第第4章能量守恒与热力学定律章能量守恒与热力学定律第第1节能量守恒定律的发现节能量守恒定律的发现第第2节热力学第一定律节热力学第一定律课前自主学案课前自主学案核心要点突破核心要点突破课堂互动讲练课堂互动讲练课标定位课标定位知能优化训练知能优化训练 第第 1、2节课标定位定位学学习目目标：1.理解能量守恒定律，会用能量守恒的理解能量守恒定律，会用能量守恒的观点分析解决有关点分析解决有关问题2理解物体跟外界做功和理解物体跟外界做功和热传递的的过程及程及W、Q、U的物理定的物理定义3理解理解热力学第一定律，并能运用力学第一定律，并能运用热力学第一定力学第一定律分析和律分析和计算有关算有关问题重点重点难点：点：1.理解第一理解第一类永永动机是不可能制成的原机是不可能制成的原因因2理解、理解、应用用热力学第一定律和能量守恒定律力学第一定律和能量守恒定律课前自主学案课前自主学案一、能量守恒定律的一、能量守恒定律的发现1能量形式与能量能量形式与能量转化化(1)各各种种能能量量：自自然然界界存存在在着着多多种种不不同同形形式式的的运运动，每每种种运运动对应着着一一种种形形式式的的能能量量如如机机械械运运动对应_；分分子子热运运动对应_；电磁磁运运动对应_(2)各各种种能能量量之之间可可以以互互相相转化化：不不同同形形式式的的能能量量之之间可可以以相相互互转化化摩摩擦擦可可以以将将_转化化为内内能能；炽热电灯灯发光可以将光可以将_转化化为光能光能机械能机械能内能内能电磁能磁能机械能机械能电能能2能量守恒定律能量守恒定律发现的的历史背景史背景(1)蒸蒸汽汽技技术的的发展展：18世世纪80年年代代，蒸蒸汽汽机机的的发展展和和使使用用，证明明了了_可可以以转化化为_、推推动了了热力学理力学理论的的发展展(2)各种基本运各种基本运动形式之形式之间普遍普遍联系性的系性的发现17世世纪中中叶叶：物物理理学学家家提提出出“运运动量量”_的的思思想想18世世纪未未到到19世世纪初初：各各种种自自然然现象象之之间的的普普遍遍联系被系被发现，_的概念被引入的概念被引入内能内能机械能机械能守恒守恒能能(3)永永动机研制的失机研制的失败概概念念：一一种种不不消消耗耗能能量量却却可可源源源源不不断断_的机器叫永的机器叫永动机，并称机，并称为第一第一类永永动机机结果：无一例外地果：无一例外地归于失于失败原因：原因：违背背_原理原理对外做功外做功能量守恒能量守恒3能量守恒定律的能量守恒定律的发现与确立与确立(1)能能量量守守恒恒定定律律内内容容：能能量量既既不不会会凭凭空空产生生，也也不不会会凭凭空空消消失失，它它只只能能从从一一种种形形式式_为另另一一种种形形式式，或或者者从从一一个个物物体体_到到另另一一个个物物体体，在在转化或化或转移的移的过程中程中_不不变(2)意意义各种形式的能可以各种形式的能可以_各各种种物物理理现象象可可以以用用_联系系在在一起一起转化化转移移其其总量量相互相互转化化能量守恒定律能量守恒定律思考感悟思考感悟1不耗油的汽不耗油的汽车能不能制成？能不能制成？为什么？什么？提提示示：能能制制成成可可以以用用太太阳阳能能、电能能等等能能源源代代替替石石油油能能源源，制制造造太太阳阳能能汽汽车、电动汽汽车等等，但但是是不不消消耗耗任任何何能能量量的的汽汽车不不可可能能制制成成，因因为它它违背能量守恒定律背能量守恒定律二、二、热力学第一定律力学第一定律1改改变物物体体内内能能的的两两种种方方式式：_与与_两者在改两者在改变系系统内能方面是等效的内能方面是等效的2热力学第一定律力学第一定律(1)内内容容：如如果果物物体体跟跟外外界界同同时发生生做做功功和和热传递的的过程程，那那么么外外界界对物物体体_加加上上物物体体从从外外界界_等于物体内能的增加等于物体内能的增加(2)数学表达式：数学表达式：U_.