3.2 热力学第一定律&3.3 能量守恒定律（课件PPT）-【优化指导】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册（人教版2019）

热力学定律 第2节　热力学第一定律 第3节　能量守恒定律 第三章 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 物理观念 1.知道热力学第一定律。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。 3．知道人类对能量概念逐步认识的过程，并理解能量和能量守恒观念对世界统一性的意义。 4．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。知道第一类永动机是不可能实现的。 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 科学思维 科学态度与责任 1.理解热力学第一定律的公式。 2．能用能量守恒的观点解释自然现象，如解释永动机不可能制成的原因。 1.学习科学家执着探索的科学精神、实事求是的科学态度，培养探究科学的兴趣。 2．通过热力学第一定律和能量守恒定律的发现过程，体会科学探索中的挫折和失败对科学发现的意义。 3．知道能量守恒定律是最基本、最普遍的自然规律之一。 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 ⁠ 一、热力学第一定律 1．改变内能的两种方式：____与____。两者对改变系统的内能是______。 2.热力学第一定律：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______的和。 ↓ 末状态的内能减去初状态的内能 必备知识 自主学习 做功 传热 等价的 热量 做的功 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 必备知识 自主学习 Q＋W 正值 负值 正值 负值 正值 负值 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 必备知识 自主学习 产生 消失 转化 转移 保持不变 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 必备知识 自主学习 对外做功 能量守恒定律 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 ⁠ 必备知识 自主学习 × √ × × × 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 1．对热力学第一定律的理解 (1)热力学第一定律不仅反映了做功和传热这两种改变内能的过程是等价的，而且给出了内能的变化量和做功与传热之间的定量关系。 (2)定律的表达式ΔU＝Q＋W是标量式。 (3)应用时各量的单位应统一为国际单位焦耳。 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 ⁠ 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 ⁠ 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 ⁠ 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 ⁠ 关键能力 互动探究 C 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 ⁠ 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 ⁠ 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 图为一种所谓“全自动”的机械手表，既不需要上发条，也不用任何电源，却能不停地走下去。 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 ⁠ 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 ⁠ 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 ⁠ 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 ⁠ 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 ⁠ 关键能力 互动探究 ABC 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 ⁠ 关键能力 互动探究 A 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 ⁠ 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 ⁠ 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 ⁠ 关键能力 互动探究 C 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 ⁠ 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 ⁠ 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 ⁠ 关键能力 互动探究 CD 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 ⁠ 关键能力 互动探究 AD 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 ⁠ 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 ⁠ 素养训练 学业评价 D 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 ⁠ 素养训练 学业评价 B 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 ⁠ 素养训练 学业评价 AD 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 ⁠ 素养训练 学业评价 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 ⁠ 素养训练 学业评价 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 谢谢观看 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （R）　 3．