《学霸笔记 同步精讲》第3章 热力学定律 1.热力学第一定律　2.能量守恒定律（课件）高中物理教科版选择性必修3

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1.热力学第一定律　2.能量守恒定律
第三章
2026
课 标 定 位
1.了解焦耳的两个实验的原理,知道热传递的实质。
2.能够从能量守恒的观点理解热力学第一定律,会利用热力学第一定律分析有关问题。
3.理解能量守恒定律,知道它是自然界普遍遵循的基本规律。
4.会用能量守恒定律分析计算有关问题。
5.知道什么是第一类永动机,以及知道第一类永动机不可能制成的原因。
素 养 阐 释
物理观念:热力学第一定律,能量守恒定律。
科学思维:等效思想、类比法理解能量守恒定律。
科学探究:焦耳的实验探究。
科学态度与责任:通过能量守恒定律的学习,认识自然规律的多样性和统一性。
内容索引
01
02
03
自主预习·新知导学
合作探究·释疑解惑
课 堂 小 结
04
随 堂 练 习
自主预习·新知导学
一、热力学第一定律
1.焦耳的实验。
(1)绝热过程: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的过程。
(2)代表性实验
①过程:重物下落带动叶片搅拌容器中的水,引起水温上升。
现象:只要重力做功相等,水温升高相等,系统内能的变化相同。
结论:在热力学的绝热过程中,系统内能的增加量等于外界对系统所做的功。
表达式:ΔU=W。
②过程:重物下落带动发电机发电,通过电流的热效应使容器中的水温升高。
现象:只要产生的电热相等,系统升高的温度相等,系统内能的变化相同。
结论: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 。
表达式:ΔU=Q。
2.热力学第一定律。
(1)内容:系统的内能的增加量ΔU等于系统从外界吸收的热量Q与外界对系统所做的功W之和。
(2)表达式:ΔU=Q+W。
3.第一类永动机不可能制成。
(1)第一类永动机:不需任何动力和燃料,能持续不断地对外做功的机器。
(2)第一类永动机不可制成的原因:违背了热力学第一定律。
4.焦耳的两个实验分别代表哪几种能量之间的转化
提示:实验1是机械能向内能的转化,实验2是电能向内能的转化。
二、能量守恒定律
1.能量守恒定律的探索历程:17世纪,笛卡尔、莱布尼兹都提出运动中守恒的量→18世纪,蒸汽机的普遍使用证明内能可以转化为机械能→18世纪末到19世纪初,电磁学、光学、化学、生物学的发展,使人们进一步认识到不同形式的能都可以相互转化。
2.关键人物:迈尔提出能量守恒的观点→焦耳精确地测定了热与功间的定量关系→亥姆霍兹在理论上概况和总结能量守恒定律。
3.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。
4.意义:
(1)对提高蒸汽机的性能、电机与内燃机的研制及改进起到了重要的指导作用。
(2)将不同领域联系起来,为科学工作者提供了共同语言。
(3)为科学研究提供了方便。
三、节约能源
可持续发展
(1)定义:指既满足当代人的需求,又不对后代人满足其自身需求的能力构成危害的发展。
(2)基本思想:
①鼓励经济增长,但要改变“高投入、高消耗、高污染”的生产模式和消费模式;
②利用科学技术及社会力量节约资源(含能源),大力发展资源的循环使用;
③利用科学技术,寻找新能源及开拓新的资源。
【思考讨论】
1.判断下列说法的正误。
(1)做功可以改变物体的内能。(　　)
(2)做功改变内能的过程实际上是机械能转化为内能的过程。(　　)
(3)“钻木取火”是内能转化为机械能。(　　)
(4)对绝热系统做功越多,系统内能增加量越多。(　　)
(5)外界对物体做功10 J,同时吸收10 J的热,则内能增加20 J。(　　)
√
×
√
√
√
2.下图是热传递的三种方式——传导、对流和辐射。
(1)这三种方式在传递能量时有什么共同点
