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第二节 能量守恒定律及其应用
现代家庭离不开电冰箱和空调器，如右图所示，人们可以利用电冰箱在炎热的夏天吃到冰镇西瓜，也可以让蔬菜、食品长时间保鲜；利用空调器可以在炎热的夏季创造出凉爽洁净的空气环境，也可以在严寒的冬季创造出温暖舒适的生活空间。
电冰箱和空调器是如何工作的呢？
主要内容
热力学第一定律
能量守恒定律
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01
PART 01
热力学第一定律
一、热力学第一定律
如果一个物体从外界吸收热量 Q，则物体的热力学能增加 Q；如果同时外界又对物体做功 W，则物体的热力学能又要增加 W。
我们已经知道，做功和热传递都可以改变物体的热力学能。
则在整个过程之后，该物体的热力学能的增加量为
ΔE＝Q＋W
一、热力学第一定律
在热力学第一定律公式中各物理量的物理意义是这样规定的：
此公式可以理解为：物体热力学能的增加等于外界向它传递的热量与外界对它做功的和。这就是热力学第一定律。
物体的热力学能增加时，ΔE＞0；热力学能减少时，ΔE＜0。
外界对物体做功时，W＞0；物体对外界做功时，W＜0。
物体从外界吸热时，Q＞0；物体向外界放热时，Q＜0。
一、热力学第一定律
在热力学第一定律表示，做功和热传递提供给物体多少能量，物体的热力学能就增加多少，能量在转化和转移过程中是守恒的。
做功反映了物体之间机械能和热力学能的转化，热传递反映了物体之间热力学能的转移。
一、热力学第一定律
示例 空气压缩机在一次压缩过程中，活塞对气缸中的气体做功为2 000 J，同时气体的热力学能增加了1 800 J，则在此过程中，气体与外界传递了多少热量？是吸热还是放热？
分析 由活塞对气体做功为2 000 J，可知 W ＞ 0，即W＝2 000 J；由气体的热力学能增加 1 800 J，可知 ΔE＞0，即 ΔE ＝1 800 J。利用热力学第一定律即可求解外界与气体之间传递的热量 Q，然后根据其正负判断，是气体向外界放热，还是从外界吸热。
一、热力学第一定律
解 由热力学第一定律公式 ΔE＝Q＋W，得
Q ＜ 0，表示气体向外界放热 200 J。
Q ＝ ΔE－W ＝（1 800－2 000）J ＝－200 J
一、热力学第一定律
一般情况下，热量总是从高温物体传递到低温物体，但是电冰箱却能实现从低温空间中吸取热量，传递给外部的高温空间，从而使电冰箱内部始终保持较低的温度。它是怎么实现这一过程的呢？
【应用与拓展】 电冰箱的制冷原理
电冰箱是利用制冷剂的物态变化来实现这一过程的，现在常用的制冷剂是R600a（异丁烷）。
一、热力学第一定律
电冰箱主要由压缩机、冷凝器、毛细管、蒸发器四个部分组成，如右图所示。
【应用与拓展】
电冰箱的制冷原理
一、热力学第一定律
半导体致冷冰箱有许多优点，如体积小、无噪声、无磨损、使用寿命长、制冷速度快、温度可灵活控制、无需制冷剂、无污染等，是一种环保型装置。
半导体致冷冰箱采用半导体制冷技术，当电流流过半导体材料时，通过两端接点处发生的释放或吸收热量实现制冷。右图所示即为一款半导体制冷冰箱。目前，半导体制冷温差可达150 ℃。
一、热力学第一定律
如果使制冷剂逆向循环，使它在室内完成冷凝、放热，在室外完成蒸发、吸热，可达到提高室内温度的目的。
空调器的制冷系统跟电冰箱的制冷系统几乎一样，压缩机工作时，制冷剂从室内吸热，向室外放热，达到降低室内温度的目的。
02
PART 01
能量守恒定律
通过对机械运动的研究，人们发现物体的动能和势能可以互相转化；通过对热现象的研究，人们发现机械能可以和热力学能互相转化；通过对其他运动形式的研究，人们发现其他形式的能也可以互相转化。
不同的物质有不同的运动形式，每种运动形式都有一种对应的能量，跟机械运动对应的是机械能，跟热运动对应的是热力学能，跟其他运动形式对应的还有电能、磁能、光能、核能、化学能等。
二、能量守恒定律
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，在转化和转移的过程中其总量保持不变。这就是能量守恒定律。这是自然界中具有普遍意义的定律之一，也是各种自然现象都遵循的普遍规律。
19世纪中叶，迈耶 、焦耳和亥姆霍兹等科学家经过长期的实验探索，共同归纳出以下规律：
