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(共43张PPT)
[学习目标]
1.知道热力学第一定律的内容、表达式，理解表达式中各量的符号法则并能分析和解决相关问题。
2.知道第一类永动机的概念及其不可能制成的原因。
3.理解能量守恒定律，能用能量守恒的观点解决有关问题。
1.功和内能的关系
(1)绝热过程：系统与外界之间没有____的交换，只是通过外界____的方式与外界____能量的过程。
(2)绝热过程中功和内能的关系：在热力学系统的绝热过程中，系统内能的增加量ΔU____外界对系统所做的功W，即ΔU＝___。
(3)符号法则：如果系统对外界做功，这时W取___值，ΔU也为___值，表示内能____。
2.热量和内能的关系
(1)在外界没有对系统做功的过程中，系统内能的增加量ΔU____系统从外界所吸收的热量___，即ΔU＝___。
(2)符号法则：如果系统向外界放热，这时Q取__值，ΔU也为___值，表示内能____。
热量
做功
交换
等于
W
负
负
减少
等于
负
负
减少
Q
Q
3.热力学第一定律
(1)内容：在系统跟外界同时发生做功和热传递的过程中，系统内能的增加量ΔU等于系统从外界____________与外界对系统__________之和。
(2)表达式：ΔU＝______。
4.第一类永动机不可能制成
(1)“第一类永动机”：不需要任何____和____，能持续不断地对外____的机器。
(2)“第一类永动机”由于违背了______________，所以______制成。
吸收的热量Q
所做的功W
Q＋W
动力
燃料
做功
热力学第一定律
不可能
[易错辨析]
(1)系统的温度变化时内能一定变化。( )
(2)系统从外界吸收热量时内能一定增加。( )
(3)外界对系统做功越多，系统的内能越大。( )
(4)如果具备一定的条件，“第一类永动机”是可以制成的。( )
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[例1]　(多选)如图为焦耳实验装置图，用绝热性能良好的材料将容器包好，重物下落带动叶片搅拌容器里的水，引起水温升高。关于这个实验，下列说法正确的是(　　)
AC
A.这个装置可测定热功关系
B.做功增加了水的热量
C.做功增加了水的内能
D.功和热量是完全等价的，无区别
解析　该实验测定做功和内能变化的关系，A正确；该实验是绝热过程，没有热传递，改变内能的方式是做功，C正确；做功表示能量的转化，而热量表示热传递中内能的转移，二者有区别，B、D错误。
[总结提升]
功与内能的关系理解
(1)做功改变物体内能的过程是其他形式的能(如机械能)与内能相互转化的过程。
(2)在绝热过程中：①外界对物体做功，则W＞0，外界对物体做多少功，就有多少其他形式的能转化为内能，物体的内能就增加多少；②物体对外界做功，则W＜0，物体对外界做多少功，就有多少内能转化为其他形式的能，物体的内能就减少多少。
(3)功与内能的区别：①功是过程量，内能是状态量；②物体的内能大，并不意味着做功多。
[例2]　(2025·四川自贡高二期末) (多选)在外界不做功的情况下，物体的内能增加了50 J，下列说法正确的是(　　)
A.一定是物体放出了50 J的热量 B.一定是物体吸收了50 J的热量
C.一定是物体的分子动能增加了50 J D.物体分子的平均动能可能不变
解析　在外界不做功的情况下，内能的改变量等于传递的热量，内能增加50 J，一定是物体吸收了50 J的热量，故A错误，B正确；物体内能包括所有分子的动能和势能，内能由分子数、分子平均动能、分子势能共同决定，所以内能增加了50 J并不一定是分子动能增加了50 J，物体分子的平均动能有可能不变，这时吸收的50 J热量全部用来增加分子势能，故C错误，D正确。
BD
[总结提升]
1.内能与热量的比较
(1)区别：内能是由系统的状态决定的，是状态量；热量是由系统经历的过程决定的，是过程量。
(2)联系：在没有做功的过程中，热量是系统内能变化的量度。
2.改变内能的两种方式的比较
项目 做功 热传递
对内能
的影响 外界对系统做功，系统的内能增加；系统对外界做功，系统的内能减少 系统吸收热量，内能增加；系统放出热量，内能减少
实质 其他形式的能与内能之间的相互转化 不同系统间或同一系统不同部分之间内能的转移
相互联系 做功和热传递对内能的改变是等效的