(2)热传递和做功都可以改变物体的内能,这两种方式在改变物体内能时本质上又有什么不同
提示:(1)三种方式都是热量从一个物体传递到另外一个物体。
(2)热传递是内能在物体间转移,做功是其他形式的能和内能之间的转化。
合作探究·释疑解惑
知识点一
热力学第一定律
【问题引领】
(1)如图(a)所示,该实验为做机械功改变系统状态的焦耳实验,该实验是一个与外界没有热量交换的实验,如果外界对物体做的功为W(物块重力所做的功),则它的内能怎样改变 变化了多少
(2)图(b)为做电功改变系统状态的实验,该系统没有外界对其做功,如果电流对液体做的功(电阻发热)为Q,它的内能怎样变化 变化了多少
(3)如果某一过程中,物体跟外界同时发生了做功和热传递,那么,该物体内能的变化ΔU与交换的热量Q及做的功W之间又满足怎样的关系呢
提示:(1)一个物体,如果它既没有吸收热量也没有放出热量,那么外界对它做功为W,内能增加量为W。
(2)如果外界没有对系统做功,当物体从外界吸收热量Q,则内能的增加量
为Q。
(3)ΔU=W+Q。该式表示的是功、热量跟内能改变之间的定量关系。
【归纳提升】
1.符号法则
热力学第一定律的数学表达式也适用于物体对外做功、向外界散热和内能减少的情况,为了区别以上两种情况,在应用ΔU=Q+W进行计算时,它们的正、负号规定如下:
(1)外界对系统做功,W>0,即W为正值;系统对外界做功,也就是外界对系统做负功,W<0,即W为负值。
(2)外界对系统传递热量,也就是系统从外界吸收热量,Q>0,即Q为正值;外界从系统吸收热量,也就是系统向外界放出热量,Q<0,即Q为负值。
(3)系统内能增加,ΔU>0,即ΔU为正值;系统内能减少,ΔU<0,即ΔU为负值。
2.热力学第一定律的几种典型应用
(1)若过程是绝热的,即Q=0,则W=ΔU,外界对物体做的功等于物体内能的增加量。
(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量。
(3)若过程中物体的始、末内能不变,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。
3.第一类永动机失败的原因分析
如果没有外界热源供给热量,则有U2-U1=W,就是说,如果系统内能减少,即U2【典型例题】
【例题1】 若将气泡内的气体视为理想气体,气泡从湖底缓慢上升到湖面的过程中,对外界做了0.6 J的功,(设湖水各处的温度相等且保持不变)
(1)气泡上升过程中吸收的热量是多少
(2)气泡到达湖面后,由于太阳的照射,在温度上升的过程中又对外界做了0.1 J的功,同时吸收了0.3 J的热量,则此过程中,气泡内气体内能增加了多少
答案:(1)0.6 J　(2)0.2 J
解析:(1)气体温度不变,内能不变,由热力学第一定律ΔU=Q+W,则Q=ΔU-W=0-(-0.6 J)=0.6 J。
(2)由热力学第一定律得ΔU=Q+W=0.3 J+(-0.1 J)=0.2 J,内能增加0.2 J。
应用热力学第一定律解题的思路与步骤
(1)首先应明确研究对象是哪个物体或者是哪个热力学系统。
(2)分别列出物体(或系统)吸收或放出的热量;外界对物体(或系统)所做的功或物体(或系统)对外所做的功。
(3)根据热力学第一定律ΔU=Q+W列出方程进行求解。
(4)特别注意的就是物理量的正负号及其物理意义。
【变式训练1】 若某种理想气体初态时具有200 J内能,膨胀过程中对外做功50 J,同时吸收了30 J的热量,则气体末状态的内能为(　　)
A.280 J B.230 J C.220 J D.180 J
答案:D
解析:由热力学第一定律ΔU=U2-U1=W+Q,结合符号法则及其物理意义有W=-50 J,Q=30 J,故ΔU=W+Q=-50 J+30 J=-20 J,因而内能减小了20 J,末动能U2=180 J,故D正确,A、B、C错误。
【问题引领】
知识点二
能量守恒定律、能源
(1)不耗油的汽车能不能制成,为什么 不消耗能量的汽车呢
