人教版（2019）选择性必修三 3.2 热力学第一定律、能量守恒定律 课件17张

(共17张PPT)
第二节 热力学第一定律
第三节 能量守恒定律
温故知新：
做 功：△U=W
改变内能的两种方式
热传递：△U=Q
外界对系统做功，系统内能增加
系统对外界做功，系统内能减小
系统从外界吸热，系统内能增加
系统向外界放热，系统内能减小
绝热过程
单纯热传递
注意：热量是在单纯热传递过程中系统内能变化的量度！
思考：系统对外界做功是如何实现的？
思考与讨论
汽缸内有一定质量的气体，若在压缩气体的同时给气缸加热，会有什么效果呢？
焦耳的实验表明：通过做功与热传递两种改变系统状态的方法是等价的。
关系式：△U = Q + W
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热量与外界
对它所做的功的和。
思考与讨论
问题一：若活塞与汽缸内壁间的摩擦忽略不计，给汽
缸加热，气体受热膨胀，分析该过程气体内
能变化情况？
问题二：汽缸加热至较高温度后，撤去热源，缸内气
体向外散热，同时将活塞向上提，分析该过
程气体内能变化情况？
问题三：综上分析功和热量取正负值的物理意义？
知识架构：
做 功：△U=W
改变内能的两种方式
热传递：△U=Q
外界对系统做功，系统内能增加
系统对外界做功，系统内能减小
W > 0
W < 0
系统从外界吸热，系统内能增加
系统向外界放热，系统内能减小
Q > 0
Q < 0
强化训练：
例：如图3.2-1，一台四冲程内燃机，活塞在压缩冲程某段时间内移动的距离为0.1 m，这段过程活塞对气体的压力逐渐增大，其做的功相当于2×10 N的恒力使活塞移动相同距离所做的功（图3.2-2甲）。内燃机工作时汽缸温度高于环境温度，该过程中压缩气体传递给汽缸的热量为25J。
（1）求上述压缩过程中气体内能的变化量。
（2）燃烧后的高压气体对活塞做功，气体推动活塞移动0.1m，其做的功相当于9×10 N的恒力使活塞移动相同距离所做的功（图3.2-2乙），该做功过程气体传递给汽缸的热量为 30 J，求此做功过程气体内能的变化量。
强化训练：
例：如图3.2-4，在汽缸内活塞左边封闭着一定量的空气，压强与大气压相同。把汽缸和活塞固定，使汽缸内空气升高一定的温度，空气吸收的热量为Q1。如果让活塞可以自由滑动（活塞与汽缸间无摩擦、不漏气），也使汽缸内空气温度升高相同温度，其吸收的热量为Q2。
（1）Q1和Q2哪个大些？
（2）气体在定容下的比热容与在定压下的比热容为什么会有不同？
强化训练：
例：奶牛的心脏停止跳动后，大约在1h 内体温由37.0℃降低到33.5℃。请你由此估算，在这种环境下饲养奶牛，要维持一个体重400kg奶牛的内能不变，每天喂养奶牛的食物至少要能为它提供多少热量？计算时，可以认为奶牛体内绝大部分是水。水的比热容c为4.2×10 J/（kg·℃）。
探索能量守恒定律的足迹
中国的永动机：
探索能量守恒定律的足迹
一、人类对能量的认识
能量的概念是人类在对物质运动规律进行长期探索中建立起来的。所有自然现象都涉及能量，人类的任何活动都离不开能量。
（1）例举生活中不同形式的能量
风能
水能
光能
电能
不同形式的运动都可以用能量来描述
可以用能量的观念把热、电、光、磁等都统一起来描述
描述热运动的内能
描述机械运动的机械能
描述光辐射的光能
描述电现象的电能
探索能量守恒定律的足迹
（2）各种形式的能量之间可以相互转化
电能与磁能的转化
电能与内能的转化
电和磁可以相互转化
热和电也可以相互转化
在认识自然的进程中，科学家慢慢知道了要用联系的观点去观察自然。
机械能的各种形式之间可以相互转化
探索能量守恒定律的足迹
（3）人类对能量转化的研究历程
机械能转化为内能
电场能转化为磁场能
内能转化为电能
磁场能转化为电能
探索能量守恒定律的足迹
（4）能量守恒观念的形成历程
俄国化学家盖斯：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。表明一个系统（即参加化学反应的几种物质）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。
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。
德国医生迈尔通过比对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）守恒”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。
德国科学家亥姆霍兹在不了解迈尔和焦耳研究的情况下，从永动机不可能制成这一事实出发，考察了自然界不同的“力”（指能量）之间的相互关系，提出了“张力”（即势能）与“活力”（即动能）的转化。他还分析了在电磁现象和生物机体中能量的守恒问题。
永动机不可能制成
如此循环往复。可见，正是因为小鸭头部“饮水”后水不断蒸发，吸收了察觉不到的空气的热量，才使小鸭能够持续工作下去。
小鸭的头和身由两个玻璃球构成，并通过细玻璃管相连。下球盛有一些乙醚，上球连同尖嘴被吸水毛毡包起来。
1.饮水小鸭的结造
2.饮水小鸭的工作原理
（2）小鸭头部的毛毡“饮水”后，水蒸发吸热，导致头部温度降低。上段玻璃管中的乙醚蒸气被液化，压强减小，液柱上升，小鸭重心上移，直到小鸭倾倒。头部被浸湿；
（1）外力使小鸭处于倾倒位置后立即撤去外力
①头部被浸湿；
②上下玻璃球内的气体相通，压强相等，乙醚流回下玻璃球内，重心下移，小鸭站立。
永动机不可能制成
1.永动机：不消耗任何能量，却可以源源不断地对外做功，这种机器叫永动机。
（人们把这种不消耗能量的永动机叫第一类永动机）
2.历史上的永动机：
螺旋永动机
达·芬奇
滚球永动机
马尔基斯
17 18世纪，许多人致力于制造一种机器，它不需要任何动力或燃料，却能不断地对外做功，史称“第一类永动机”。图展示了其中的一种设计。然而，为此目的的任何尝试都失败了。这是为什么呢？
永动机不可能制成
2.历史上的永动机：
螺旋永动机
弗拉德
磁力永动机
泰斯尼尔斯
任何动力机械的作用都是把其他形式的能转化为机械能。内燃机把燃料的化学能转化为燃气的内能然后再转化为机械能，电动机把电能转化为机械能......如果没有燃料、电流或其他动力的输入，能量从哪里来呢！
永动机的思想违背了能量守恒定律，所以是不可能制成的。
科学漫步
探索热的本质：“热是什么？”
热动说
VS
热质说
培根、波意耳、笛卡尔、胡克、牛顿、伯努利、罗蒙诺索夫等根据摩擦生热等现象，认为热是粒子的剧烈运动而发热，但缺乏足够的证据。
认为热是一种流质，可以解释大部分热学现象，如：温度变化、热传递、热膨胀等。
伦福德炮筒镗孔实验
焦耳的定量实验
戴维的实验
Win！
思考：请根据热动说从微观上解释热传递现象的本质与途径？