第1、2節(jié) 熱力學(xué)第一定律 能量守恒定律

核心素養(yǎng)導(dǎo)學(xué)第三章熱力學(xué)定律第1、2節(jié)熱力學(xué)第一定律能量守恒定律物理觀念(1)知道熱力學(xué)第一定律的內(nèi)容。(2)理解能量守恒定律，知道能量守恒定律是自然界普遍遵從的基本原理。(3)知道第一類永動(dòng)機(jī)是不可能實(shí)現(xiàn)的。科學(xué)思維能運(yùn)用熱力學(xué)第一定律解釋和計(jì)算能量的轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)移問題。科學(xué)探究探究能量的轉(zhuǎn)化過程和總量的變化情況。科學(xué)態(tài)度與責(zé)任(1)理解能量和能量守恒觀念對(duì)世界統(tǒng)一性的意義。(2)體會(huì)科學(xué)探索中的挫折和失敗對(duì)科學(xué)發(fā)現(xiàn)的意義，知道科學(xué)發(fā)現(xiàn)需要科學(xué)家共同努力。續(xù)表一、熱力學(xué)第一定律1．改變內(nèi)能的兩種方式：做功和________都可以改變物體的內(nèi)能，而且這兩種方式是_______的。2．絕熱過程中，對(duì)系統(tǒng)做功時(shí)內(nèi)能的變化量與功的關(guān)系：ΔU＝W。3．外界沒有對(duì)系統(tǒng)做功的過程中，系統(tǒng)內(nèi)能的變化量與傳遞熱量的關(guān)系：ΔU＝Q。熱傳遞等價(jià)4．當(dāng)外界既對(duì)系統(tǒng)做功又對(duì)系統(tǒng)傳熱時(shí)，內(nèi)能的變化量：ΔU＝Q＋W。5．熱力學(xué)第一定律的內(nèi)容在系統(tǒng)跟外界同時(shí)發(fā)生做功和熱傳遞的過程中，系統(tǒng)的內(nèi)能增加量ΔU等于系統(tǒng)從外界吸收的熱量Q與外界對(duì)系統(tǒng)所做的功W之和。6．第一類永動(dòng)機(jī)不可能制成(1)第一類永動(dòng)機(jī)：不需要任何動(dòng)力或燃料，能持續(xù)不斷地__________的機(jī)器。(2)第一類永動(dòng)機(jī)不可能制成的原因：違背了__________________。對(duì)外做功熱力學(xué)第一定律二、能量守恒定律1．內(nèi)容：能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生，也不會(huì)憑空消失，它只能從一種形式_______為另一種形式，或者從一個(gè)物體_______到另一個(gè)物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程中，能量的總量____________。2．意義(1)各種形式的能可以___________。(2)各種物理現(xiàn)象可以用________________聯(lián)系在一起。,轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)移保持不變相互轉(zhuǎn)化能量守恒定律1．給旱區(qū)送水的消防車停在水平地面上。在緩慢放水的過程中，若車胎不漏氣且胎內(nèi)氣體溫度不變，不計(jì)分子間的勢能，試分析氣體的吸放熱情況。提示：由于車胎內(nèi)氣體溫度不變，故氣體分子的平均動(dòng)能不變，內(nèi)能不變。放水過程中氣體體積增大，對(duì)外做功，由熱力學(xué)第一定律可知，車胎內(nèi)氣體吸熱。2．“全自動(dòng)”機(jī)械手表，既不需要上發(fā)條，也不用任何電源，表針卻能不停地轉(zhuǎn)動(dòng)。由此，有人設(shè)想了如圖所示的新能源汽車。請(qǐng)對(duì)以下說法作出判斷：(1)“全自動(dòng)”機(jī)械手表是一種永動(dòng)機(jī)。

()(2)如圖所示的新能源汽車是能夠?qū)崿F(xiàn)的。

()(3)“全自動(dòng)”機(jī)械手表是通過手臂的運(yùn)動(dòng)獲得能量，供手表指針轉(zhuǎn)動(dòng)，不是永動(dòng)機(jī)。