热力学第一定律的表达式：ΔU＝______。 4．热力学第一定律的应用 (1)由ΔU＝U2－U1知，当系统内能增加时，ΔU取____，内能减少时，ΔU取____。 (2)外界对系统做功时，W取____；而系统对外界做功时，W取____。 (3)外界向系统传递的热量Q取____；而系统向外界传递的热量Q就取____。 二、能量守恒定律 1．能量守恒定律：能量既不会凭空____，也不会凭空____，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．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)第一类永动机由于违背了____________，所以不可能制成。 判断下列说法的正误。(对的画“√”，错的画“×”) (1)外界对系统做功，系统的内能一定增加。(　　 　　) (2)系统内能增加，一定是系统从外界吸收了热量。(　　 　　) (3)系统内能减少，一定是系统对外界做了功。(　　 　　) (4)违背能量守恒定律的过程是不可能发生的。(　　 　　) (5)能量既可以转移又可以转化，故能的总量是可以变化的。(　　 　　) 探究点一___热力学第一定律 2．公式ΔU＝Q＋W中符号的规定 符号 W Q ΔU ＋ 外界对系统做功 系统吸收热量 内能增加 － 系统对外界做功 系统放出热量 内能减少 3．判断是否做功的方法 一般情况下外界对物体做功与否，需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。 4．几种特殊情况 (1)若过程是绝热的，则Q＝0，W＝ΔU，外界对物体做的功等于物体内能的增加。 (2)若过程中不做功，即W＝0，则Q＝ΔU，物体吸收的热量等于物体内能的增加。 (3)若过程的始末状态物体的内能不变，即ΔU＝0，则W＋Q＝0或W＝－Q，外界对物体做的功等于物体放出的热量。 【例1】 关于内能的变化，以下说法正确的是(　　) A．物体吸收热量，内能一定增大 B．物体对外做功，内能一定减少 C．物体吸收热量，同时对外做功，内能可能不变 D．物体放出热量，同时对外做功，内能可能不变 根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，物体内能的变化与做功及传热两个因素均有关。物体吸收热量，内能不一定增大，因为物体可能同时对外做功，故内能还有可能不变或减少，A错误，C正确；物体对外做功，可能同时吸收热量，内能可能不变或增大，B错误；物体放出热量，同时对外做功，内能一定减少，D错误。 应用热力学第一定律解题的一般步骤 (1)根据符号法则写出各已知量(W、Q、ΔU)的正负； (2)根据方程ΔU＝W＋Q求出未知量； (3)再根据未知量结果的正负来确定吸放热情况、做功情况或内能变化情况。 [练1] 如果一定质量的气体膨胀时做的功是135 J，同时吸热85 J，问： (1)气体内能的变化量是多少？内能是增加了还是减少了？ (2)气体从外界吸收了2.6×105 J的热量，内能增加了4.2×105 J，气体对外做功了还是外界对气体做功了，做的功是多少？ 答案：(1)－50 J　减少　(2)外界对气体做功 1．6×105 J (1)由热力学第一定律可得 ΔU＝Q＋W＝85 J＋(－135 J)＝－50 J 气体的内能减少了。 (2)由热力学第一定律可得 W＝ΔU－Q＝4.2×105 J－2.6×105 J＝1.6×105 J 外界对气体做功了，做的功是1.6×105 J。 探究点二___能量守恒定律__永动机不可能制成 [问题设计] (1)这是不是一种永动机？如果不是，维持表针走动的能量是从哪儿来的？ (2)在能量发生转化或转移时，能量的总量会减少吗？ 提示：(1)这不是永动机。手表戴在手腕上，通过手臂的运动带动手表运动，机械手表获得能量，供手表指针走动。若将此手表长时间放置不动，它就会停下来。 (2)能量的总量不会减少。 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、核能等。 (2)各种形式的能，在某些条件下可以相互转化。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．能量守恒的两种表达 (1)某种形式的能减少，一定有其他形式的能增加，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。 3．第一类永动机不可能制成的原因分析 如果没有外界供给热量而对外做功，由ΔU＝W＋Q知，系统内能将减小。若想源源不断地做功，在无外界能量供给的情况下是不可能的。 【例2】 (多选)下列对能量守恒定律的认识正确的是(　　) A．某种形式的能量减少，一定存在其他形式的能量增加 B．某个物体的能量减少，必然有其他物体的能量增加 C．不需要任何外界的动力而持续对外做功的机器——第一类永动机是不可能制成的 D．石子从空中落下，最后停止在地面上，说明机械能消失了 A选项是指不同形式的能量间的转化，转化过程中能量是守恒的；B选项是指能量在不同的物体间发生转化或转移，转化或转移过程中能量是守恒的，这正好是能量守恒定律的两个方面——转化与转移；第一类永动机是不可能制成的，它违背了能量守恒定律，A、B、C正确；D选项中石子的机械能在变化，比如受空气阻力作用，机械能减少，但机械能并没有消失，而是转化成其他形式的能，能量守恒定律表明能量既不能创生，也不能消失，D错误。 [练2] 下列说法错误的是(　　) A．能的转化和守恒定律只适用于物体内能的变化 B．只要有能的转化和转移，就一定遵从能量守恒定律 C．能的转化和守恒定律是人们认识自然和利用自然的有力武器 D．