第1节 热力学第一定律
第2节 能量的转化与守恒
学 习 目 标
知 识 脉 络
1.理解热力学第一定律．(重点)
2．会用ΔU＝W＋Q解决一些简单问题．(重点)
3．知道第一类永动机不可能制成．
4．了解能量守恒定律的发现过程．
5．理解能量的转化与守恒定律，会用能量的观点解释自然现象．(难点)
热 力 学 第 一 定 律
1．改变物体内能的两种方式
做功和热传递．
2．物体内能的改变
(1)如果物体与外界无热传递，若外界对物体做功，则物体的内能增加；若物体对外做功，物体的内能减少．
(2)如果物体既不对外做功，外界也不对物体做功，则物体吸收热量时，它的内能增加；物体放出热量时，它的内能减少．
3．热力学第一定律
(1)内容：物体内能的增加量ΔU，等于外界对物体所做的功W与物体从外界吸收的热量Q之和．
(2)表达式：ΔU＝W＋Q．
4．热力学第一定律的定义
(1)内能的变化必然伴随有做功或热传递．
(2)一切涉及热现象的宏观过程中，能量可以发生转移或转化，此过程中总能量守恒．
5．第一类永动机
(1)概念：不消耗任何能量而能永远对外做功的机器．
(2)结果
17～18世纪，人们提出了许多永动机设计方案，但都以失败而告终．
(3)原因
设想能量能够无中生有地创造出来，违背了热力学第一定律．
(4)启示
人类利用和改造自然时，必须遵循自然规律．
1．热量、功和内能三者单位相同，物理意义相同．(×)
2．热量和功由过程决定，而内能由物体状态决定．(√)
3．系统内能增加了100 J，可能是外界采用绝热方式对系统做功100 J，也可能是外界单纯地对系统传热100 J．(√)
有一种所谓的“全自动”机械手表，既不需要上发条，也不用任何电源，却能不停地走下去．这是不是一种永动机呢？如果不是，你知道维持表针走动的能量是哪儿来的吗？
图5-1-1
【提示】 不是永动机．能量是通过摆动手臂对表内的转轮做功而储存的．
探讨1：若物体的内能增加，一定是吸收了热量吗？
【提示】 不一定，因为做功和热传递都能改变物体的内能．
探讨2：物体的内能不变，能否说明外界既没有对物体做功，也没有发生热传递？
【提示】 不能．可能是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)．
1．对ΔU＝W＋Q的理解
热力学第一定律将单纯的绝热过程和单纯的热传递过程推广到一般情况，既有做功又有热传递的过程，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．
2．对公式ΔU、Q、W符号的规定
符号
W
Q
ΔU
正号
外界对物体做功
物体吸收热量
内能增加
负号
物体对外界做功
物体放出热量
内能减少
3.应用热力学第一定律解题的一般步骤
(1)首先选定研究对象是哪个物体或哪个热力学系统．
(2)根据符号法则写出各已知量(W、Q、ΔU)的正、负．
(3)根据方程ΔU＝W＋Q求出未知量．
(4)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．
4.判断气体做功正、负的方法
(1)若气体体积增大，表明气体对外界做功，W<0.
(2)若气体体积变小，表明外界对气体做功，W>0.
5.几种常见的气体变化过程
(1)绝热过程：过程是绝热的，则Q＝0，W＝ΔU，外界对气体做的功等于气体内能的增加．
(2)等容过程：在该过程中气体不做功，即W＝0，则Q＝ΔU，气体吸收的热量等于气体内能的增加．
(3)等温过程：在过程的始末状态，气体的内能不变，即ΔU＝0，则W＋Q＝0或W＝－Q，表示气体吸收的热量全部用来对外做功或外界对气体所做的功全部转换为热量放出．
1．下列过程，可能发生的是( )
A．物体吸收热量，对外做功，同时内能增加
B．物体吸收热量，对外做功，同时内能减少
C．外界对物体做功，同时物体吸热，内能减少
D．外界对物体做功，同时物体放热，内能增加
E．物体对外界做功，同时物体放热，内能增加
【解析】 根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，做功和热传递都可以改变物体的内能，故由此可确定A、B、D正确，C、E错误．
【答案】 ABD
2．景颇族祖先发明的点火器如图5-1-2所示，用牛角做套筒，木制推杆前端粘着艾绒，猛推推杆，艾绒即可点燃，对筒内封闭的气体，在此压缩过程中 ( )
图5-1-2
A．气体温度升高，压强不变
B．气体温度升高，压强变大
C．气体对外界做正功
D．外界对气体做正功
E．气体的内能增加
【解析】 压缩气体时，外界对气体做功，内能增加，温度升高，体积变小，压强增大，所以B、D、E正确．
【答案】 BDE
3．一定量的气体内能增加了3×105 J，
(1)若吸收了2×105 J的热量，则是气体对外界做功，还是外界对气体做功？做了多少焦耳的功？
(2)若气体对外界做了4×105 J的功，则是气体放热还是从外界吸热？放出或吸收的热量是多少？
【解析】 (1)由热力学第一定律ΔU＝Q＋W
得W＝ΔU－Q＝3×105 J－2×105 J＝1×105 J
外界对气体做功．