[例3]　(2025·山东潍坊高二月考)如图所示，内壁光滑的绝热气缸固定在水平面上，其右端由于有挡板，厚度不计的绝热活塞不能离开气缸，气缸内封闭着一定质量的理想气体，活塞距气缸右端的距离为0.2 m。现对封闭气体加热，活塞缓慢移动，一段时间后停止加热，此时封闭气体的压强变为2×105 Pa。已知活塞的横截面积为0.04 m2，外部大气压强为1×105 Pa，加热过程中封闭气体吸收的热量为2 000 J，则封闭气体的内能变化量为(　　)
B
A.400 J B.1 200 J
C.2 000 J D.2 800 J
解析　由题意可知，气体先发生等压变化，到活塞运动到挡板处再发生等容变化，等压变化过程气体对外做的功W＝－p0Sx＝－1×105×0.04×0.2 J＝－800 J，由热力学第一定律可知，封闭气体的内能变化量为ΔU＝W＋Q＝(－800＋2 000) J＝1 200 J，故B正确。
[总结提升]
1.热力学第一定律表达式ΔU＝W＋Q的符号法则
(1)ΔU的正负：当系统内能增加时，ΔU取正值；当系统内能减少时，ΔU取负值。
(2)W的正负：外界对系统做功时，W取正值；系统对外界做功时，W取负值。
(3)Q的正负：外界向系统传递热量时，Q取正值；系统向外界传递热量时，Q取负值。
2.判断是否做功及做功正负的方法
一般情况下外界对系统做功与否，只要看系统的体积是否变化。
(1)若系统的体积增大，表明系统对外界做功，W<0。
(2)若系统的体积减小，表明外界对系统做功，W>0。
3.应用热力学第一定律解题的一般步骤
(1)根据符号法则写出各已知量(W、Q、ΔU)的正负。
(2)根据ΔU＝W＋Q列方程求出未知量。
(3)再根据未知量结果的正负来确定吸、放热情况、做功情况或内能变化情况。
1.能量守恒定律
(1)内容：能量既不会凭空____，也不会凭空____，它只能从一种形式____为另一种形式，或者从一个物体_____到另一个物体，在转化或转移的过程中，能量的总量_________。
(2)适用范围：能量守恒定律不仅适用于低速、宏观的情形，也适用于高速、微观世界，是最基本、最普遍的自然规律之一。
(3)热力学第一定律就是内能与其他形式能量发生转化时的能量守恒定律。
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。
产生
消失
转化
转移
保持不变
3.节约能源
(1)能源是有限的：地球上不可再生能源储量是____的，21世纪人类正面临着严重的传统能源____的威胁。
(2)可持续发展：是指既满足____人的需求，又不对____人满足其自身需求的能力构成危害的发展。能源问题在人类可持续发展中占有重要的位置。
(3)可持续发展战略的基本思想：一是鼓励____增长，但要改变“高投入、高消耗、高污染”的生产模式和消费模式；二是利用科学技术及社会力量____资源(含能源)，大力发展资源的循环使用；三是利用科学技术，寻找_______及开拓新的资源。
(4)节约资源的原因：从宏观角度来看，人类使用能源的过程中能的____是不变的，但能的____降低了，能量从____利用的形式变为不便于利用的形式。
有限
枯竭
当代
后代
经济
节约
新能源
总量
品质
便于
[易错辨析]
(1)能量既可以转移又可以转化，故能的总量是可以变化的。( )
(2)能量的总量保持不变，所以我们不需要节约能源。( )
(3)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。( )
(4)“第一类永动机”不能制成，因为它违背了能量守恒定律。( )
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√
[例4]　(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　不同形式的能量间的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；第一类永动机不可能制成，它违背了能量守恒定律，C正确；石子的机械能在变化，比如受空气阻力作用，机械能减少，但机械能并没有消失，而是转化成了其他形式的能量，D错误。
ABC
[例5]　(多选)下列关于“第一类永动机”的说法正确的是(　　)
A.“第一类永动机”是不消耗任何能量却可源源不断地对外做功的机器