二、能量守恒定律
在自然界中，每时每刻都进行着各种不同形式能量的互相转化。太阳光照射到地球上，把太阳能转化为热力学能温暖着万物，形成适宜人类生存的舒适环境，如右图所示。
二、能量守恒定律
通过古代的植物和动物在地质变迁中转化为煤、石油、天然气，成为我们现代生活、生产的主要能源；在水力发电站和火力发电站中，水的机械能和煤、石油、天然气的化学能转化为电能；在工厂、农村和住宅中，电能又通过各种用电器转化为机械能、热力学能和光能；等等。
太阳能的一部分被植物叶子吸收，通过光合作用，生成各种有机化合物，转化为植物的化学能；植物作为食物被动物吃掉，植物的化学能又转化为动物的化学能；人类又以动植物为食物，从中获得了维持生命活动的能量。
二、能量守恒定律
17～18世纪，为了满足生产对动力日益增长的需要，许多人曾致力于设计和制造一种机器。这种机器不需要消耗燃料，却可以源源不断地对外做功，被称为第一类永动机，如图所示。设计者认为，该轮子就会永无休止地沿着顺时针方向转动下去，并可以带动机器对外做功。
二、能量守恒定律
【思考与讨论】
与同学讨论，右边这个轮子会不会转动？原因是什么？
二、能量守恒定律
能量守恒定律的发现使人们进一步认识到：任何一部机器，只能使能量从一种形式转化为另一种形式，而不能无中生有地制造能量，因此永动机是不可能被制造出来的。
虽然人们经过多次尝试，做了各种努力，但永动机无一例外地归于失败。制造永动机的千万次失败使人们的头脑冷静下来，开始在更深层次寻找失败的原因，从而促成了能量守恒定律的建立。
二、能量守恒定律
从 18 世纪后半叶开始，随着大规模工业化生产的发展，人类开始使用煤炭、石油、天然气等化石能源。经过 200 多年的消耗，这些化石能源日渐枯竭。而且随着化石能源的燃烧，释放的二氧化碳还造成了空气污染、温度升高、海平面上升、气候反常、极端天气增多等现象。因此，保护地球环境，开发新型能源，特别是可再生能源，已是当务之急。
【应用与拓展】 新能源的开发利用与环境保护
二、能量守恒定律
近几十年来人们陆续开发出一些很有发展前途的新能源，如太阳能、核能、风能、海洋能、地热能、水力能和生物质能等，为解决人类社会未来能源问题创造了有利条件。
太阳能 当前，太阳能是最具开发前景的新能源之一。太阳辐射到地球的能量是巨大的，每年可达1024 J。而且相对于人类的历史来说，太阳能是取之不尽、用之不竭的。
核能 核能通常是指重原子核（如铀－235、钚－239、铀－233等）在中子作用下裂变时释放的能量。目前唯一达到工业应用、可以大规模替代化石燃料的能源，就是核能。另外，人们也发现了某些轻原子核结合成质量较大的原子核时，会发生聚变反应，能释放出比裂变更多的能量，但其反应过程还不能被人类随意控制。受控核聚变是当前全世界正在共同研究的重大课题，但要发展到实用阶段，还有一段艰难的路要走。
海洋能 海洋能是指依附在海水中的可再生能源，包括：潮汐能、波浪能、海洋温差能、海洋盐差能和海流能等。据估算，全世界海洋能蕴藏量达750亿千瓦，而且也不会枯竭。
地热能 地热能是指在地球内部蕴藏着的巨大热力学能，它主要来源于地球深处的熔融岩浆和放射性物质的衰变。地球内部是高温高压的世界，蕴藏着无比丰富的热量，地温随深度增加而升高，平均每深入1 km，温度升高30 ℃，仅地下的热水、蒸汽、干热岩等存储的总能量就为地球全部煤炭储能的上亿倍。
水力能 水力能是指蕴藏于天然水体中的动能和重力势能。水力能随着自然界水文循环周而复始，可重复再生。水力发电过程中没有化学变化，不排泄有害物质，对环境影响较小。
生物质能 生物质能指绿色植物通过光合作用储存在生物体内的化学能。地球上的植物每年产生的生物质能，大约是目前人类能源消费总量的10～20倍，是一种非常巨大的能源。生物质能的转化利用技术，除直接燃烧外，还有沼气生产、酒精制取、木制石油、生物质能发电等。
我国坚持走绿色发展道路，推进美丽中国建设，已经成为世界上节能减排、利用新能源的第一大国。我们要树立绿水青山就是金山银山的理念，践行节约能源的绿色生活方式，如多乘公交出行，不将空调温度调得过高或过低，做到人走灯灯熄等，为我国按期实现碳达峰、碳中和的目标做出自己的贡献。
【行为与责任】
二、能量守恒定律
谢谢聆听！

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