(2)由ΔU＝Q＋W得Q＝ΔU－W＝3×105 J－(－4×105 J)＝7×105 J
气体从外界吸热．
【答案】 (1)外界对气体做功 1×105 J
(2)气体从外界吸热 7×105 J
气体状态变化与物理量对应方法
(1)绝热过程：气体与外界没有热传递．
(2)导热良好：气体与外界有热交换，且与外界温度保持相同．
(3)体积减小，外界对气体做功；体积增大(不是对真空膨胀)，气体对外界做功．
(4)温度升高，理想气体的内能增加；温度降低，理想气体的内能减少．
能 量 的 转 化 与 守 恒
1．能量守恒定律的发现
(1)迈尔的发现
体力和体热必定来源于食物中的化学能，内能、化学能、机械能都是等价的，是可以相互转化的，如果动物体的能量输入与支出是平衡的，那么，所有这些形式的能在量上必定是守恒的．
(2)焦耳的研究
①确定了电能向内能转化的定量关系．
②用了近40年的时间，不懈地钻研热功转换问题，为能量守恒定律提供了无可置疑的证据．
(3)亥姆霍兹的贡献
从理论上把力学中的能量守恒原理推广到热、光、电、磁、化学反应等过程，揭示了它们之间的统一性．
2．能量守恒定律
(1)内容
能量既不会消失，也不会创生，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，而能量的总值保持不变．
(2)意义
揭示了自然科学各个分支之间的普遍联系，是自然界内在统一性的第一个有力证据．
(3)应用
①各种形式的能可以转化．但能量在转化过程中总伴有内能的损失．
②各种互不相关的物理现象，可以用能量守恒定律联系在一起．
1．某种形式的能量减少，一定存在其他形式的能量增加．(√)
2．某个物体的能量减少，必然有其他物体的能量增加．(√)
3．石子从空中落下，最后静止在地面上，说明能量消失了．(×)
焦耳对物质运动之间的关系的研究方法与迈尔有什么不同？
【提示】 焦耳是采用严格的定量实验分析方法，迈尔研究的范围比较广泛，但他采用的是定性研究的方法．
探讨1：能量守恒定律与机械能守恒定律的应用条件有什么不同？
【提示】 能量转化过程中能量总是守恒的，而机械能守恒的条件是只有重力(或系统内的弹力)做功．
探讨2：为什么说第一类永动机不能制成？
【提示】 因为第一类永动机违背了能量守恒定律．
1．对能量守恒定律的理解
(1)各种形式的能在转化和转移过程中总量守恒无需任何条件，而某种或几种形式的能的守恒是有条件的．例如：物体的机械能守恒，必须是只有重力或弹力做功．
(2)意义：能量守恒定律的发现，使人们进一步认识到，任何一部机器，只要对外做功，都要消耗能量，都只能使能量从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到其他物体，而不能无中生有地创造能量．不消耗能量，却可以源源不断地对外做功的机器(第一类永动机)是不可能制成的．
2．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U24．说出下列过程中是什么能量转化为内能．
(1)物体沿粗糙斜面下滑_________________________________________；
(2)变压器发热_______________________________________________；
(3)汽油机内气体燃烧后变成高温气体______________________________；
(4)车刀切下炽热铁屑__________________________________________．
【解析】 物体沿斜面下滑，克服摩擦力做功，机械能转化为内能；电流通过变压器线圈发热，电能转化为内能；气体(燃料)燃烧后变成高温气体，化学能转化为内能；车刀切下炽热的铁屑，克服摩擦力做功，机械能转化为内能．
【答案】 (1)机械能——内能 (2)电能——内能
(3)化学能——内能 (4)机械能——内能
5．风沿水平方向以速度v垂直吹向一直径为d的风车叶轮，设空气密度为ρ，风的动能有50%转化为风车的动能，风车带动水车将水提高h的高度，效率为80%.则单位时间内最多可提升的水的质量为__________.
【解析】 在时间t内吹在风车上的空气的质量为
m1＝πd2·vt·ρ，
风的动能Ek＝m1v2＝πd2v3tρ.
根据题意πd2v3tρ×50%×80%＝mgh，
则＝.
【答案】
应用能量守恒定律的思路方法
(1)能量守恒的核心是总能量不变，因此在应用能量守恒定律时应首先分清系统中哪些能量在相互转化，是通过哪些力做功实现的，这些能量分别属于哪些物体，然后再寻找合适的守恒方程式．
(2)在应用能量守恒定律分析问题时，应明确两点：
①哪种形式的能量减少，哪种形式的能量增加．
②哪个物体的能量减少，哪个物体的能量增加．
课件30张PPT。知识点一知识点二学业分层测评热 力 学 第 一 定 律 做功热传递增加减少增加减少等于做的功W吸收的热量QW ＋ Q做功热传递转移转化对外做功热力学第一定律能 量 的 转 化 与 守 恒 化学能相互转化守恒定量热功转换统一性消失创生转化转移保持不变普遍联系统一性内能能量守恒定律
