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

(共31张PPT)
2.热力学第一定律
3.能量守恒定律
第三章
2026
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
课标定位
素养阐释
1.理解和掌握热力学第一定律表达式,并能用于分析有关问题并进行具体的计算。
2.理解和掌握能量守恒定律,明确该定律的重要意义。
1.通过学习热力学第一定律,培养科学探究和交流的意识。
2.通过学习能量守恒定律,用该定律解释自然现象,培养科学态度和责任。
自主预习 新知导学
一、热力学第一定律
1.改变内能的两种方式。
做功和热传递。
2.热力学第一定律。
(1)内容: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。
(2)表达式:ΔU=Q+W 。
(3)如何判断理想气体内能的变化 气体被压缩说明了怎样的做功情况
答案：理想气体的内能只与温度有关,可以根据气体温度的变化来判断,如果知道气体的做功和热传递情况也可以通过热力学第一定律来判断。气体被压缩说明了外界对气体做正功。
二、能量守恒定律
1.能量守恒定律内容。
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 。
2.意义。
各种形式的能可以 相互转化 。
3.石子从空中落下,最后停止在地面上,机械能消失了吗
答案：没有。石子下落过程中机械能在转化,比如石子受到空气阻力作用,机械能减小,但机械能并没有消失,而是转化成了其他形式的能量。
三、永动机不可能制成
1.永动机:不需要任何动力或燃料,却能不断地对外做功的机器。
2.不可能制成的原因:违背了能量守恒定律。
【思考讨论】
1.判断下列说法的正误。
(1)各种能量之间可以转移或转化,但总量保持不变。(　　)
(2)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。(　　)
(3)第一类永动机不能制成,是因为它违背了能量守恒定律。(　　)
(4)能量既可以转移又可以转化,故能量的总量是可以变化的。(　　)
(5)ΔU=W+Q,该式表示的是功、热量与内能改变之间的定量关系,在物理学中叫作热力学第一定律。(　　)
√
√
√
×
×
2.右图是一定质量的理想气体从状态A经B至C的p- 图像,则在此过程中
(　　)
A.气体的内能改变
B.气体的体积增大
C.气体向外界放热
D.气体对外界做功
解析：由图像可知该气体发生等温变化,故气体的内能不变,ΔU=0;但气体的体积在减小,故外界对气体做功, W>0;由热力学第一定律ΔU=W+Q可知,Q<0,气体向外界放热,C正确。
C
3.快速推动活塞对汽缸内气体做功10 J,气体内能改变了多少 若保持气体体积不变,外界对汽缸传递10 J 的热量,气体内能改变了多少 能否说明10 J的功等于10 J的热量

答案：无论外界对气体做功10 J,还是外界向气体传递10 J的热量,做功和热传递在改变物体内能上是等效的,气体内能都增加了10 J。功是系统能量改变的量度,热量是由于系统与周围环境之间存在温度的差异而转移的能量,二者具有本质区别,不能说明10 J的功等于10 J的热量。
合作探究 释疑解惑
知识点一
对热力学第一定律的理解
【问题引领】
如图所示,一定质量的理想气体由a状态变化到b状态,请在图像基础上思考以下问题:

