鲁科版（2019）高中物理 选择性必修第三册 第3章 第1节 热力学第一定律和第2节 能量的转化与守恒课件 35 张PPT

课标要求
1.知道热力学第一定律。
2.通过有关史实，了解热力学第一定律和能量守恒定律的发现过程，体会科学探索中的挫折和失败对科学发现的意义。
3.理解能量守恒定律，能用能量守恒的观点解释自然现象。
4.体会能量守恒定律是最基本、最普遍的自然规律之一。
5.通过自然界中宏观过程的方向性，了解热力学第二定律。
第1节　热力学第一定律
第2节　能量的转化与守恒
核心素养
物理观念
科学思维
科学态度与责任
1.理解热力学第一定律。
2.会用ΔU＝W＋Q解决一些简单问题。
3.知道第一类永动机不可能制成。
4.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。
正确判断公式ΔU＝W＋Q中各物理量的正负，并能解决相关问题。
了解能量守恒定律的发现过程，体会科学理论对科技发展的指导作用。
知识点一　热力学第一定律
[观图助学]
观察上图回答，钻木取火是通过什么方式改变木头的内能？用天然气烧水时，又是通过什么方式改变水的内能？
1.改变物体内能的两种方式： 和 。
2.功、热量和内能改变的关系
(1)如果一个物体既不吸热也不放热，那么，当外界对它做功时，物体内能____________，且增加量 外界做的功；当物体对外界做功时，物体内能 ，且减少量 物体做的功。
(2)如果一个物体既不对外界做功，外界也不对它做功，那么当物体从外界吸热时，物体内能 ，其增加量 吸收的热量；当物体向外放热时，物体内能 ，其减少量 放出的热量。
做功
热传递
增加
等于
减少
等于
增加
等于
减少
等于
3.热力学第一定律
(1)内容
如果物体与外界之间同时存在做功和热传递的过程，那么物体内能的改变量ΔU等于外界对物体 与物体从外界 之和。
(2)表达式：ΔU＝
4.第一类永动机
(1)概念：不消耗任何能量而能永远 的机器。
(2)结果：17～18世纪，人们提出了许多永动机设计方案，但无一例外，这类设计方案都以 而告终。
(3)原因：设想能量能够无中生有地创造出来，违背了 。
所做的功W
吸收的热量Q
Q＋W
对外做功
失败
能量守恒定律
[思考判断]
(1)外界对系统做功，系统的内能一定增加。( )
(2)系统内能增加，一定是系统从外界吸收热量。( )
(3)系统从外界吸收热量5 J，内能可能增加5 J。( )
×
×
√
知识点二　能量的转化与守恒
[观图助学]
忽略阻力的情况下，过山车和滚摆运动过程中，能量如何转化，机械能是否守恒？若阻力不能忽略，运动逐渐停止，是不是能量消失了？
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 ，内能、化学能、机械能都是等价的，是可以 的，如果动物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 的。
(2)焦耳的研究
①1840年，焦耳通过实验得出了焦耳定律，从而给出了电能向内能转化的______关系，为发现普遍的能量守恒定律打下了基础。
②焦耳用了近40年的时间，不懈地钻研 问题，为能量守恒定律提供了无可置疑的证据。
化学能
相互转化
守恒
定量
热功转换
(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 。
2.能量守恒定律
(1)内容
能量既不会 ，也不会 ，它只能从一种形式 为其他形式，或者从一个物体 到其他物体，而能量的总值 。
(2)意义
揭示了自然科学各个分支之间的 ，是自然界内在 的第一个有力证据。
统一性
消失
创生
转化
转移
保持不变
普遍联系
统一性
[思考判断]
(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。( )
√
√
×
[问题探究]
核心要点
热力学第一定律的理解和应用
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。
答案　由于车胎内气体温度不变，故气体分子的平均动能不变，内能不变。放水过程中气体体积增大，对外做功，由热力学第一定律可知，车胎内气体吸热。
[探究归纳]
1.内能和热量
(1)内能是由系统的状态决定的，状态确定，系统的内能也随之确定。要使系统的内能发生变化，可以通过热传递和做功两种方式来完成。
(2)热量是热传递过程中的特征物理量，热量只是反映物体在状态变化过程中所转移的能量，是用来衡量物体内能变化的，有过程，才有变化，离开过程，毫无意义。
(3)对某一状态而言，只有“内能”，根本不存在“热量”和“功”。不能说一个系统中含有多少热量。
2.热力学第一定律的理解
(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)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。
[经典示例]
[例1] 空气压缩机在一次压缩中，活塞对空气做了2×105 J的功，同时空气的内能增加了1.5×105 J，这一过程中空气向外界传递的热量是多少？
解析　选择被压缩的空气为研究对象，根据热力学第一定律有ΔU＝W＋Q。
由题意可知W＝2×105 J，ΔU＝1.5×105 J，代入上式得
Q＝ΔU－W＝1.5×105 J－2×105 J＝－5×104 J。
负号表示空气向外释放热量，即空气向外界传递的热量为5×104 J。
答案　5×104 J
规律总结　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。
[针对训练1] 下列过程不可能发生的是(　　)
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