做功做功热传递所做的功所做的功吸收的吸收的热量量QW思考感悟思考感悟2外外界界对物物体体做做功功10J，物物体体内内能能改改变了了多多少少？若若外外界界对物物体体传递10J的的热量量，物物体体内内能能改改变了了多多少少？能否能否说明明10J的功等于的功等于10J的的热量？量？提提示示：无无论外外界界对物物体体做做功功10J，还是是外外界界给物物体体传递10J的的热量量，物物体体内内能能都都增增加加了了10J，说明明做做功功和和热传递在在改改变物物体体内内能能上上是是等等效效的的，不不能能说10J的的功功等于等于10J的的热量，因量，因为功与功与热量具有本量具有本质区区别核心要点突破核心要点突破一、功、一、功、热量和内能之量和内能之间的关系的关系1功和内能的关系功和内能的关系(1)内能与内能内能与内能变化的关系化的关系 物物体体的的内内能能是是指指物物体体内内所所有有分分子子的的动能能和和势能能之之和因此物体的内能是一个状和因此物体的内能是一个状态量量当当物物体体温温度度变化化时，分分子子平平均均动能能变化化物物体体体体积变化化时，分分子子势能能发生生变化化，因因此此物物体体的的内内能能变化只由初、末状化只由初、末状态决定，与中决定，与中间过程及方式无关程及方式无关(2)做功与内能做功与内能变化的关系化的关系做功改做功改变物体内能的物体内能的过程是其他形式的能程是其他形式的能(如机械如机械能能)与内能相互与内能相互转化的化的过程程在在绝热过程中，外界程中，外界对物体做多少功，就有多少物体做多少功，就有多少其他形式的能其他形式的能转化化为内能，物体的内能就增加多少内能，物体的内能就增加多少(3)功和内能的区功和内能的区别功是功是过程量，内能是状程量，内能是状态量量在在绝热过程中，做功一定能引起内能的程中，做功一定能引起内能的变化化物体的内能大物体的内能大,并不意味着做功多在并不意味着做功多在绝热过程中程中,只有内能只有内能变化化较大大时，对应着做功着做功较多多特特别提提醒醒：在在绝热过程程中中，外外界界对系系统做做功功，系系统的的内内能能增增加加，外外界界对系系统做做多多少少功功，系系统的的内内能能就就增增加加多多少少；系系统对外外界界做做功功，系系统的的内内能能减减少少，系系统对外界做多少功，系外界做多少功，系统的内能就减少多少的内能就减少多少2热量、功和内能之量、功和内能之间的关系的关系内内能能是是由由系系统的的状状态决决定定的的状状态确确定定了了，系系统的的内内能能也也就就随随之之确确定定了了要要使使内内能能改改变，可可以以通通过做做功功和和热传递两两种种方方式式来来完完成成，功功和和热量量都都是是过程程量量，两两者者对改改变系系统的的内内能能是是等等效效的的，但但做做功功是是其其他他形形式式的的能能量量转化化为内内能能，功功的的多多少少是是内内能能转化化的的量量度度，在在绝热的的过程程中中，对物物体体做做了了多多少少功功，内内能能就就增增加加多多少少；物物体体对外外做做了了多多少少功功，内内能能就就减减少少多多少少热传递是是内内能能的的转移移，热量量是是内能内能转移的量度，在没有做功的情况下，物体吸移的量度，在没有做功的情况下，物体吸收收了了多多少少热量量，就就增增加加多多少少内内能能，或或放放出出了了多多少少热量量，就就减减少少多多少少内内能能有有过程程(做做功功或或热传递)，才才有有变化化(内内能能改改变)，离离开开过程程，功功和和热量量将将毫毫无无意意义就就某某一一状状态而而言言，只只有有“内内能能”，根根本本不不存存在在“功功”和和“热量量”因因此此不不能能说物物体体中中含含有有“多多少少热量量”或或“多多少少功功”可可以以说物物体体很很热，这指指的的是是物体的温度很高物体的温度很高特特别提提醒醒：热传递改改变物物体体内内能能的的过程程是是物物体体间内内能能转移移的的过程程热传递使使物物体体的的内内能能发生生