一类永动机不可能制成 1．能量守恒定律：能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式______为其他形式，或者从一个物体_____到别的物体；在转化和转移过程中其总量______。 2．意义 (1)各种形式的能量可以__________。 (2)各种物理现象可以用_____________联系在一起。 3．第一类永动机不可能制成 (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_______________。 转化 转移 不变 相互转化 能量守恒定律 对外做功 能量守恒定律 1.在寒冷的冬季，人们常常生火取暖，当双手靠近火源时，我们就会感受到手变暖和了。 请对以下说法作出判断： (1)烤火是通过热传递的方式增加手的内能。 ( ) (2)手变暖和了，是内能较大的火源将内能传给了内能较小的人的缘故。 ( ) (3)传热只能发生在两个温度不同的物体之间，同一物体，内部不发生传热现象。 ( ) (4)该现象说明热传递可以改变物体的内能。 ( ) √ × × √ 2. 给旱区送水的消防车停在水平地面上。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。 3．“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。 ( ) (4)运动的物体在阻力作用下会停下来，说明机械能凭空消失了。 ( ) (5)功和能可以相互转化。 ( ) (6)第一类永动机不能制成，是因为它违背了能量守恒定律。 ( ) (7)某个物体的能量减少，必然有其他物体的能量增加。 ( ) √ × × √ √ 新知学习(一)|分子动能、势能与物体的内能 [任务驱动] 一架飞机在空中以某一速度飞行，由于飞机中所有分子都具有飞机的速度，所以分子具有动能，又由于飞机在空中，飞机中所有分子都离地面有一定高度，以地面为零势能参考平面，所以分子具有势能，上述动能和势能的总和就是飞机的内能，当飞机停在地上时，飞机的内能为零，以上说法是否正确？为什么？ 提示：不正确，飞机的内能不是飞机的机械能，它是飞机中所有分子做无规则热运动和由于分子之间的相互作用而具有的势能的总和，与飞机的高度和飞机速度无关。 [重点释解] 1．分子的平均动能 (1)热现象研究的是大量分子运动的宏观表现，有意义的是物体内所有分子热运动动能的平均值，即分子的平均动能。 (2)温度是分子平均动能的标志，这是温度的微观意义。在相同温度下，各种物质分子的平均动能都相同，由于不同物质分子的质量不一定相同，因此相同温度时不同物质分子的平均速率不一定相同。 (3)物体温度升高，分子热运动加剧，分子的平均动能增大，但并不是每个分子的动能都变大。 2．分子势能与分子间距离的关系 分子势能的大小与分子间的距离有关，距离发生变化时，分子力做功，分子势能发生变化。分子势能随分子间距离的变化情况如图所示(取无穷远处Ep为0)。 (1)当分子间的距离r>r0时，分子势能随分子间距离的增大而增大。 (2)当分子间的距离r<r0时，分子势能随分子间距离的减小而增大。 (3)当r＝r0时，分子势能最小。 3．对内能的理解 (1)内能是对大量分子而言的，对单个分子来说无意义。 (2)某个物体的内能在宏观上由物体的质量、温度和体积决定；微观上由分子数、分子平均动能和分子势能决定。 (3)物体的内能跟物体的机械运动状态无关。 4．内能与机械能的比较   内能 机械能 对应的运动形式 微观分子热运动 宏观物体机械运动 能量常见的形式 分子动能、分子势能 物体的动能、重力势能或弹性势能 能量存在的原因 由物体内大量分子的无规则热运动和分子间相对位置决定 由物体做机械运动、与地球相对位置或物体形变决定   内能 机械能 影响因素 物体的质量、物体的温度和体积 物体的质量、物体做机械运动的速度、离地高度(或相对于零势能参考平面的高度)或弹性形变 是否为零 永远不能等于零 一定条件下可以等于零 联　系 在一定条件下可以相互转化 [典例体验] [典例]　若某种实际气体分子的作用力表现为引力，则一定质量的该气体内能的大小与气体体积和温度的关系是 (　 ) A．如果保持其体积不变，温度升高，内能增大 B．如果保持其体积不变，温度升高，内能减少 C．如果保持其温度不变，体积增大，内能不变 D．