解析　物体吸收热量Q＞0, 对外做功W＜0，由ΔU＝W＋Q可知内能U可能增加，也可能减少，故A、B都可能发生；外界对物体做功W＞0，同时吸热Q＞0，则内能U必增大，故C不可能；外界对物体做功W＞0，同时放热Q＜0，U可能增加，也可能减少，D项可能。
答案　C
[问题探究]
有一种所谓“全自动”机械手表如图所示，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？如果不是，维持表针走动的能量是从哪儿来的？
核心要点
能量守恒定律的理解及应用
答案　这不是永动机。手表戴在手腕上，通过手臂的运动，机械手表获得能量，供手表指针走动。若将此手表长时间放置不动，它就会停下来。
[探究归纳]
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，还有电磁能、化学能、原子能等。
(2)各种形式的能，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.守恒是否需要条件
(1)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。
(2)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。
3.由能量守恒分析第一类永动机失败的原因
系统对外做功要以系统本身的能量减少为代价。若想源源不断地做功，系统就必须不断从外界获取能量使自己回到初始状态，在无外界能量供给的情况下这是不可能的。
[经典示例]
[例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.石子从空中落下，最后停止在地面上，说明机械能消失了
解析　A选项是指不同形式的能量间的转化，转化过程中能量是守恒的；B选项是指能量在不同的物体间发生转移，转移过程中能量是守恒的，这正好是能量守恒定律的两个方面——转化与转移，第一类永动机是不可能制成的，它违背了能量守恒定律；所以A、B、C正确；D选项中石子的机械能在变化，比如受空气阻力作用，机械能可能减少，但机械能并没有消失，能量守恒定律表明能量既不能创生，也不能消失，故D错误。
答案　ABC
[针对训练2] (多选)下面设想符合能量守恒定律的是(　　)
A.利用永久磁铁间的作用力，造一台永远转动的机械
B.做一条船，利用流水的能量逆水行舟
C.通过太阳照射飞机，即使飞机不带燃料也能飞行
D.利用核动力，驾驶地球离开太阳系
解析　利用磁场能可以使磁铁所具有的磁场能转化为动能，但由于摩擦力的不可避免性，动能最终转化为内能使转动停止，故A错误；让船先静止在水中，设计一台水力发电机使船获得足够电能，然后把电能转化为船的动能使船逆水航行；同理可利用光能的可转化性和电能的可收集性，使光能转化为飞机的动能，实现飞机不带燃料也能飞行，故B、C正确；利用反冲理论，以核动力为能源，使地球获得足够大的能量，挣脱太阳引力的束缚而离开太阳系，故D正确。
答案　BCD
核心要点
气体实验定律和热力学第一定律的综合应用
[要点归纳]
1.几种常见的气体变化过程
(1)绝热过程：在该过程中气体既不从外界吸热，也不向外界放热，即Q＝0，则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。
2.常见的分析思路
(1)利用体积的变化分析做功问题。气体体积增大，对外做功；气体体积减小，外界对气体做功。
(2)利用温度的变化分析理想气体内能的变化。一定质量的理想气体的内能仅与温度有关，温度升高，内能增加；温度降低，内能减小。
(3)利用热力学第一定律判断是吸热还是放热。
由热力学第一定律ΔU＝W＋Q，则Q＝ΔU－W，若已知气体的做功情况和内能的变化情况，即可判断气体状态变化是吸热过程还是放热过程。
[经典示例]
[例3] (多选)如图所示，a、b、c、d表示一定质量的理想气体状态变化过程中的四个状态，图中ad平行于横坐标轴，dc平行于纵坐标轴，ab的延长线过原点，以下说法正确的是(　　)
A.从状态d到c，气体不吸热也不放热
B.从状态c到b，气体放热
C.从状态a到d，气体对外做功
D.从状态b到a，气体吸热
解析　气体从状态d到c，温度不变，理想气体内能不变，但是由于压强减小，所以体积增大，对外做功，还要保持内能不变，一定要吸收热量，故A错误；气体从状态c到状态b是一个降压、降温过程，同时体积减小，外界对气体做功，而气体的内能还要减小(降温)，就一定要伴随放热的过程，故B正确；气体从状态a到状态d是一个等压、升温的过程，内能增加，同时体积增大，所以气体要对外做功，所以要吸收热量，C正确；气体从状态b到状态a是一个等容变化过程，随压强的增大，气体的温度升高，内能增大，而在这个过程中气体的体积没有变化，就没有做功，气体内能的增大是因为气体吸热的结果，故D正确。
答案　BCD
规律总结　气体实验定律与热力学定律的综合问题的解题关键点
(1)分清气体的变化过程是求解问题的关键。
(2)理想气体体积变化对应着做功，等容过程W＝0；温度变化，内能一定变化，等温过程ΔU＝0。
(3)绝热过程Q＝0。
[针对训练3] (多选)如图所示，绝热隔板K把绝热的气缸分隔成体积相等的两部分，K与气缸壁光滑接触。两部分中分别有相同质量、相同温度的同种气体a和b，气体分子之间的相互作用力和分子势能可忽略。现通过电热丝对气体a加热一段时间，a、b各自达到新的平衡状态，则(　　)
A.a的体积增大，压强变小
B.b的温度升高
C.加热后a的分子热运动比b的分子热运动激烈
D.a增加的内能大于b增加的内能
解析　当加热a时，气体a的温度升高，压强增大，由于K与气缸壁光滑接触，可以自由移动，所以a、b两部分的压强始终相等，都变大，故A错误；由于a气体膨胀，b气体被压缩，所以外界对b气体做功，根据热力学第一定律可知b的温度升高，故B正确；由于过程中a气体膨胀，b气体被压缩，所以a气体的温度较高，加热后a的分子热运动比b的分子热运动激烈，故C正确；由于a气体的最终温度较高，内能增加较多，故D正确。
答案　BCD