(1)在变化过程中气体对外界做功,还是外界对气体做功
(2)在变化过程中气体吸热,还是放热 气体内能增加了,还是减少了
提示:(1)气体对外界做功。(2)吸热;内能增加。
【归纳提升】
1.对公式ΔU=Q+W符号的规定
2.几种特殊情况
(1)绝热过程:Q=0,则ΔU=W,物体内能的增加量等于外界对物体做的功。
(2)等容过程:该过程中不做功,即W=0,则ΔU=Q,物体内能的增加量等于物体从外界吸收的热量。
(3)(气体)等温过程:过程的始末状态物体的内能不变,即ΔU=0,则 W=-Q(或Q=-W),外界对物体做的功等于物体放出的热量(或物体吸收的热量等于物体对外界做的功)。
3.判断是否做功的方法
一般情况下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。
画龙点睛 热力学第一定律是将单纯的绝热过程和单纯的传热过程中内能改变的定量表达推广到一般情况,既有做功又有传热的过程,其中ΔU表示内能改变的数量,W表示做功的数量,Q表示外界与物体间传递的热量。
【典型例题】
【例题1】 一定质量的气体在某一过程中,外界对气体做了8×104 J的功,气体的内能减少了1.2×105 J,则下列各式正确的是(　　)
A.W=8×104 J,ΔU=1.2×105 J,Q=4×104 J
B.W=8×104 J,ΔU=-1.2×105 J,Q=-2×105 J
C.W=-8×104 J,ΔU=1.2×105 J,Q=2×104 J
D.W=-8×104 J,ΔU=-1.2×105 J,Q=-4×104 J
解析：因为外界对气体做功,W取正值,即W=8×104 J;内能减少,ΔU取负值,即ΔU=-1.2×105 J;根据热力学第一定律ΔU=W+Q,可知Q=ΔU-W= -1.2×105 J-8×104 J=-2×105 J,B正确。
B
科学思维 应用热力学第一定律解题的一般步骤
1.根据题意写出各已知量(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热、放热情况或做功情况。
【变式训练1】如图所示,密封的矿泉水瓶中,距瓶口越近水的温度越高。一开口向下、导热良好的小瓶置于矿泉水瓶中,小瓶中封闭一段空气,小瓶内的空气可视为理想气体。挤压矿泉水瓶,小瓶下沉到底部;松开后,小瓶缓慢上浮。上浮过程中,小瓶内气体(　　)
A.内能减少
B.对外界做正功
C.增加的内能大于吸收的热量
D.增加的内能等于吸收的热量
B
解析:越靠近瓶口水的温度越高,则小瓶上升靠近瓶口的过程中气体的温度升高,由一定质量的理想气体的内能仅仅与温度有关,可知小瓶内气体的内能增加,A错误。小瓶上升的过程中瓶内气体下侧到水面的高度差减小,则瓶内气体的压强减小,由理想气体的状态方程 可知,小瓶上升的过程中瓶内气体的体积一定增大,则小瓶内气体对外界做正功,B正确。气体的内能增加,则ΔU为正,气体对外做功,则W为负,根据热力学第一定律ΔU=Q+W,可知气体增加的内能小于气体吸收的热量,C、D错误。
【问题引领】
知识点二
能量守恒定律
有一种机械手表,既不需要上发条,也不用任何电源,表针却能不停地转动。这是不是一种永动机 如果不是,维持表针转动的能量是从哪儿来的
提示:这不是永动机。机械手表戴在手腕上,通过手臂的运动,机械手表获得能量,供表针转动。若将此机械手表长时间放置不动,它就会停下来。
【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。
(2)各种形式的能,通过某种力做功可以相互转化。
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。
画龙点睛 热力学第一定律说明了做功和热传递是系统内能改变的量度,没有做功和热传递就不可能实现能量的转化或转移,同时也进一步揭示了能量守恒定律。
【典型例题】
【例题2】 如图所示,一个质量为20 kg的绝热汽缸竖直放置,绝热活塞的质量为5 kg,处于静止状态时被封闭气体的高度为50 cm,现在在活塞上方加一质量为15 kg的物体,待稳定后,被封闭气体的高度变为40 cm。在这一过程中气体的内能增加多少 g取10 m/s2,忽略大气压力及摩擦阻力的影响。

答案：20 J
解析：由能量守恒定律可知,内能的增加量等于活塞和物体重力势能的减少量。ΔU=ΔE=(m1+m2)gh=(15+5)×10×(50-40)×10-2 J=20 J。
科学思维 利用能量守恒定律解决问题时,首先应明确题目中涉及哪几种形式的能量,其次分析哪种形式的能量增加了,哪种形式的能量减少了,确定研究的系统后,用能量守恒定律求解。
【变式训练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.汽车刹车后停止,汽车的动能消失了
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创生,也不会凭空消失,D错误。
ABC
课堂小结
随堂练习
1.(做功与热传递)如图所示,给旱区送水的消防车停于水平地面。在缓慢放水的过程中,若车胎不漏气,胎内气体温度不变,不计分子间势能,则胎内气体(　　)　　　　　　　　　　　　　　　　
A.从外界吸热
B.对外界做负功
C.分子平均动能减小
D.内能增加
解析：缓慢放水过程中,胎内气体压强减小,气体膨胀对外界做正功,选项B错误。胎内气体温度不变,故分子平均动能不变,选项C错误。由于不计分子间势能,气体内能只与温度有关,温度不变,内能不变,选项D错误。由ΔU=W+Q知ΔU=0,W<0,故Q>0,气体从外界吸热,选项A正确。
A
2.(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
解析：由热力学第一定律得ΔU=W+Q=-100 J-40 J=-140 J,C项正确。
C
3.(对热力学第一定律表达式的理解)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
解析：根据公式ΔU=W+Q判断吸热、放热和做功情况, C正确。
C