如果保持其温度不变，体积增大，内能减少 [解析]　若保持气体的体积不变，则分子势能不变，温度升高，分子的平均动能变大，故气体的内能增大，A正确，B错误；若保持气体的温度不变，气体分子的平均动能不变，体积增大，分子间的引力做负功，分子势能增大，故气体的内能增大，C、D错误。 [答案]　A /方法技巧/ 影响物体内能的因素 (1)物体的内能：物体的内能是物体中所有分子热运动的动能与分子势能的总和。在其概念中有三个关键词：所有分子、动能、分子势能。 (2)影响物体内能的因素： ①由于温度越高，分子平均动能越大，所以，物体的内能与温度有关。 ②由于分子势能与分子间距有关，所以，物体的内能与体积有关。 ③由于内能应包含所有分子的动能、势能，所以，内能还与分子数目有关，即与物体的物质的量有关。 [针对训练] 1．(多选)有关分子的热运动和内能，下列说法正确的是 (　 ) A．一定质量的气体，温度不变，分子的平均动能不变 B．物体的温度越高，分子热运动越剧烈 C．物体的内能是物体中所有分子热运动动能和分子势能的总和 D．布朗运动是由悬浮在液体中的微粒之间的相互碰撞引起的 解析：温度是分子平均动能的标志，所以温度不变，分子的平均动能不变，A正确；物体的温度越高，分子热运动越剧烈，B正确；物体的内能就是物体内部所有分子热运动的动能和分子势能的总和，C正确；布朗运动是微粒在液体中受到液体分子的撞击不平衡引起的，D错误。 答案：ABC　 2．玻璃杯中盛有冰水混合物，冰的质量和水的质量相等且保持不变，则玻璃杯内 (　 ) A．冰分子的平均动能大于水分子的平均动能 B．水分子的平均动能等于冰分子的平均动能 C．一个水分子的动能一定大于一个冰分子的动能 D．一个水分子的动能一定等于一个冰分子的动能 解析：冰水混合物温度为0 ℃，冰、水温度相同，二者分子平均动能相同，故A错误，B正确；相同温度的冰和水内个别分子的动能是随时变化的，比较个别分子的动能没有意义，故C、D错误。 答案：B　 3．如图为两分子靠近过程中的示意图，r0为分子间平衡距离，下列关于分子力和分子势能的说法正确的是 (　 ) A．分子间距离大于r0时，分子间表现为斥力 B．分子从无限远靠近到距离r0处的过程中分子势能变大 C．分子势能在r0处最小 D．分子间距离在小于r0且减小时，分子势能在减小 解析：分子间距离大于r0时，分子间表现为引力，分子从无限远靠近到距离r0处的过程中，引力做正功，分子势能减小，则在r0处分子势能最小；继续减小分子间距离，分子间表现为斥力，分子力做负功，分子势能增大。 答案：C　 新知学习(二)|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 符号 Q W ΔU ＋ 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 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。 (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4.2×105 J的热量，同时气体对外做了6×105 J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＝4.2×105 J， 气体对外做功，故W＝－6×105 J， 由热力学第一定律有ΔU＝W＋Q＝(－6×105 J)＋(4.2×105 J)＝－1.8×105 J。 ΔU为负，说明气体的内能减少了，所以气体内能减少了1.8×105 J。 (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　1.8×105 J　(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．(2024·北京高考)一个气泡从恒温水槽的底部缓慢上浮，将气泡内的气体视为理想气体，且气体分子个数不变，外界大气压不变。在上浮过程中气泡内气体(　　) A．内能变大 B．压强变大 C．体积不变 D．从水中吸热 解析：上浮过程气泡内气体的温度不变，内能不变，故A错误；气泡内气体压强p＝p0＋ρ水gh，故上浮过程气泡内气体的压强减小，故B错误；由玻意耳定律pV＝c知，气体的体积变大，故C错误；上浮过程气体体积变大，气体对外做功，由热力学第一定律ΔU＝Q＋W知，气体从水中吸热，故D正确。 