任何一种形式的能在转化为其他形式的能的过程中，消耗多少某种形式的能量，就能得到多少其他形式的能量，且能的总量保持不变 各种形式的能都可以相互转化，并不是只适用于物体内能的变化，且有能的转化和转移，就一定遵从能量守恒定律，A错误，B、C、D正确。 探究点三___热力学第一定律和气体实验定律的综合应用 热力学第一定律与理想气体状态方程结合问题的分析思路 (1)利用体积的变化分析做功情况。气体体积增大，气体对外界做功；气体体积减小，外界对气体做功。 (2)利用温度的变化分析理想气体内能的变化。一定质量的理想气体的内能仅与温度有关，温度升高，内能增加；温度降低，内能减小。 (3)利用热力学第一定律判断是吸热还是放热。 由热力学第一定律ΔU＝W＋Q，则Q＝ΔU－W，若已知气体的做功情况和内能的变化情况，即可判断气体状态变化是吸热过程还是放热过程。 【例3】 (2024·江苏南京模拟)常见的气压式水枪玩具内部原理如图所示。从储水罐充气口充入气体，达到一定压强后，关闭充气口。扣动扳机将阀门M打开，水立即从枪口喷出。若在水不断喷出的过程中，罐内温度始终保持不变，则罐内气体(　　) A．压强变大 B．内能减少 C．对外做功 D．对外放热 喷水过程中，气体体积增大，根据等温变化pV＝C可知罐内气体压强减小，A错误；温度不变，内能不变，B错误；气体体积增大，气体对外做功，C正确；根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W，内能不变，气体对外做功，则气体吸收热量，D错误。 [练3] 一定质量的理想气体从状态A变化到状态B再变化到状态C，其状态变化过程的p－V图像如图所示。已知该气体在状态A时的温度为27 ℃。 (1)求该气体在状态B、C时的温度； (2)该气体从状态A到状态C的过程中是吸热还是放热？传递的热量是多少？ 答案：(1)－73 ℃　27 ℃　(2)吸热　200 J (1)气体从状态A到状态B做等容变化，由查理定律有＝ 解得TB＝200 K，即tB＝－73 ℃ 气体从状态B到状态C做等压变化，由盖－吕萨克定律有＝ 解得TC＝300 K，即tC＝27 ℃。 (2)由(1)中结果可知气体在状态A和状态C温度相等，所以在这个过程中ΔU＝0，由热力学第一定律ΔU＝Q＋W得Q＝－W。在整个过程中，气体在B到C过程中对外做功，故W＝－pBΔV＝－200 J，即Q＝－W＝200 J，是正值，所以气体从状态A到状态C过程中是吸热，吸收的热量Q＝200 J。 探究点四___解决实际问题 [练4] (多选)(2024·广东广州模拟)如图为某款自行车的气压式减震装置，活塞连接车把，汽缸连接前轮。当路面不平时，自行车颠簸使得活塞上下振动，汽缸内封闭的理想气体体积随之变化，起到减震作用。活塞迅速下压的过程中，汽缸内的气体(　　) A．对外做正功 B．内能减小 C．温度升高，分子平均动能增加 D．分子对汽缸壁单位面积的平均撞击力增加 活塞迅速下压的过程中，汽缸内的气体被压缩，外界对气体做正功，A错误；外界对气体做正功，活塞迅速下压，可近似看成是绝热过程，则由热力学第一定律ΔU＝Q＋W可知，气体内能增加，B错误；理想气体内能只与温度有关，所以气体温度升高，分子平均动能增加，C正确；根据理想气体的状态方程＝C，气体体积减小，温度升高，则气体压强增大，即分子对汽缸壁单位面积的平均撞击力增加，D正确。 [练5] (生活情境)(多选)(2024·北京十一学校期中)有一种在超市中常见的“强力吸盘挂钩”如图甲所示，图乙、图丙是其工作原理示意图。使用时，按住锁扣把吸盘紧压在墙上(图乙)，然后把锁扣扳下(图丙)，让锁扣以盘盖为依托把吸盘向外拉出，使吸盘牢牢地被固定在墙壁上，若吸盘内气体可视为理想气体，且温度始终保持不变。则在把锁扣扳下的过程中，下列说法正确的是(　　) A．吸盘内气体要吸收热量 B．吸盘内气体的密度增大 C．吸盘内气体的内能增大 D．吸盘内气体的压强减小 由于气体温度不变，所以气体的内能不变，C错误；吸盘内气体体积增大，气体对外做功W<0，气体的内能不变ΔU＝0，根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W可知Q>0，吸盘内气体要吸收热量，A正确；吸盘内气体分子数不变，而气体体积变大，则吸盘内气体分子的密度减小，B错误；吸盘内气体温度不变而体积变大，由玻意耳定律pV＝C可知，吸盘内气体的压强减小，D正确。 1．有关能量的转化和守恒定律，下列说法正确的是(　　) A．只适用于机械能与内能的相互转化 B．只适用于能量转化过程 C．“摩擦生热”是创造了热，它不符合能量守恒定律 D．根据能量守恒定律，宇宙中的能量总和不变 能量的转化和守恒定律是自然界普遍遵循的一个规律，适用于一切能量和一切物理过程，D正确，A、B、C错误。 2．“第一类永动机”是不可能制成的，这是因为(　　) A．它不符合机械能守恒定律 B．它违背了能量守恒定律 C．没有合理的设计方案 D．找不到合适的材料 第一类永动机不可能制成的原因是违背了能量守恒定律，B正确。 3．(多选)如图所示，一定质量的理想气体状态发生变化，经历了A→B→C→D→A的循环过程，则下列说法正确的是(　　) A．气体在状态A的内能比在状态B的内能小 B．从状态B变化到状态C的过程中，气体分子平均动能增大 C．从状态D变化到状态A的过程中，气体一定放出热量 D．经A→B→C→D→A整个过程，气体对外做功 根据理想气体状态方程＝C得：pV＝CT，C不变，则pV越大时T越大，由此结合题图可知A、C状态温度相等，B状态温度最高； 理想气体的内能只与温度有关，气体在状态A的内能比状态B的内能小，A正确；从状态B变化到状态C的过程中，温度降低，气体分子平均动能减小，B错误；从状态D变化到状态A的过程中，体积不变，气体不做功，温度升高，内能增大，根据热力学第一定律，气体吸热，C错误；图像与横轴围成的面积代表对气体做的功，故经A→B→C→D→A整个过程，图像面积大于零，气体对外做功，D正确。 4．(2024·河北邢台模拟)家庭用的小烤箱的简化模型如图所示。烤箱气密性良好，烤箱内的气体可视为质量不变的理想气体。烤箱内初始气体压强为p0＝1.0×105 Pa，温度为T0＝300 K。现通电加热使气体温度升高到510 K，此过程中气体吸收的热量为9 000 J，烤箱内气体的体积不变。求： (1)烤箱中气体在温度升高后的压强p； (2)此过程中烤箱内气体的内能的增加量。 答案：(1)1.7×105 Pa　(2)9 000 J (1)气体发生等容变化，则有＝ 可得p＝1.7×105 Pa。 (2)根据热力学第一定律 ΔU＝W＋Q 由于气体的体积不变，所以W＝0 则有ΔU＝Q＝9 000 J。 $$