3.1 热力学第一定律 3.2 能量守恒定律 课件-2026-2027学年高二下学期物理教科版选择性必修第三册

第三章　热力学定律 热力学第一定律 能量守恒定律 1．用火烧 2．太阳晒 3．用手焐... 4．用手搓 5．在地上摩擦 6．反复弯折... 一根铁丝，怎样使它的内能增加？ 热传递 做功 功、热量与内能之间有什么定量关系吗？ 导入 2 知道什么是第一类永动机及其不可能制成的原因 1 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 重难点 3 理解并会运用能量守恒定律解决实际问题 热力学第一定律 一 4 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，可以观察到什么现象？为什么？ 外界对筒内气体做功 气体内能增加，温度升高 达到硝化棉的燃点 硝化棉燃烧 功和内能 系统与外界之间没有热量交换，只通过外界做功的方式与外界交换能量 系统内能的增加量=外界对系统做的功 ΔU=W W和ΔU的正负：如果系统对外界做功，这时W取负值，ΔU也为负值，表示内能减少。 广口玻璃瓶内装少量水，水面上方有无色的水蒸气，用带孔的橡皮塞塞住瓶口，给瓶内打气，当瓶塞“砰”地弹出时，观察瓶内的变化，并解释原因。 瓶塞弹出，出现水雾，瓶内空气温度降低 瓶内空气膨胀对瓶塞做功，空气内能减小 ΔU=W 若系统对外界做功，W取负值，ΔU也为负值，表示内能减少。 热和内能 外界没有对系统做功，只通过与外界交换热量的方式与外界交换能量 系统内能的增加量=系统从外界吸收的热量 ΔU=Q 若系统向外界放热，Q取负值，ΔU也为负值，表示内能减少。 等温过程 始末状态一定质量理想气体（分子势能忽略）的内能不变 外界对系统做的功=系统放出的热量 W= -Q Q= -W 系统吸收的热量=系统对外界做的功 热力学第一定律 在系统跟外界同时发生做功和热传递的过程中，系统内能的增加量ΔU 等于系统从外界吸收的热量 Q 与外界对系统做功 W 之和。 ΔU = Q + W 应用表达式ΔU=W+Q解题时应注意各量的正负： ①ΔU的正负：当系统内能增加时，ΔU取 值，当系统内能减小时，ΔU取 值。(均选填“正”或“负”) ②W的正负：外界对系统做功时，W取 值；系统对外界做功时，W取 值。(均选填“正”或“负”) ③Q的正负：外界向系统传递热量时，Q取 值；系统向外界传递热量时，Q取 值。(均选填“正”或“负”) 正 负 正 负 正 负 (1)第一类永动机：不需要任何动力和燃料，能持续不断地 的机器。 (2)第一类永动机由于违背了 ，所以不可能制成。 对外做功 热力学第一定律 第一类永动机不可能制成 放水过程车胎内气体体积增大，气体对外做功 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。 气体分子的平均动能不变，内能不变 故车胎内气体吸热。 ΔU = Q + W = 0 > 0 < 0 讨论交流 20 世纪20 年代，德国发行了一张关于“第一类永动机”的明信片“拿爱因斯坦开玩笑”，这张明信片上的内容是用磁铁的吸引力来牵引车子前行，试图制造永动机。这种“永动机”能实现吗？ 第一类永动机不可能制成，违背了热力学第一定律。 不需要任何动力和燃料，能持续不断地对外做功的机器 故物体一定会从外界吸收热量。 ΔU = Q + W 物体对外做功 物体做功后回到原来的状态 = 0 > 0 < 0 (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.(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？ (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？ 答案　(1)增加　1.0×105 J　 (2)吸热　2.6×105 J 例题 (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。 (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。 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。 总结提升 2.(多选)某汽车机舱盖的支撑杆由气缸和活塞组成。打开机舱盖时，气缸内密闭气体膨胀，将机舱盖顶起。在此过程中，气缸内气体可视为理想气体，忽略缸内气体与外界的热交换。对于气缸内的气体，下列说法正确的是 A.压强减小 B.内能减小 C.分子势能减小 D.平均动能减小 √ √ √ 例题 1.功与内能的区别 (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。 2.判断是否做功及做功正负的方法 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。 总结提升 3.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 等压变化过程，用公式W=pΔV计算 等压变化过程中，气体压强不变，气体对活塞的压力F=pS，为恒力，由恒力做功的公式W=Fs可得W=pSs=pΔV，即气体做的功与气体的压强p和气体体积的变化量ΔV有关。 P-V 图像面积表示功。 总结提升 能量守恒定律 二 23 导入 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 转化 为其他形式，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。 某种形式的能的减少量=其他形式的能的增加量 某个物体的能的减少量=其他物体的能的增加量 (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。 热力学第一定律与能量守恒定律的比较 总结提升 (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.第19届亚运会于2023年9月23日晚在杭州盛大开幕。此次亚运会开幕式将实体烟花燃放改成电子烟花表演展示，通过数字技术、光学投影等展现烟花绽放场景，传递出中国绿色低碳环保且负责任的发展中大国形象。以下说法正确的是 A.能量在使用过程中总量保持不变，故不需要节约用电，可尽情燃放电 子烟花 B.不断开发新能源，发展新技术，是缓解能源危机、加强环境保护的重 要手段 C.电子烟花技术将电能全部转化为光能和内能，过程中不存在能量耗散 D.相比于传统烟花，使用电子烟花完全无污染 √ 例题 热力学第一定律 转化或转移过程中，能量的总量保持不变 ΔU= Q+ W 能量守恒定律 当系统内能增加时，ΔU > 0 外界对系统做功时，W > 0 系统从外界吸收热量，Q > 0 各值的正负 根据热力学第一定律ΔU=Q+W可知，气体将机舱盖顶起，即气体对外做功，W<0，而忽略缸内气体与外界的热交换，则Q=0，因此可知ΔU<0，即气体的内能减小，而对于一定量的理想气体而言，内能减小则温度降低，而温度又是衡量气体分子平均动能的标志，温度降低则分子平均动能减小，故B、D正确；根据以上分析，由理想气体状态方程=C可知，气缸内密闭气体膨胀，即气体的体积增大，同时气体温度降低，因此可知缸内气体的压强一定减小，故A正确；气缸内气体可视为理想气体，而理想气体不考虑分子势能，认为分子 势能始终为零，故C错误。 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，等压变化过程气 体对外做的功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。 能量在使用过程中虽然总量保持不变，但品质越来越差，即可利用率越来越低，所以必需节约能源，故A错误； 不断开发新能源，发展新技术，是缓解能源危机、加强环境保护的重要手段，选项B正确； 电子烟花技术不能将电能全部转化为光能和内能，过程中也存在能量耗散，选项C错误； 相比于传统烟花，使用电子烟花污染较少，但也不是完全无污染，选项D错误。 Keep thinking $