B.“第一类永动机”不能制成的原因是违背了热力学第一定律
C.第一类永动机不能制成的原因是技术问题
D.“第一类永动机”不能制成的原因是违背了能量守恒定律
解析　“第一类永动机”是不消耗任何能量却能源源不断地对外做功的机器，这是人们的美好愿望，但它违背了热力学第一定律，也就违背了能量守恒定律，这也是它不能制成的原因，故A、B、D正确。
ABD
[总结提升]
1.能量的存在形式及相互转化
(1)自然界中的一切物质都具有能量。例如，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、核能等。
(2)各种形式的能，通过某种力做功可以相互转化。
2.热力学第一定律与能量守恒定律的比较
(1)能量守恒定律反映的是各种形式的能相互转化或转移的过程中的关系，它包括各个领域，范围广泛。
(2)热力学第一定律反映的是物体内能与其他形式的能之间的相互转化或转移的过程中的关系，是能量守恒定律在热现象领域内的具体体现。
1.(热力学第一定律的理解)关于内能的变化、热量和做功关系的说法正确的是(　　)
A.物体吸收热量，内能一定增加
B.物体对外做功，内能一定减少
C.物体吸收热量，同时对外做功，内能可能不变
D.物体放出热量，同时对外做功，内能可能不变
解析　根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，物体内能的变化与做功及热传递两个因素均有关。物体吸收热量，内能不一定增加，因为物体可能同时对外做功，故内能可能不变或减少，A错误，C正确；物体对外做功，可能同时吸收热量，故内能可能不变或增加，B错误；物体放出热量，同时对外做功，内能一定减少，D错误。
C
2.(热力学第一定律的应用)一定质量的理想气体在某一过程中，外界对气体做了8×104 J的功，气体的内能减少了1.2×105 J，则下列各式中正确的是(　　)
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＝2×105 J
D.W＝－8×104 J，ΔU＝1.2×105 J，Q＝－4×104 J
解析　外界对气体做功，W取正值，气体内能减少，ΔU为负值，由热力学第一定律ΔU＝Q＋W可得Q＝－2×105 J，故B正确。
B
3.(第一类永动机)“第一类永动机”是不可能制成的，这是因为(　　)
A.它不符合机械能守恒定律
B.它违背了能量守恒定律
C.没有合理的设计方案
D.找不到合适的材料
解析　 “第一类永动机”不可能制成的原因是违背了能量守恒定律。故选B。
B
4.(能量守恒定律)有关能量守恒定律，下列说法正确的是(　　)
A.只适用于机械能与内能的相互转化
B.只适用于能量转化过程
C.“摩擦生热”是创造了热，它不符合能量守恒定律
D.根据能量守恒定律，宇宙中的能量总和不变
解析　能量守恒定律是自然界普遍遵循的一个规律，适用于一切能量和一切物理过程，故D正确，A、B、C错误。
D
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[基础巩固练]
1.一定质量的理想气体，从某一状态开始，经过一系列变化后又回到开始的状态，用W1表示外界对气体做的功，W2表示气体对外界做的功，Q1表示气体吸收的热量，Q2表示气体放出的热量，则在整个过程中一定有(　　)
A.Q1－Q2＝W2－W1 B.Q1＝Q2
C.W1＝W2 D.Q1>Q2
解析　因为该气体从某一状态开始，经过一系列变化后又回到开始的状态，所以内能没有变化，ΔU＝0。根据热力学第一定律可得W1－W2＋Q1－Q2＝ΔU＝0，即Q1－Q2＝W2－W1，A正确。
A
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2.(2025·四川德阳高二期末)如图所示，封闭的气缸内部封有一定质量的理想气体。外力推动活塞P压缩气体，对缸内气体做功800 J，同时气体向外界放热200 J，则缸内气体的(　　)
A
A.温度升高，内能增加600 J
B.温度升高，内能减少200 J
C.温度降低，内能增加600 J
D.温度降低，内能减少200 J
解析　由热力学第一定律ΔU＝Q＋W得，ΔU＝800 J＋(－200 J)＝600 J，一定质量的理想气体的内能大小只与温度有关，ΔU＝600 J>0，故温度升高，选项A正确。