答案：D　 2．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 新知学习(三)|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：A　 2．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 科学思维——气体绝热过程分析 1．(选自鲁科版新教材课后练习)(多选)用密封性好、充满气体的塑料袋包裹易碎品，如图所示。当充气袋四周被挤压时，假设袋内气体与外界无热交换，则袋内气体 (　 ) A．体积减小，内能增大 B．体积减小，压强减小 C．对外界做负功，内能增大 D．对外界做正功，压强减小 解析：袋内气体与外界无热交换时，气体内能的变化等于外界对气体所做的功，故充气袋四周被挤压时，体积减小，袋内气体对外界做负功，袋内气体压强增大，内能增大，故选项A、C正确，B、D错误。 答案：AC　 科学态度与责任——发电厂能量转化或转移分析 2．(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器后使冷水的温度升高，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．(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错误；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，故D正确。 答案：BD　 2．目前，共享单车作为绿色出行的交通工具，已成为时尚。甲、乙两种共享单车都采用了电子锁，车锁内集成了GPS模块与联网模块等，这些模块工作时需要电能。这两种共享单车采用了不同的方式获取电能：甲车靠小型发电机踩动单车时线圈在磁场中转动产生电能，如图甲所示；乙车靠车筐底部的太阳能电池板有光照时产生电能，如图乙所示。这两种共享单车获取电能时，都是把其他形式的能转化为电能。关于它们的能量转化，下列说法中正确的是 (　 ) A．都是把机械能转化为电能 B．都是把光能转化为电能 C．甲车把机械能转化为电能，乙车把光能转化为电能 D．甲车把光能转化为电能，乙车把机械能转化为电能 解析：甲车靠小型发电机踩动单车时线圈在磁场中转动产生电能，故是将机械能转化为电能；乙车靠车筐底部的太阳能电池板有光照时产生电能，故是将光能转化为电能。故A、B、D错误，C正确。 答案：C　 3．(2024·河北高考)(多选)如图，水平放置的密闭绝热气缸被导热活塞分成左右两部分，左侧封闭一定质量的理想气体，右侧为真空，活塞与气缸右壁中央用一根轻质弹簧水平连接。气缸内壁光滑且水平长度大于弹簧自然长度，弹簧的形变始终在弹性限度内且体积忽略不计。活塞初始时静止在气缸正中间，后因活塞密封不严发生缓慢移动，活塞重新静止后(　　) A．弹簧恢复至自然长度 B．活塞两侧气体质量相等 C．与初始时相比，气缸内气体的内能增加 D．与初始时相比，活塞左侧单位体积内气体分子数减少 解析：初始时活塞受到左侧气体向右的压力和弹簧向左的弹力处于平衡状态，弹簧处于压缩状态。因活塞密封不严，可知左侧气体向右侧真空漏出，左侧气体压强变小，右侧出现气体，对活塞有向左的压力，最终左、右两侧气体压强相等，且弹簧恢复原长，故A正确；由题知活塞初始时静止在气缸正中间，但由于活塞向左移动，左侧气体体积小于右侧气体体积，则左侧气体质量小于右侧气体质量，故B错误；密闭的气缸绝热，与外界没有能量交换，但弹簧弹性势能减少了，可知气体内能增加，故C正确；初始时气体在左侧且体积为整个气缸体积的一半，最终气体充满整个气缸，则初始时活塞左侧单位体积内气体分子数应该是最终状态的两倍，故D正确。 答案：ACD　 “课时跟踪检测”见“课时跟踪检测” （十） (单击进入电子文档) 53 解析：小瓶内的空气可视为理想气体，在小瓶缓慢上浮的过程中，瓶内空气的温度随水温升高，内能增加，故A错误；同时，瓶内空气的压强减小，由理想气体的状态方程＝c，可知体积增大，气体对外界做正功，故B正确；根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，由于ΔU＞0，W＜0，则Q＞0，可见气体吸收的热量大于增加的内能，故C、D错误。 答案：B $$