()××√新知學(xué)習(xí)(一)|熱力學(xué)第一定律的理解及應(yīng)用[任務(wù)驅(qū)動(dòng)]如圖所示，一定質(zhì)量的理想氣體由a狀態(tài)變化到b狀態(tài)，請(qǐng)?jiān)趫D像基礎(chǔ)上思考以下問題：(1)在變化過程中是氣體對(duì)外做功，還是外界對(duì)氣體做功？提示：由圖可知，氣體的變化為等壓膨脹，一定是氣體對(duì)外做功。(2)在變化過程中氣體吸熱，還是向外放熱？氣體內(nèi)能增加了，還是減少了？提示：由日常經(jīng)驗(yàn)可知，理想氣體在等壓膨脹過程中需要從外界吸收熱量。由蓋-呂薩克定律可知，理想氣體在等壓膨脹過程中溫度升高，內(nèi)能一定增加。[重點(diǎn)釋解]1．公式ΔU＝Q＋W中符號(hào)的規(guī)定符號(hào)QWΔU＋物體吸熱外界對(duì)物體做功內(nèi)能增加－物體放熱物體對(duì)外界做功內(nèi)能減少2．三種特殊情況(1)若過程是絕熱的，即Q＝0，則ΔU＝W，物體內(nèi)能的增加量等于外界對(duì)物體做的功。(2)若過程中不做功，即W＝0，則ΔU＝Q，物體內(nèi)能的增加量等于物體從外界吸收的熱量。(3)若過程的始末狀態(tài)物體的內(nèi)能不變，即ΔU＝0，則W＝－Q(或Q＝－W)，外界對(duì)物體做的功等于物體放出的熱量(或物體吸收的熱量等于物體對(duì)外界做的功)。3．判斷是否做功的方法一般情況下看物體的體積是否變化：(1)若物體體積增大，表明物體對(duì)外界做功，W<0。(2)若物體體積減小，表明外界對(duì)物體做功，W>0。

[典例體驗(yàn)][典例]一定質(zhì)量的實(shí)際氣體從外界吸收了4.2×105J的熱量，同時(shí)氣體對(duì)外做了6×105J的功，問：(1)氣體的內(nèi)能是增加還是減少？變化量是多少？(2)分子勢能是增加還是減少？(3)分子的平均動(dòng)能是增加還是減少？[解析]

(1)氣體從外界吸熱，故Q＝4.2×105J，氣體對(duì)外做功，故W＝－6×105J，由熱力學(xué)第一定律有ΔU＝W＋Q＝(－6×105J)＋(4.2×105J)＝－1.8×105J。ΔU為負(fù)，說明氣體的內(nèi)能減少了，所以氣體內(nèi)能減少了1.8×105J。(2)因?yàn)闅怏w對(duì)外做功，所以氣體的體積膨脹，分子間的距離增大了，分子力做負(fù)功，氣體分子勢能增加。(3)因?yàn)闅怏w內(nèi)能減少，同時(shí)氣體分子勢能增加，說明氣體分子的平均動(dòng)能一定減少。[答案]

(1)減少1.8×105J

(2)增加(3)減少/方法技巧/應(yīng)用熱力學(xué)第一定律解題的方法(1)明確研究對(duì)象是哪個(gè)物體或者是哪個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)。(2)分別找出題目中研究對(duì)象吸收或放出的熱量；外界對(duì)研究對(duì)象所做的功或研究對(duì)象對(duì)外界所做的功；研究對(duì)象內(nèi)能的增加量或減少量。(3)根據(jù)熱力學(xué)第一定律ΔU＝Q＋W列出方程進(jìn)行求解。(4)特別注意物理量的正負(fù)號(hào)及其意義。[針對(duì)訓(xùn)練][針對(duì)訓(xùn)練]1．(2023·全國甲卷改編)(多選)在一汽缸中用活塞封閉著一定量的理想氣體，發(fā)生下列緩慢變化過程，氣體一定與外界有熱量交換的過程是(

