第1、2節(jié)　熱力學第一定律　能量的轉(zhuǎn)化與守恒　

第3章熱力學定律第1、2節(jié)熱力學第一定律能量的轉(zhuǎn)化與守恒核心素養(yǎng)導學物理觀念(1)知道熱力學第一定律的內(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)知道第一類永動機是不可能實現(xiàn)的?？茖W思維能運用熱力學第一定律解釋和計算能量的轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)移問題?？茖W探究探究能量的轉(zhuǎn)化過程和總量的變化情況。科學態(tài)度與責任(1)理解能量和能量守恒觀念對世界統(tǒng)一性的意義。(2)體會科學探索中的挫折和失敗對科學發(fā)現(xiàn)的意義，知道科學發(fā)現(xiàn)需要科學家共同努力。一、功、熱量與內(nèi)能1．改變物體內(nèi)能的兩種方式：______和________。2．功、熱量和內(nèi)能改變的關(guān)系(1)如果物體與外界無熱傳遞，外界對物體做功，物體的內(nèi)能______；物體對外做功，物體的內(nèi)能_______。(2)如果物體既不對外做功，外界也不對物體做功，則物體從外界吸收熱量時，它的內(nèi)能_______；物體向外放出熱量時，它的內(nèi)能_______。3．熱力學第一定律(1)內(nèi)容：物體內(nèi)能的改變量ΔU等于外界對物體所做的______與物體從外界吸收的______之和。(2)表達式：ΔU＝_________。做功熱傳遞增加減少增加減少功W熱量QQ＋W二、第一類永動機1．定義：不用消耗任何_____而能永遠對外_____的機器，稱為第一類永動機。2．第一類永動機不可能實現(xiàn)的原因：違背了___________________。三、能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)能量守恒定律及其應用1．對能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)做出貢獻的科學家有_____、______和___________。2．能量守恒定律：能量既不會_____，也不會______，它只能從一種形式_____為其他形式，或者從一個物體_____到其他物體，而能量的總值__________。3．意義：揭示了自然科學各個分支之間的__________，是自然界內(nèi)在統(tǒng)一性的第一個有力證據(jù)。能量做功熱力學第一定律邁爾焦耳亥姆霍茲消失創(chuàng)生轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)移保持不變普遍聯(lián)系4．應用(1)各種形式的能可以相互轉(zhuǎn)化。在能量轉(zhuǎn)化過程中總伴有_______的產(chǎn)生。(2)各種互不相關(guān)的物理現(xiàn)象，可以用______________聯(lián)系在一起。(3)熱力學第一定律就是能量守恒定律在________領(lǐng)域內(nèi)的具體體現(xiàn)。內(nèi)能能量守恒定律熱現(xiàn)象1.在寒冷的冬季，人們常常生火取暖，當雙手靠近火源時，我們就會感受到手變暖和了。請對以下說法作出判斷：(1)烤火是通過熱傳遞的方式增加手的內(nèi)能。

()(2)手變暖和了，是內(nèi)能較大的火源將內(nèi)能傳給了內(nèi)能較小的人的緣故。

()(3)傳熱只能發(fā)生在兩個溫度不同的物體之間，同一物體，內(nèi)部不發(fā)生傳熱現(xiàn)象。()√××2.

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能不變，內(nèi)能不變。放水過程中氣體體積增大，對外做功，由熱力學第一定律可知，車胎內(nèi)氣體吸熱。3．“全自動”機械手表，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。由此，有人設想了如圖所示的新能源汽車。請對以下說法作出判斷：(1)“全自動”機械手表是一種永動機。

()(2)如圖所示的新能源汽車是能夠?qū)崿F(xiàn)的。

()(3)“全自動”機械手表是通過手臂的運動獲得能量，供手表指針轉(zhuǎn)動，不是永動機。

()××√新知學習(一)|對熱力學第一定律的理解及應用[任務驅(qū)動]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)，請在圖像基礎(chǔ)上思考以下問題：(1)在變化過程中是氣體對外做功，還是外界對氣體做功？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。

[重點釋解]1．公式ΔU＝Q＋W中符號的規(guī)定符號QWΔU＋物體吸熱外界對物體做功內(nèi)能增加－物體放熱物體對外界做功內(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，表明物體對外界做功，W<0。(2)若物體體積減小，表明外界對物體做功，W>0。[典例體驗][典例]一定質(zhì)量的實際氣體從外界吸收了4.2×105J的熱量，同時氣體對外做了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，氣體對外做功，故W＝－6×105J，由熱力學第一定律有ΔU＝W＋Q＝(－6×105J)＋(4.2×105J)＝－1.8×105J。ΔU為負，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)因為氣體對外做功，所以氣體的體積膨脹，分子間的距離增大了，分子力做負功，氣體分子勢能增加。(3)因為氣體內(nèi)能減少，同時氣體分子勢能增加，說明氣體分子的平均動能一定減少。[答案]

(1)減少1.8×105J

(2)增加(3)減少/方法技巧/應用熱力學第一定律解題的方法(1)明確研究對象是哪個物體或者是哪個熱力學系統(tǒng)。(2)分別找出題目中研究對象吸收或放出的熱量；外界對研究對象所做的功或研究對象對外界所做的功；研究對象內(nèi)能的增加量或減少量。(3)根據(jù)熱力學第一定律ΔU＝Q＋W列出方程進行求解。(4)特別注意物理量的正負號及其意義。[針對訓練]1．(2023·天津高考)如圖是爬山所帶的氧氣瓶，爬高過程中，氧