(2)下图是18世纪人们发明的各种不同形式的“永动机”,现在这些“永动机”只能在博物馆中看到了,警示人们不要再做这方面的工作,试分析“永动机”不能成功的原因。
提示:(1)前者能制成而后者不能制成。这是因为可以用太阳能、电能等能源代替石油能源制造出太阳能汽车、电动汽车等,但是不消耗任何能量的汽车不可能制成,因为它违背能量守恒定律。
(2)永动机违背了能量守恒定律。
【归纳提升】
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,还有诸如电磁能、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。
【典型例题】
【例题2】 右图为冲击摆实验装置,一质量为m的子弹以v0射入质量为m'的沙箱后与沙箱合为一体,共同摆起一定高度h,则整个过程中子弹和沙箱由于相互作用所产生的内能为多少 (不计空气阻力,重力加速度为g)
【变式训练2】 某抽水蓄能电站分为上水库和下水库。上水库蓄水之后,湖面面积2.8×105 m2,下水库湖面面积2.55×107 m2,上、下水库湖面落差590 m,两水库之间用倾斜输水管道及水平支管相连。某次上水库放水发电,上水库湖面下降10 m。若水电站发电效率为65%,假定湖面面积没变化,则该次电站的发电量大约为(　　)
A.1×102 kW·h B.2×104 kW·h
C.3×106 kW·h D.3×108 kW·h
答案:C
解析:从上水库流到下水库的水的质量m=ρV=ρS上水库Δh
由能量守恒定律得mgHη=E
上水库湖面下降Δh=10 m
上、下水库湖面落差H=590 m
1 kW·h=1 000×3 600 J=3.6×106 J
代入数据解得E=3×106 kW·h,故C正确,A、B、D错误。
课 堂 小 结
随 堂 练 习
1.(热力学第一定律)在热力学第一定律的表达式ΔU=W+Q中,关于ΔU、W、Q各个物理量的正、负,下列说法正确的是(　　)
A.外界对物体做功时W为正,吸热时Q为负,内能增加时ΔU为正
B.物体对外界做功时W为负,吸热时Q为正,内能增加时ΔU为负
C.物体对外界做功时W为负,吸热时Q为正,内能增加时ΔU为正
D.外界对物体做功时W为负,吸热时Q为负,内能增加时ΔU为负
答案:C
解析:根据公式ΔU=W+Q中的符号法则知选项C正确。
2.(能量守恒定律)(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.汽车刹车后停止,汽车的动能消失了
答案:ABC
解析:不同形式的能量间的转化,转化过程中能量是守恒的,A正确。能量在不同的物体间发生转移,转移过程中能量是守恒的,B正确。第一类永动机是不可能制成的,它违背了能量守恒定律,C正确。能量守恒定律表明能量既不会凭空产生,也不会凭空消失,D错误。
3.(热力学第一定律)一定质量的气体膨胀对外做功100 J,同时对外放热40 J,气体内能的增量ΔU是(　　)
A.60 J B.-60 J
C.-140 J D.140 J
答案:C
解析:由热力学第一定律得ΔU=W+Q=-100 J-40 J=-140 J,C项正确。
4.(第一类永动机)(多选)下列关于第一类永动机的说法正确的是(　　)
A.第一类永动机是不消耗任何能量却能源源不断地对外做功的机器
B.第一类永动机不能制成的原因是违背了热力学第一定律
C.第一类永动机不能制成的原因是技术问题
D.第一类永动机不能制成的原因是暂时找不到合理的设计方案
答案:AB
解析:第一类永动机是不消耗任何能量却能源源不断对外做功的机器,这是人们的美好愿望,但它违背了热力学第一定律,这也是它不能制成的原因,故A、B正确,C、D错误。
5.(热力学第一定律)一定质量的气体,从外界吸收了500 J的热量,同时对外做了100 J的功,物体的内能是增加还是减少 变化了多少
答案:增加 400 J
解析:气体从外界吸收的热量Q=500 J,气体对外界做的功W=-100 J,由热力学第一定律得ΔU=Q+W=500 J+(-100 J)=400 J,ΔU为正,说明气体内能增加了400 J。