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3.(2024·重庆卷)某救生手环主要由高压气囊密闭，气囊内视为理想气体，密闭气囊与人一起上浮的过程中，若气囊内气体温度不变，体积增大，则(　　)
A.外界对气囊内气体做正功 B.气囊内气体压强增大
C.气囊内气体内能增大 D.气囊内气体从外界吸热
解析　气囊内气体温度不变，由玻意耳定律pV＝C可知，体积增大，则压强变小，气体对外做功，故A、B错误；气囊内气体温度不变，内能不变，气体对外做功，W<0，由热力学第一定律ΔU＝Q＋W可知，Q>0，需要从外界吸热，故C错误，D正确。
D
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4.(多选)下列关于能量转化现象的说法中，正确的是(　　)
A.用太阳灶烧水是太阳能转化为内能
B.电灯发光是电能转化为光能
C.核电站发电是电能转化为内能
D.生石灰放入盛有凉水的烧杯里，水温升高是动能转化为内能
解析　用太阳灶烧水是太阳能转化为内能，A正确；电灯发光是消耗电能，转化为光能，B正确；核电站发电是核能转化为电能，C错误；生石灰放入凉水中，水温升高是化学能转化为内能，D错误。
AB
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5.如图所示，在玻璃瓶中放入少量水，水面上方有无色的水蒸气，用中间带孔、孔中插有玻璃管的橡皮塞盖紧瓶口，然后往瓶中打气，当气压足够大时，橡皮塞从瓶口弹出，原来透明的瓶内充满了白雾，这一实验现象表明(　　)
C
A.气体对外界做功，瓶内气体温度升高，内能减少
B.外界对气体做功，瓶内气体温度升高，内能增加
C.气体对外界做功，瓶内气体温度降低，内能减少
D.外界对气体做功，瓶内气体温度降低，内能增加
解析　白雾是小水滴，它是由水蒸气液化而形成的，该实验的原理如下：瓶内的气体压强增大到一定程度时，瓶内气体对橡皮塞做功，将橡皮塞弹出，气体对外界做功，将一部分内能转化为橡皮塞的机械能，气体的内能减少，温度降低，瓶中的水蒸气遇冷液化而形成白雾，故C正确，A、B、D错误。
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6.(多选)下列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器
B.做成一条船利用河水的能量逆水航行
C.通过太阳照射飞机使飞机起飞
D.不用任何燃料使河水升温
解析　利用磁场可能使磁铁所具有的磁场能转化为动能，但由于摩擦的不可避免性，动能最终会转化为内能，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；同理可使光能转化为飞机的动能，实现飞机起飞，故B、C正确；设计水坝利用河水的重力势能发电，电能可转化为内能使水升温，另外，重力势能还可以通过水轮机叶片转化为水的内能使水升温，故D正确。
BCD
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7.大约在1670年，英国赛斯特城的主教约翰·维尔金斯设计了一种磁力“永动机”。如图所示，在斜坡顶上放一块强有力的磁铁，斜坡上端有一个小孔，斜面下有一个连接小孔直至底端的弯曲轨道，维尔金斯认为：如果在斜坡底端放一个小铁球，那么由于磁铁的吸引，小铁球就会向上运动，当小球运动到小孔P处时，它就要掉下，再沿着斜面下的弯曲轨道返回斜坡底端Q，由于有速度而可以对外做功，然后又被磁铁吸引回到上端，到小孔P处又掉下。在以后的二百多年里，维尔金斯的永动机居然改头换面地出现过多次，其中一次是在1878年，即在能量转化和守恒定律确定20年后，竟在德国取得了专利权。关于维尔金斯“永动机”，正确的认识应该是(　　)
D
A.符合理论规律，一定可以实现，只是实现时间早晚的问题
B.如果忽略斜面的摩擦，维尔金斯“永动机”一定可以实现
C.如果忽略斜面的摩擦，铁球质量较小，磁铁磁性又较强，则维
尔金斯“永动机”可以实现
D.违背能量转化和守恒定律，不可能实现
解析　根据上述，维尔金斯“永动机”不消耗能量，又能源源不断对外做功，这是第一类永动机，其违背了热力学第一定律，不可能实现。故选D。
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[能力提升练]