变化化时，内内能能改改变的的多多少少可可用用热量量来来量量度度物物体体吸吸收收了了多多少少热量量，物物体体的的内内能能就就增增加加多多少少；物物体体放放出出了了多多少少热量，物体的内能就减少多少量，物体的内能就减少多少即即时应用用(即即时突破，小突破，小试牛刀牛刀)1对于于热量量、功功和和内内能能三三者者的的关关系系下下列列说法法中中正正确确的是的是()A三者三者单位相同，物理意位相同，物理意义相同相同B热量和功是内能的量度量和功是内能的量度C热量和功由量和功由过程决定，而内能由物体状程决定，而内能由物体状态决定决定D系系统内内能能增增加加了了100J，可可能能是是外外界界采采用用绝热方方式式对系系统做做功功100J，也也可可能能是是外外界界单纯地地对系系统传热100J解解析析：选CD.热量量、功功和和内内能能三三者者尽尽管管单位位相相同同，但但物物理理意意义有有本本质区区别，A错热量量和和功功由由过程程决决定定，内内能能由由物物体体状状态决决定定，热量量和和功功是是内内能能变化化的的量量度度，C对，B错对一一个个绝热过程程UW100J,对一个一个单纯热传递过程程UQ100J，D对二、二、热力学第一定律与改力学第一定律与改变内能的两种方式内能的两种方式1对热力学第一定律的理解力学第一定律的理解(1)对UWQ的的理理解解：热力力学学第第一一定定律律是是对单纯的的绝热过程程和和单纯的的热传递过程程中中内内能能改改变的的定定量量表表达达推推广广到到一一般般情情况况，既既有有做做功功又又有有热传递的的过程程，其其中中U表表示示内内能能改改变的的数数量量，W表表示示做做功的数量，功的数量，Q表示外界与物体表示外界与物体间传递的的热量量(2)对公式公式UQW符号的符号的规定定符号符号WQU外界外界对物体做功物体做功 物体吸收物体吸收热量量内能增加内能增加物体物体对外界做功外界做功 物体放出物体放出热量量内能减少内能减少2.改改变内能的两种方式比内能的两种方式比较比比较项目目做功做功热传递内能内能变化化外界外界对物体做功，物体做功，物体的内能增加物体的内能增加物体物体对外做功，物外做功，物体的内能减少体的内能减少物体吸收物体吸收热量，内量，内能增加物体放出能增加物体放出热量，内能减少量，内能减少物理物理实质其他形式的能与内其他形式的能与内能之能之间的的转化化不同物体不同物体间或同一或同一物体不同部分之物体不同部分之间内能的内能的转移移相互相互联系系做一定量的功或做一定量的功或传递一定量的一定量的热在改在改变内内能的效果上是相同的能的效果上是相同的3.几种特殊情况几种特殊情况(1)若若过程是程是绝热的，的，则Q0，WU，外界，外界对物物体做的功等于物体内能的增加体做的功等于物体内能的增加(2)若若过程中不做功，即程中不做功，即W0，则QU，物体吸，物体吸收的收的热量等于物体内能的增加量等于物体内能的增加(3)若若过程的始末状程的始末状态物体的内能不物体的内能不变，即，即U0,则WQ0或或WQ，外界，外界对物体做的功等于物物体做的功等于物体放出的体放出的热量量特特别提提醒醒：研研究究对象象为气气体体时，膨膨胀过程程(除除向向真真空空中中自自由由膨膨胀外外)，气气体体对外外做做功功，压缩过程程,外界外界对气体做功气体做功4应用用热力学第一定律解力学第一定律解题的思路与步的思路与步骤(1)首首先先应明明确确研研究究对象象是是哪哪个个物物体体或或者者是是哪哪个个热力力学系学系统(2)分分别列列出出物物体体(或或系系统)吸吸收收或或放放出出的的热量量；外外界界对物物体体(或或系系统)所所做做的的功功或或物物体体(或或系系统)对外外界界所所做做的功的功(3)根根据据热力力学学第第一一定定律律UQW列列出出方方程程进行行求求解解(4)特特别注意的就是物理量的正注意的就是物理量的正负号及其物理意号及其物理意义即即时应用用(即即时突破，小突破，小试牛刀牛刀)2.