氣瓶里的氣體體積和質(zhì)量均不變，溫度降低，則氣體

(

)A．對外做功

B．內(nèi)能減少C．吸收熱量

D．壓強不變解析：爬高過程中，氣體的體積保持不變，則氣體對外不做功，A錯誤；爬高過程中，氣體溫度降低，則氣體的內(nèi)能減少，B正確；根據(jù)熱力學第一定律可知ΔU＝W＋Q，又W＝0，ΔU<0，則Q<0，即氣體放出熱量，C錯誤；爬高過程中，氣體的體積不變，溫度降低，根據(jù)查理定律p＝CT，可知氣體的壓強減小，D錯誤。答案：B

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)能等于吸收的熱量新知學習(二)|對能量守恒定律的理解[重點釋解]1．能量的存在形式及相互轉(zhuǎn)化(1)各種運動形式都有對應的能：機械運動有機械能，分子的熱運動有內(nèi)能，還有電磁能、化學能、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，化學能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；列車剎車后，輪子溫度升高，機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。2．與某種運動形式對應的能是否守恒是有條件的例如，物體的機械能守恒，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．第一類永動機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)對外做功是要以內(nèi)能減少為代價的。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][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，因為定頻空調(diào)開機時就等同于汽車啟動時，很耗能，是正常運行的5～7倍?？照{(diào)在工作時達到設定溫度就停機，等溫度高了再繼續(xù)啟動。這樣的頻繁啟動，耗電多，而變頻空調(diào)啟動時有一個由低到高的過程，運行過程是自動變速來保持室內(nèi)溫度，從開機到關(guān)機中間不停機，而是達到設定溫度后就降到最小功率運行，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，運行中不遵守能量守恒定律B．變頻空調(diào)運行中做功少，轉(zhuǎn)化能量多C．變頻空調(diào)在同樣工作條件下運行效率高，省電D．變頻空調(diào)與定頻空調(diào)做同樣功時，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錯誤；功是能量轉(zhuǎn)化的量度，做同樣的功，消耗同樣電能，B錯誤，D正確；由變頻空調(diào)的工作特點可知省電的原因是效率高，C正確。[答案]

CD[針對訓練]1．“第一類永動機”是不可能制成的，這是因為它

(

)A．不符合熱力學第一定律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計方案解析：“第一類永動機”是不可能制成的，因為它違背了能量守恒定律，即熱力學第一定律，故A正確，B、C、D錯誤。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．工作中的電風扇，消耗的電能大于輸出的機械能，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，動能消失，能量不守恒D．同時做自由落體運動的物體，質(zhì)量越大，勢能減少越快，機械能減少也越快解析：馬兒跑的時候需要消耗能量，而草能夠為馬兒提供能量，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；工作中的電風扇，消耗的電能大于輸出的機械能，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，減小的動能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，能量守恒，故C錯誤；同時做自由落體運動的物體，運動的快慢與質(zhì)量無關(guān)，減少的勢能轉(zhuǎn)化為動能，機械能不變，故D錯誤。答案：A

一、好素材分享——看其他教材如何落實核心素養(yǎng)

科學思維——熱力學第一定律的應用1．(選自粵教版新教材課后練習)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。

科學態(tài)度與責任——發(fā)電廠能量轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移分析2．(選自滬科版新教材課后練習)如圖是一個現(xiàn)代的燃煤蒸汽發(fā)電廠的運行流程示意圖，請從能量的角度分析各生產(chǎn)部門(燃燒室、鍋爐、渦輪機、發(fā)電機、冷凝器)之間能量轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的情況。.提示：燃燒室將燃料的化學能轉(zhuǎn)化為鍋爐內(nèi)水的內(nèi)能，再通過熱蒸汽轉(zhuǎn)化為渦輪機的機械能，經(jīng)發(fā)電機轉(zhuǎn)化為電能，通過渦輪機的熱蒸汽經(jīng)冷凝器使水的溫度升高，轉(zhuǎn)化為水的內(nèi)能，較冷的蒸汽回到鍋爐再次循環(huán)。二、新題目精選——品立意深處所蘊含的核心價值1．(多選)某?！翱苿?chuàng)社”在學校足球場進行水火箭發(fā)射、航模飛行等展示活動。此次活動激起了該校師生在工作和學習之余的科技創(chuàng)新熱情。水火箭是一種用水的壓力來推進的模型火箭，同學們利用廢棄的飲料瓶制作成動力艙、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，等到達一定的壓力后噴水獲得反沖力而發(fā)射。噴水過程可以認為瓶內(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．噴水階段機械能轉(zhuǎn)換為內(nèi)能D．瓶內(nèi)氣體壓強減小，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，氣體對外界做功，W<0，故A錯誤；在噴水過程中，瓶內(nèi)氣體與外界絕熱，Q＝0，由熱力學第一定律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，而物體運動，機械能增加，所以內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能，故C錯誤；瓶內(nèi)氣體壓強減小，即瓶內(nèi)壁單位面積上所受氣體分子撞擊的作用力減小，故