)A．氣體的體積不變，溫度升高B．氣體的體積減小，溫度降低C．氣體的體積減小，溫度升高D．氣體的體積增大，溫度不變解析：氣體的溫度升高，則氣體的內(nèi)能升高，體積不變，則氣體做功為零，因此氣體吸收熱量，A正確；氣體的溫度降低，則氣體的內(nèi)能降低，體積減小，則外界對(duì)氣體做功，由熱力學(xué)第一定律ΔU＝W＋Q，可知?dú)怏w對(duì)外放熱，B正確；氣體的溫度升高，則氣體的內(nèi)能升高，體積減小，則外界對(duì)氣體做功，由熱力學(xué)第一定律ΔU＝W＋Q，可知Q可能等于零，即可能沒有熱量交換，C錯(cuò)誤；氣體的溫度不變，則氣體的內(nèi)能不變，體積增大，則氣體對(duì)外界做功，由熱力學(xué)第一定律ΔU＝W＋Q，可知Q>0，即氣體吸收熱量，D正確。答案：ABD

2．如圖所示，密封的礦泉水瓶中，距瓶口越近水的溫度越高。一開口向下、導(dǎo)熱良好的小瓶置于礦泉水瓶中，小瓶中封閉一段空氣。擠壓礦泉水瓶，小瓶下沉到底部；松開后，小瓶緩慢上浮。上浮過程中，小瓶內(nèi)氣體

(

)A．內(nèi)能減少B．對(duì)外界做正功C．增加的內(nèi)能大于吸收的熱量D．增加的內(nèi)能等于吸收的熱量答案：B

新知學(xué)習(xí)(二)|對(duì)能量守恒定律的理解[任務(wù)驅(qū)動(dòng)]文藝復(fù)興時(shí)期，達(dá)·芬奇制造的永動(dòng)機(jī)裝置如圖所示。他認(rèn)為右邊的重球比左邊的重球離輪心更遠(yuǎn)些，兩邊不均衡的作用力會(huì)使輪子沿箭頭方向轉(zhuǎn)動(dòng)不息。請(qǐng)問該裝置屬于第幾類永動(dòng)機(jī)，并請(qǐng)說明這類永動(dòng)機(jī)為什么不能成功。提示：該裝置屬于第一類永動(dòng)機(jī)，這一設(shè)計(jì)不可能成功，因?yàn)椴幌娜魏文芰繀s能永遠(yuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械，違反了能量守恒定律。

[重點(diǎn)釋解]1．能量的存在形式及相互轉(zhuǎn)化(1)各種運(yùn)動(dòng)形式都有對(duì)應(yīng)的能：機(jī)械運(yùn)動(dòng)有機(jī)械能，分子的熱運(yùn)動(dòng)有內(nèi)能，還有電磁能、化學(xué)能、原子能等。(2)各種形式的能通過某種力做功可以相互轉(zhuǎn)化。例如，利用電爐取暖或燒水，電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；煤燃燒，化學(xué)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；列車剎車后，輪子溫度升高，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。2．與某種運(yùn)動(dòng)形式對(duì)應(yīng)的能是否守恒是有條件的例如，物體的機(jī)械能守恒，必須是只有重力或系統(tǒng)內(nèi)的彈力做功；而能量守恒定律是沒有條件的，它是一切自然現(xiàn)象都遵守的基本規(guī)律。3．能量守恒定律中的“轉(zhuǎn)化”和“轉(zhuǎn)移”(1)某種形式的能量減少，一定有其他形式的能量增加，且減少量和增加量一定相等。(2)某個(gè)物體的能量減少，一定存在其他物體的能量增加，且減少量和增加量一定相等。4．第一類永動(dòng)機(jī)失敗的原因分析如果沒有外界熱源供給熱，則有U2－U1＝W，就是說，如果系統(tǒng)內(nèi)能減少，即U2<U1，則W<0，系統(tǒng)對(duì)外做功是要以內(nèi)能減少為代價(jià)的。若想源源不斷地做功，就必須使系統(tǒng)不斷回到初始狀態(tài)，在無外界能量供給的情況下是不可能的。[典例體驗(yàn)][典例]

