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(共31张PPT)
2　热力学第一定律
3　能量守恒定律
第三章 热力学定律
High school physics
理解热力学第一定律，并能运用热力学第一定律分析和解决相关问题。
02
01
知道什么是第一类永动机及其不可能制成的原因。
03
理解并会运用能量守恒定律解决实际问题。
重点
难点
热力学第一定律
01
初中我们学过改变内能有哪两种方式？
传热
做功
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，做功的数量就是确定的；单纯地对系统做功：ΔU=W
焦耳的实验
另一方面也向我们表明，为了改变系统的状态，做功和传热这两种方法是等价的。也就是说，一定数量的功与确定数量的热相对应。
单纯地对系统传热：ΔU＝Q
焦耳的实验
吸热
汽缸内有一定质量的气体，压缩气体的同时给汽缸加热。那么，气体内能的变化会比单一方式(做功或传热)更明显。这是为什么呢？
给汽缸加热，即向汽缸内传热，汽缸内气体的内能会增加，压缩气体，外界对气体做功，也会使汽缸内气体的内能增加，所以两种方式同时作用时，气体内能的变化比单一方式更明显。
热力学第一定律
内容：一个热力学系统的内能变化量等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的和。
ΔU = Q + W
ΔU ：物体内能的增加量
W ： 外界对物体做的功
Q ： 物体吸收的热量
物理意义：热力学第一定律不仅反映了做功与传热在改变系统内能方面是等效的，而且给出了功、热量跟系统内能改变之间的定量关系。
气体内能减少了220 J
一定质量的气体，膨胀过程中是外界对气体做功还是气体对外界做功？
气体对外界做功
ΔU = Q + W
如果膨胀时气体对外做的功是135 J，同时向外放热85 J，气体内能的变化量是多少？内能是增加了还是减少了？
=
－85 J
=
－135 J
=
－220 J
功、热量和内能正、负值的物理意义
ΔU = Q +W
物理量前的符号
功W
热量Q
内能的改变量ΔU
+
-
外界对系统做功
系统吸热
内能增加
系统对外界做功
系统放热
内能减少
1.(1)一定质量的气体，从外界吸收3.5×105 J的热量，同时气体对外界做功2.5×105 J，则气体的内能是增加还是减少？改变量是多少？
(2)一定质量的气体，外界对其做功1.6×105 J，内能增加了4.2×105 J，此过程中气体是吸热还是放热？吸收或放出的热量是多少？
答案　(1)增加　1.0×105 J　 (2)吸热　2.6×105 J
(1)由题意知，Q=3.5×105 J，W=-2.5×105 J，
则根据热力学第一定律有ΔU=Q+W=1.0×105 J
ΔU为正值，说明气体的内能增加，
增加量为1.0×105 J。
(2)由题意知，ΔU=4.2×105 J，W=1.6×105 J，
则根据热力学第一定律有Q=ΔU-W=2.6×105 J
Q为正值，说明此过程中气体从外界吸热，吸收的热量为2.6×105 J。
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)根据未知量的正负来确定吸放热情况、做功情况或内能变化情况。
2.如图所示，内壁光滑的绝热汽缸固定在水平面上，其右端由于有挡板，厚度不计的绝热活塞不能离开汽缸，汽缸内封闭着一定质量的理想气体，活塞距汽缸右端的距离为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
A.400 J B.1 200 J
C.2 000 J D.2 800 J
√
由题意可知，封闭气体先等压变化，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功，
做功为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。
等压变化过程，用公式W=pΔV计算
p-V 图像面积表示功
等压变化过程中，气体压强不变，气体对活塞的压力F=pS，为恒力，由恒力做功的公式W=Fs可得W=pSx=pΔV，即气体做的功与气体的压强p和气体体积的变化量ΔV有关。