8.(2025·河南开封高二月考)健身球是一种新兴、有趣的体育健身器材。如图所示，健身者正在挤压健身球，健身球内的气体视为理想气体且在挤压过程中温度不变，下列说法正确的是(　　)
A.健身球内的气体向外界释放热量
B.健身球内的气体对外界做正功
C.健身球内的气体内能增加
D.健身球内的气体单位时间、单位面积撞击球壁的分子数不变
A
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9.(2025·四川宜宾高二期末)如图所示，用隔板将一绝热气缸分成两部分，隔板左侧充有理想气体，右侧与绝热活塞之间是真空的。现将隔板抽开，气体会自发扩散至整个气缸，待气体达到稳定后，缓慢推压活塞，将气体压回到原来的体积。整个过程不漏气，则下列说法正确的是(　　)
A.气体被压缩过程中内能增加
B.气体自发扩散过程中内能减少
C.气体自发扩散过程中，气体分子的平均速率增大
D.气体被压缩过程中，温度升高，所有分子的速率都增大
A
解析　根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W可知，在气缸绝热的情况下Q＝0，而当缓慢推压活塞，气体被压缩的过程中，外界对气体做功W>0，因此可得ΔU>0，即缸内气体的内能增加，故A正确；由于隔板右侧为真空，当抽去隔板，气体自发扩散，并不对外做功，而气缸绝热，根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W可知，W＝0，Q＝0，由此可知ΔU＝0，即气体自发扩散过程中缸内气体内能不变。对于一定量的理想气体而言，内能不变则温度不变，气体分子平均动能不变，气体分子的平均速率不变，故B、C错误；气体被压缩过程中，外界对气体做功，气缸绝热，气体内能增加，温度升高，由此可知气体分子的平均速率增大，但并不是所有分子的速率都增大，对于单个分子而言，其速率可能增大、可能减小或者不变，故D错误。
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10.(2025·广东中山高二月考)如图所示，密闭绝热容器内有一绝热的具有一定质量的活塞，活塞的上部封闭着气体，下部为真空，活塞与器壁间的摩擦忽略不计。置于真空中的轻弹簧一端固定于容器的底部，另一端固定在活塞上，弹簧被压缩后用绳扎紧，此时弹簧的弹性势能为Ep(弹簧处在自然长度时的弹性势能为零)。现绳突然断开，弹簧推动活塞向上运动，经过多次往复运动后活塞静止，气体
达到平衡状态。经过此过程(　　)
A.Ep全部转换为气体的内能
B.Ep一部分转换成活塞的重力势能，其余部分仍为弹簧的弹性势能
C.Ep全部转换成活塞的重力势能和气体的内能
D.Ep一部分转换成活塞的重力势能，一部分转换成气体的内能， 其余部分仍为弹簧的弹性势能
D
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解析　当绳子突然断开时，活塞受弹簧的弹力F、自身的重力G、封闭气体对活塞向下的压力F′共同作用，如图所示，其合力向上，经多次往复运动后活塞静止时， 活塞处于三力平衡状态，气体体积必减小，外力对气体做正功，由于绝热，气体的内能增加，而活塞最终的静止位置比初始位置高，其重力势能增加，最终弹力与另外两个力的合力平衡，弹簧仍有形变。设最终弹簧的弹性势能为Ep′，由能量守恒定律得Ep＝Ep′＋EG＋ΔU，所以D选项正确。
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[拓展培优练]
11.(2025·四川绵阳高二月考)图甲中空气炸锅是一种新型的烹饪工具，图乙为某型号空气炸锅的简化模型图，空气炸锅中有一气密性良好的内胆，内胆内的气体可视为质量不变的理想气体，已知胆内初始气体压强为p0＝1.0×105 Pa，温度为T0＝300 K，现启动加热模式使气体温度升高到T＝450 K，此过程中
气体吸收的热量为Q＝8.0×103 J，内胆中气体的体积不变，求：
(1)此时内胆中气体的压强p；
(2)此过程内胆中气体的内能增加量ΔU。
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答案　(1)1.5×105 Pa　(2)8.0×103 J

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