3.1 热力学第一定律 3.2 能量守恒定律 课件-2025-2026学年高二下学期物理教科版选择性必修第三册

1 热力学第一定律 2 能量守恒定律 第三章 热力学定律 High school physics 理解并会运用能量守恒定律解决实际问题 03 理解热力学第一定律，并能运用热力学第一定律分析和解决相关问题 01 重难点 知道什么是第一类永动机及其不可能制成的原因 02 热力学第一定律 01 如视频所示，在一个配有活塞的厚壁有机玻璃筒底放入一小团蘸了乙醚的硝化棉，用力迅速压下活塞，可以观察到硝化棉燃烧的火苗。为什么筒底的硝化棉会被点燃呢？ 答案　外界对筒内气体做功，使气体内能增加，温度升高，达到硝化棉的燃点后引起硝化棉燃烧。 公司logo 公司logo 观察与思考 英国物理学家焦耳为了精确测定热量与功之间的数量关系，从1840年到1879年，一共做了400多个实验，其中有两个最具代表性。 焦耳 英国 1818-1889 一、桨叶搅拌实验 二、电流的热效应给水加热 焦耳的实验 公司logo 公司logo 物理学史 重物下落带动轮叶旋转，通过搅拌对绝热容器内的液体做功，使液体升温。 桨叶搅拌实验 实验原理 公司logo 公司logo 物理学史 尽管各次悬挂重物的质量不同，下落的高度也不一样，但只要重力所做的功相同，容器内水温上升的数值都是相同的，即系统状态的变化是相同的。 实验结论 公司logo 公司logo 物理学史 功和内能 1 绝热过程 系统与外界之间没有热量的交换，只是通过外界做功的方式与外界交换能量的过程。 2 做功与内能变化的关系 在热力学系统的绝热过程中，系统内能的增加量ΔU等于外界对系统所做的功W，即ΔU＝W。 公司logo 公司logo 核心知识 电流的热效应给水加热 实验原理 让正在下降的重物带动发电机发电，电流通过浸在液体中的电阻丝，由电流的热效应给液体加热，使液体温度上升。 公司logo 公司logo 物理学史 对于同一个系统，如果过程是绝热的，那么不管通过电阻丝的电流或大或小、通电时间或长或短，只要所做的电功相等，则系统温度上升的数值是相同的，即系统的状态就发生了同样的变化。 实验结论 公司logo 公司logo 物理学史 在外界没有对系统做功的过程中，系统内能的增加量ΔU等于系统从外界所吸收的热量Q。即ΔU＝Q。 热和内能 公司logo 公司logo 核心知识 W=0时，ΔU＝Q 热力学第一定律 Q=0时，ΔU＝W ΔU＝Q+W 物理量 符号 意义 符号 意义 W ＋ 外界对物体做功 － 物体对外界做功 Q ＋ 物体吸收热量 － 物体放出热量 ΔU ＋ 内能增加 － 内能减少 公司logo 公司logo 核心知识 第一类永动机不可能制成 1 定义 不需要任何动力和燃料，能持续不断地对外做功的机器。 2 原因 第一类永动机由于违背了热力学第一定律，所以不可能制成 公司logo 公司logo 核心知识 给旱区送水的消防车停在水平地面上，如图所示。在缓慢放水过程中，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。 答案　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。放水过程中车胎内气体体积增大，对外做功，由热力学第一定律可知，车胎内气体吸热。 公司logo 公司logo 讨论交流 (1)系统的温度改变时，其内能必定改变。(　　) (2)系统从外界吸收热量，内能一定增大。(　　) (3)理想气体的内能只与温度有关。(　　) (4)物体内能越大，外界对物体做功越多。(　　) √ × × × 辨析 1.(多选)某汽车后备箱内安装有撑起箱盖的装置，它主要由气缸和活塞组成。开箱时，密闭于气缸内的压缩气体膨胀，将箱盖顶起，如图所示。在此过程中，若缸内气体与外界无热量交换，忽略气体分子间的相互作用，则缸内气体 A.对外做正功，分子的平均动能减少 B.对外做正功，内能增大 C.对外做负功，分子的平均动能增加 D.对外做正功，内能减小 √ √ 例题 气体膨胀对外做正功，又因为气体与外界无热量交换，故气体内能减少，B、C错误，D正确； 因忽略气体分子间的相互作用，没有分子势能，所以分子平均动能减少，A正确。 新知讲解 (1)功是过程量，内能是状态量。 (2)物体的内能大，并不意味着外界对它做功多。只有在绝热过程中，内能变化越大时，相应地做功才越多。 功和内能的区别 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。 判断是否做功及做功正负的方法 物理量 符号 意义 符号 意义 W ＋ 外界对物体做功 － 物体对外界做功 物体被压缩V↘ 物体膨胀V↗ 公司logo 公司logo 总结提升 2.(1)一定质量的气体，从外界吸收3.5×105 J的热量，同时气体对外界做功2.5×105 J，则气体的内能是增加还是减少？改变量是多少？ 答案　(1)增加　1.0×105 J (2)吸热　2.6×105 J (2)一定质量的气体，外界对其做功1.6×105 J，内能增加了4.2×105 J，此过程中气体是吸热还是放热？