3.(多选)(2024·湛江市模拟)航天服是保障航天员的生命活动和正常工作的个人密闭装备，可防护空间的真空、高低温、太阳辐射和微流星等环境因素对人体的危害。航天员穿着航天服，从地面到达太空时内部气体将急剧膨胀，若航天服内气体的温度不变，视为理想气体并将航天服视为封闭系统。则关于航天服内的气体，下列说法正确的是
A.体积增大，内能减小 B.压强减小，内能不变
C.对外界做功，吸收热量 D.压强减小，分子平均动能增大
√
√
由于航天服内气体视为理想气体，温度决定内能，温度不变，内能不变，温度是分子热运动平均动能的标志，故分子平均动能也不变。由于航天服内气体体积增大，气体对外界做功，温度不变，由热力学第一定律ΔU=Q+W，可知由于W<0，ΔU=0，则Q>0，所以航天服内气体将吸收热量，又由等温变化有p1V1=p2V2可知体积变大，则压强减小。综上所述，B、C正确，A、D错误。
判断气体内能变化（理想气体分子间距离较大，忽略其分子势能）
温度升高
分子动能增大
内能增大
体积增大
物体对外界做功
W<0
体积减小
外界对物体做功
W>0
判断是否做功及做功正负的方法（看物体的体积）
判断吸热还是放热
结合内能变化和气体做功情况，由ΔU＝W＋Q综合判断。
能量守恒定律
02
1836年
盖斯发现化学反应放出的热量与反应步骤无关
1842年
迈尔表述了能量守恒定律
1841年
焦耳发现电流的热效应
1831年
法拉第发现电磁感应现象
1820年
奥斯特发现电流的磁效应
1843年
焦耳测定做功与传热的关系
1798年
伦福德的实验表明热的本质是运动
1821年
塞贝克发现温差电现象
1847年
亥姆霍兹在理论上概括和总结能量守恒定律
能量守恒观念的形成
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。
某种形式的能的减少量=其他形式的能的增加量
某个物体的能的减少量=其他物体的能的增加量
自由落体运动：
势能→动能
摩擦生热：
机械能→内能
热机中的气体推动活塞做功：
内能→机械能
电流通过电阻丝：
电能→内能
让“ 饮水小鸭”喝完一口水后，直立起来。直立一会儿，又会慢慢俯下身去，再“ 喝”一口，然后又会直立起来。如此循环往复......这种“饮水小鸭”玩具是不是不用消耗能量可以永远运动下去？
2.小鸭站立过程
处于倾倒位置的小鸭头部再次被浸湿，上下玻璃球内气体相通，压强相等，乙醚流回下玻璃球内（图乙），重心下移，小鸭站立。
3.小鸭持续工作原因
小鸭头部“饮水”后水不断蒸发，吸收察觉不到的空气的热量，使小鸭能够持续工作下去，上述过程循环往复。
1.小鸭倾倒过程
上段玻璃管中的乙醚蒸气液化，压强减小，液柱上升（图甲），小鸭重心上移，直至小鸭倾倒。
永动机不可能制成
第一类永动机：不需要任何动力或燃料，却能不断地对外做功的机器。
第一类永动机由于违背了能量守恒定律，所以不可能制成。
(1)能量守恒定律是各种形式的能相互转化或转移的过程，总能量保持不变，它包括各个领域，范围广泛。
(2)热力学第一定律是物体内能与其他形式的能之间的相互转化或转移，是能量守恒定律在热现象领域内的具体体现。
热力学第一定律与能量守恒定律的比较
(1)能量既可以转移又可以转化，故能量的总量是可以变化的。(　　)
(2)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。
(　　)
(3)第一类永动机不可能制成，因为它违背了能量守恒定律。(　　)
×
√
×
4.请写出在下列过程中的能量转化关系：
答案　在水平道路上行驶的汽车，发动机熄火后，慢慢停下来，汽车所受的阻力对汽车做负功，汽车的机械能转化为内能。
(1)在水平道路上行驶的汽车，发动机熄火后慢慢停下来；
(2)条形磁体下落过程中穿过闭合线圈，线圈中产生感应电流；
答案　条形磁体下落过程中穿过闭合线圈，线圈中产生感应电流，条形磁体克服阻力做功，机械能转化为内能。
(3)火药爆炸产生燃气，子弹在燃气的推动下从枪膛发射出去，射穿一块钢板后，速度减小。
答案　火药爆炸产生燃气，化学能转化为内能；子弹在燃气的推动下从枪膛发射出去，推力做功，内能转化为机械能；子弹射穿一块钢板后，速度减小，阻力对子弹做负功，机械能转化为内能。
热力学第一定律
转化或转移过程中，能量的总量保持不变
ΔU= Q+ W
能量守恒定律
当系统内能增加时，ΔU > 0
外界对系统做功时，W > 0
系统从外界吸收热量，Q > 0
各值的正负
第一类永动机违背了能量守恒定律

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