(多選)空調(diào)市場上有很多變頻空調(diào)，據(jù)專家介紹變頻空調(diào)比定頻的要節(jié)能，因?yàn)槎l空調(diào)開機(jī)時(shí)就等同于汽車啟動(dòng)時(shí)，很耗能，是正常運(yùn)行的5～7倍?？照{(diào)在工作時(shí)達(dá)到設(shè)定溫度就停機(jī)，等溫度高了再繼續(xù)啟動(dòng)。這樣的頻繁啟動(dòng)，耗電多，而變頻空調(diào)啟動(dòng)時(shí)有一個(gè)由低到高的過程，運(yùn)行過程是自動(dòng)變速來保持室內(nèi)溫度，從開機(jī)到關(guān)機(jī)中間不停機(jī)，而是達(dá)到設(shè)定溫度后就降到最小功率運(yùn)行，所以比較省電。閱讀上述介紹后，以下說法合理的是(

)A．變頻空調(diào)節(jié)能，運(yùn)行中不遵守能量守恒定律B．變頻空調(diào)運(yùn)行中做功少，轉(zhuǎn)化能量多C．變頻空調(diào)在同樣工作條件下運(yùn)行效率高，省電D．變頻空調(diào)與定頻空調(diào)做同樣功時(shí)，消耗同樣電能[解析]

自然界的一切過程都遵守能量守恒定律，A錯(cuò)誤；功是能量轉(zhuǎn)化的量度，做同樣的功，消耗同樣電能，B錯(cuò)誤，D正確；由變頻空調(diào)的工作特點(diǎn)可知省電的原因是效率高，C正確。[答案]

CD[針對(duì)訓(xùn)練]1．“第一類永動(dòng)機(jī)”是不可能制成的，這是因?yàn)樗?/p>

(

)A．不符合熱力學(xué)第一定律B．做功產(chǎn)生的熱量太少C．由于有摩擦、熱損失等因素的存在D．找不到合適的材料和合理的設(shè)計(jì)方案解析：“第一類永動(dòng)機(jī)”是不可能制成的，因?yàn)樗`背了能量守恒定律，即熱力學(xué)第一定律，故A正確，B、C、D錯(cuò)誤。答案：A

2．下列有關(guān)能量的描述正確的是

(

)A．“既要馬兒跑得快，又要馬兒不吃草”違背了能量守恒定律B．工作中的電風(fēng)扇，消耗的電能大于輸出的機(jī)械能，該過程能量不守恒C．滑塊在粗糙的水平面上減速滑行，最終停了下來，動(dòng)能消失，能量不守恒D．同時(shí)做自由落體運(yùn)動(dòng)的物體，質(zhì)量越大，勢能減少越快，機(jī)械能減少也越快解析：馬兒跑的時(shí)候需要消耗能量，而草能夠?yàn)轳R兒提供能量，因此“既要馬兒跑得快，又要馬兒不吃草”違背了能量守恒定律，故A正確；工作中的電風(fēng)扇，消耗的電能大于輸出的機(jī)械能，損失的電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，該過程能量仍守恒，故B錯(cuò)誤；滑塊在粗糙的水平面上減速滑行，最終停了下來，減小的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，能量守恒，故C錯(cuò)誤；同時(shí)做自由落體運(yùn)動(dòng)的物體，運(yùn)動(dòng)的快慢與質(zhì)量無關(guān)，減少的勢能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，機(jī)械能不變，故D錯(cuò)誤。答案：A

一、好素材分享——看其他教材如何落實(shí)核心素養(yǎng)