吸收或放出的热量是多少？ 例题 (2)由题意知，ΔU＝4.2×105 J，W＝1.6×105 J，则根据热力学第一定律有Q＝ΔU－W＝2.6×105 J Q为正值，说明此过程中气体从外界吸热，吸收的热量为2.6×105 J。 (1)由题意知，Q＝3.5×105 J，W＝－2.5×105 J， 则根据热力学第一定律有ΔU＝Q＋W＝1.0×105 J ΔU为正值，说明气体的内能增加，增加量为1.0×105 J。 例题 (1)根据符号法则写出各已知量(W、Q、ΔU)的正负； (2)根据ΔU＝W＋Q列方程求出未知量； (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。 应用热力学第一定律解题的一般步骤 公司logo 公司logo 总结提升 3.(2025·乐山市高二检测)如图所示，内壁光滑的绝热气缸固定在水平面上，其右端由于有挡板，厚度不计的绝热活塞不能离开气缸，气缸内封闭着一定质量的理想气体，活塞距气缸右端的距离为0.2 m。现对封闭气体加热，活塞缓慢移动，一段时间后停止加热，此时封闭气体的压强变为2×105 Pa。已知活塞的横截面积为0.04 m2，外部大气压强为1×105 Pa，加热过程中封闭气体吸收的热量为2 000 J，则封闭气体的内能变化量为 A.400 J B.1 200 J C.2 000 J D.2 800 J √ 例题 由题意可知，气体先发生等压变化，到活塞运动到挡板处再发生等容变化，等压变化过程外界对气体做的功W＝－p0Sx＝－1×105×0.04 ×0.2 J＝－800 J，由热力学第一定律可知，封闭气体的内能变化量为ΔU＝W＋Q＝(－800＋2 000) J＝1 200 J，故B正确。 新知讲解 ΔV 气体推动活塞做功的计算W W = F x p S x = pS x = p ΔV 气体做的功← 气体体积变化 ↑ ↘ 气体压强 活塞位移 ↑ ↓ 活塞面积 公司logo 公司logo 总结提升 能量守恒定律 02 有一种“全自动”机械手表，既不需要给手表上发条，也不用装电池，表针却能不停地走下去。这是一种新的“永动机”吗？为什么？ 答案　不是，手表戴在手腕上，通过手臂的运动，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，表针就会停下来。 公司logo 公司logo 情境导入 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另一个物体，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变。 公司logo 公司logo 核心知识 2 两种表述 (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。 公司logo 公司logo 核心知识 热力学第一定律与能量守恒定律的比较 1 能量守恒定律是各种形式的能相互转化或转移的过程，总能量保持不变，它包括各个领域，范围广泛。 2 热力学第一定律是物体内能与其他形式的能之间的相互转化或转移，是能量守恒定律在热现象领域内的具体体现。 公司logo 公司logo 核心知识 根据能量守恒定律可知，在能量的转化或转移过程中，能量的总量是保持不变的，为什么我们还要提倡节约能源？ 答案　虽然使用能源过程中能的总量是不变的，但能的品质降低了，能量从便于利用的形式变为不便于利用的形式，使便于利用的能源在不断减少。 公司logo 公司logo 讨论交流 (1)能量既可以转移又可以转化，故能的总量是可以变化的。(　　) (2)能量的总量保持不变，所以我们不需要节约能源。(　　) (3)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。 (　　) (4)第一类永动机不能制成，因为它违背了能量守恒定律。(　　) √ × × × 辨析 4.(来自教材)请说出在下列过程中的能量转化关系： (1)在水平道路上行驶的汽车，发动机熄火后慢慢停下来； 答案　在水平道路上行驶的汽车，发动机熄火后，慢慢停下来，汽车所受的阻力对汽车做负功，汽车的机械能转化为内能。 例题 (2)条形磁铁下落过程中穿过闭合线圈，线圈中产生感应电流； 答案　条形磁铁下落过程中穿过闭合线圈，线圈中产生感应电流，条形磁铁克服阻力做功，机械能转化为内能。 例题 (3)火药爆炸产生燃气，子弹在燃气的推动下从枪膛发射出去，射穿一块钢板后，速度减小。 答案　 火药爆炸产生燃气，化学能转化为内能；子弹在燃气的推动下从枪膛发射出去，推力做功，内能转化为机械能；子弹射穿一块钢板后，速度减小，阻力对子弹做负功，机械能转化为内能。 例题 热力学第一定律 能量守恒定律 当系统内能增加时，ΔU取正值 外界对系统做功时，W取正值 外界对系统传递的热量，Q取正值 课堂小结 本课结束 Keep Thinking! $