2020-2021学年高二下学期物理人教版(2019)选择性必修第三册课件：3.2　热力学第一定律3.3能量守恒定律15张PPT

2　热力学第一定律　
3　能量守恒定律
1.理解热力学第一定律,能应用热力学第一定律分析和解决实际问题。
2.了解人类探索能量守恒的历史过程。
3.理解能量守恒定律,知道能量守恒定律是自然界普遍遵从的基本规律。
4.知道什么是第一类永动机及其不可能制成的原因。
1.改变内能的两种方式
(1)焦耳的实验一方面表明,以不同的方式对系统做功时,只要系统始末两个状态是确定的,①　做功????的数量就是确定的;另一方面也向我们表明,为了改变② 系统的状态????,做功和传热这两种方法是等价的。也就是说,③ 一定数量的功 ??与④ 确定数量的热??
相对应。
(2)做功与传热在改变⑤　系统内能????方面是等价的。焦耳做实验的本意是要
探究两者的关系。
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⑥　热量????与外界对
它所做的⑦　功????的和。这个关系叫作热力学第一定律。
(2)表达式:ΔU=⑧????Q+W????。
1 | 热力学第一定律
1.确定⑨　研究对象????。
2.确定ΔU的值、W的值、Q的值。
(1)系统内能⑩　增加????,ΔU取正值;系统内能?　减少????,ΔU取负值。
(2)外界对系统做功有助于系统内能的增加,因此,外界对系统做功时,W取?　正????
值;而系统对外界做功时,W取?　负????值。
(3)同理,外界对系统传递热量有助于系统内能的增加,因此,外界对系统传递热量
时,Q取?　正????值;而系统向外界传递热量时,Q取?　负????值。
3.根据热力学第一定律公式ΔU=?????Q+W????列出方程进行求解。
2 | 热力学第一定律的应用
1.人类对能量的认识:?　机械能????的各种形式之间可以相互转化,?　电和磁????
可以相互转化,?　热和电????也可以相互转化……
2.能量守恒观念的形成
(1)俄国化学家盖斯的研究发现,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。
(2)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。
(3)德国医生迈尔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,他还猜想热与机械运动的等效性,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。
3 | 探索能量守恒的足迹
(4)1847年,德国科学家亥姆霍兹在理论上概括和总结?　能量守恒定律????。
1.能量守恒定律
可以表述为: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.能量守恒定律的意义
能量守恒是自然界的?　普遍????规律。根据能量守恒定律,物理学发现和解释了
很多科学现象。
4 | 能量守恒定律
1.第一类永动机
人们设想的、不需要任何动力或燃料,却能不断地对外做功的机器。
2.第一类永动机不可能制成的原因
永动机的思想违背了?　能量守恒????定律,所以是不可能制成的。
5 | 永动机不可能制成
1.焦耳的实验表明做功与传热在改变系统内能方面是等价的。?(　√　)
2.物体放出热量,同时对外做功,内能可能不变。?(?????　)
3.石子从空中落下,最后静止在地面上,说明机械能消失了。?(?????　)
4.物体吸收热量,内能一定增大。?(?????　)
提示:物体吸收热量,可能同时对外做功,所以内能不一定增大。
5.物体对外做功,内能一定减少。?(?????　)
提示:物体对外做功,可能同时吸收热量,则内能不一定减少。
6.物体吸收热量,同时对外做功,内能可能不变。?(　√　)
提示:由热力学第一定律可知,物体吸收热量,同时对外做功,内能可能不变。
判断正误，正确的画“ √” ，错误的画“ ?” 。
7.热力学系统对外界做功时,W取负值,吸收热量时,Q取正值。?(　√　)
提示:在热力学第一定律中,热力学系统对外界做功时,W取负值,吸收热量时,Q取正
值。
8.某种形式的能量减少,一定存在其他形式的能量增加。?(　√　)
提示:自然界中,能量是守恒的。
9.某个物体的能量减少,必然有其他物体的能量增加。?(　√　)
10.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。?(　√　)
提示:第一类永动机不可能制成,因为它违背了能量守恒定律。
热力学第一定律的意义
(1)热力学第一定律不仅反映了做功和传热这两种改变内能的方法是等价的,而且
给出了内能的变化量与做功和传热之间的定量关系。
(2)热力学第一定律将单纯的做功过程和单纯的传热过程中内能改变的定量表达
式推广到一般情况,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
外界对系统所做的功,Q表示外界向系统传递的热量。
物体的体积变化与做功正负的关系
(1)若物体体积增大,表明物体对外界做功,W<0;
(2)若物体体积变小,表明外界对物体做功,W>0。
1 | 对热力学第一定律的理解
条件
过程
结果
Q=0
绝热
过程
外界对系统做的功等于系统内
能的增加量:W=ΔU
W=0
过程中
不做功
系统吸收的热量等于系统内能
的增加量:Q=ΔU
ΔU=0
过程中
系统内
能不变
外界对系统做的功等于系统放
出的热量:W+Q=0或W=-Q
系统吸收的热量等于系统对外
界所做的功:W+Q=0或Q=-W
热力学第一定律的三种特殊情况
2 | 对能量守恒定律的理解
情境????“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。由此,有人设想了如图所示的新能源汽车。
??
问题
1.“全自动”机械手表是不是一种永动机?
提示:不是永动机。手表戴在手腕上,通过手臂的运动获得能量,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。
2.图中所示的新能源汽车能实现吗?
提示:不能实现。因为违反了能量守恒定律。
3.能量守恒定律与热力学第一定律是什么关系?
提示:能量守恒定律是自然界的普遍规律,各种形式的能相互转化或转移过程中总
能量保持不变。热力学第一定律是物体内能与其他形式的能发生转化时的能量守
恒定律,是能量守恒定律的具体体现。
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:机械运动对应机械能,分子的热运动对应内能,还有
诸如电磁能、化学能、原子能等。可见,在自然界中,不同的能量形式与不同的运
动形式相对应。
(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。
能量守恒定律是没有条件的
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,必须是在
只有重力做功或系统内弹力做功的情况下;而能量守恒是没有条件的,它是一切自
然现象都遵守的基本规律。
能量守恒定律的两种表述
表述一:某种形式的能量减少,一定有其他形式的能量增加,且减少量和增加量一定
相等。
表述二: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。
对于理想气体,常把热力学第一定律与理想气体状态方程结合起来分
析其状态变化规律。
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,气体对外做功;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,内能减少。
(3)利用热力学第一定律判断是吸热过程还是放热过程。
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。
3 | 气体实验定律和热力学第一定律的综合应用