物理觀念——認(rèn)識(shí)歷史上的永動(dòng)機(jī)1．(選自魯科版新教材“物理聊吧”)如圖是歷史上曾經(jīng)出現(xiàn)的幾種永動(dòng)機(jī)的設(shè)想示意圖：圖(a)是想利用短桿上的重球產(chǎn)生的作用，使輪子不停地轉(zhuǎn)動(dòng)；圖(b)是想利用像燈芯那樣的棉線把水吸到高處，再流下沖擊輪子的葉片，使輪子不停地轉(zhuǎn)動(dòng)；圖(c)是想利用重物在水中受浮力作用而上升，帶動(dòng)輪子不停地轉(zhuǎn)動(dòng)。請(qǐng)仔細(xì)分析這些永動(dòng)機(jī)的設(shè)想，指出它們不可能實(shí)現(xiàn)的原因。提示：圖(a)設(shè)計(jì)，利用了杠桿的原理，認(rèn)為左側(cè)球的力臂長，力矩大，右側(cè)球的力臂短，力矩小，故輪能逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)際上，左側(cè)球不如右側(cè)球數(shù)量多，左、右力矩平衡，輪子不可能永遠(yuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。圖(b)設(shè)計(jì)，利用棉線吸水到高處，水流下時(shí)推動(dòng)輪子上的葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)際上棉線吸水是由于水的表面張力，當(dāng)棉線吸水后，表面張力等于水的重力和摩擦阻力時(shí)，吸水停止，上邊的水流完后，輪子也就不再轉(zhuǎn)動(dòng)了。圖(c)設(shè)計(jì)，右邊的物體浸在水中，受浮力作用，推動(dòng)右側(cè)重物上升，左側(cè)重物下降，帶動(dòng)輪子不停地轉(zhuǎn)動(dòng)。實(shí)際上，上面的重物漏出水面，下面的重物進(jìn)入右側(cè)容器時(shí)，就算不考慮漏水的技術(shù)問題，也應(yīng)考慮下面進(jìn)入的重物要承受上面水的壓力，這個(gè)壓力很大，可抵消上面幾個(gè)重物所受的浮力，因此，這個(gè)永動(dòng)機(jī)也就無法永動(dòng)了。

科學(xué)思維——熱力學(xué)第一定律的應(yīng)用2．(選自粵教版新教材課后練習(xí))如圖所示，一定質(zhì)量的理想氣體從狀態(tài)A經(jīng)等壓過程到狀態(tài)B。此過程中，氣體壓強(qiáng)p＝1.0×105Pa，吸收的熱量Q＝7.0×102J，求此過程中氣體內(nèi)能的增量。答案：氣體內(nèi)能增加了5.0×102J二、新題目精選——品立意深處所蘊(yùn)含的核心價(jià)值1．(多選)某?！翱苿?chuàng)社”在學(xué)校操場進(jìn)行水火箭發(fā)射、航模飛行等展示活動(dòng)。此次活動(dòng)激起了該校師生在工作和學(xué)習(xí)之余的科技創(chuàng)新熱情。水火箭是一種用水的壓力來推進(jìn)的模型火箭，同學(xué)們利用廢棄的飲料瓶制作成動(dòng)力艙、箭體、箭頭、尾翼、降落傘，灌入三分之一的水后，利用打氣筒充入空氣，等到達(dá)一定的壓力后噴水獲得反沖力而發(fā)射。噴水過程可以認(rèn)為瓶內(nèi)氣體與外界絕熱，則在噴水階段

(

)A．瓶內(nèi)氣體體積增大，外界對(duì)氣體做正功B．瓶內(nèi)氣體內(nèi)能減小，溫度降低C．噴水階段機(jī)械能轉(zhuǎn)換為內(nèi)能D．瓶內(nèi)氣體壓強(qiáng)減小，即瓶內(nèi)壁單位面積上所受氣體分子撞擊的作用力減小解析：在噴水過程中，瓶內(nèi)氣體體積增大，氣體對(duì)外界做功，W<0，故A錯(cuò)誤；在噴水過程中，瓶內(nèi)氣體與外界絕熱，Q＝0，由熱力學(xué)第一定律ΔU＝W＋Q可知，瓶內(nèi)氣體內(nèi)能減小，溫度降低，故B正確；噴水階段氣體內(nèi)能減小，而物體運(yùn)動(dòng)，機(jī)械能增加，所以內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，故C錯(cuò)誤；瓶內(nèi)氣體壓強(qiáng)減小，即瓶內(nèi)壁單位面積上