如如图411所所示示，某某同同学学将将空空的的薄薄金金属属筒筒开开口口向向下下压入入水水中中设水水温温均均匀匀且且恒恒定定，筒筒内内空空气气无无泄泄漏漏，不不计气气体体分分子子间相相互互作作用用，则被被淹淹没没的的金金属属筒筒在在缓慢慢下下降降过程程中中，筒筒内内空空气气体体积减减小小，则空气空气()图411A从外界吸从外界吸热B内能增大内能增大C向外界放向外界放热D内能减小内能减小解解析析：选C.缓慢慢下下降降的的过程程中中，筒筒内内空空气气的的温温度度与与水水温温始始终相相同同，即即空空气气温温度度不不变由由于于不不计气气体体分分子子间的的相相互互作作用用，分分子子势能能始始终为零零，筒筒内内空空气气分分子子的的平平均均动能能不不变，所所以以筒筒内内空空气气的的内内能能不不变筒筒内内空空气气的的体体积减减小小，外外界界对气气体体做做功功，根根据据热力力学学第第一一定定律律：UWQ，可可知知筒筒内内空空气向外放气向外放热三、三、对能量守恒定律的理解能量守恒定律的理解1能量的存在形式及相互能量的存在形式及相互转化化各各种种运运动形形式式都都有有对应的的能能：机机械械运运动有有机机械械能能，分分子子的的热运运动有有内内能能，还有有诸如如电磁磁能能、化化学学能能、原子能等原子能等各各种种形形式式的的能能，通通过某某种种力力做做功功可可以以相相互互转化化，例例如如：利利用用电炉炉取取暖暖或或烧水水，电能能转化化为内内能能；煤煤燃燃烧，化化学学能能转化化为内内能能；列列车刹刹车后后，轮子子温温度度升升高，机械能高，机械能转化化为内能内能2与某种运与某种运动形式形式对应的能是否守恒是有条件的的能是否守恒是有条件的,例如，物体的机械能守恒例如，物体的机械能守恒,必必须是只有重力做功；是只有重力做功；而能量守恒定律是没有条件的，它是一切自然界而能量守恒定律是没有条件的，它是一切自然界现象都遵守的基本象都遵守的基本规律律3能量守恒定律的重要意能量守恒定律的重要意义(1)找到了各种自然找到了各种自然现象的公共量度象的公共量度能量，从能量，从而把各种自然而把各种自然现象用定量象用定量规律律联系起来，揭示了系起来，揭示了自然自然规律的多律的多样性和性和统一性一性(2)突破了人突破了人们关于物关于物质运运动的机械的机械观念的范念的范围，从本从本质上表明了各种运上表明了各种运动形式之形式之间相互相互转化的可化的可能性能量守恒定律比机械能守恒定律更普遍，能性能量守恒定律比机械能守恒定律更普遍，它是物理学中解决它是物理学中解决问题的重要思的重要思维方法能量守方法能量守恒定律与恒定律与电子的子的发现、达、达尔尔文的文的进化化论并称并称19世世纪自然科学中三大自然科学中三大发现，其重要意，其重要意义由此可由此可见(3)具有重大具有重大实践意践意义，即，即彻底粉碎了永底粉碎了永动机的幻机的幻想想4第一第一类永永动机失机失败的原因分析的原因分析如果没有外界如果没有外界热源供源供给热量，量，则有有U2U1W，就，就是是说，如果系，如果系统内能减少，即内能减少，即U2U1，则W0，系系统对外做功是要以内能减少外做功是要以内能减少为代价的，若想源源代价的，若想源源不断地做功，就必不断地做功，就必须使系使系统不断回到初始状不断回到初始状态，在，在无外界能量供无外界能量供给的情况下，是不可能的的情况下，是不可能的特特别提提醒醒：层出出不不穷的的永永动机机设计方方案案，由由于于违背背了了能能量量守守恒恒定定律律，无无一一例例外外地地宣宣布布失失败，人人类制造永制造永动机的企机的企图是没有任何成功希望的是没有任何成功希望的即即时应用用(即即时突破，小突破，小试牛刀牛刀)3.(2011年浙江金年浙江金华十校十校联考考)如如图412所示的所示的绝热容器中，容器中，A、B各有一个可自由移各有一个可自由移动的的轻活塞，活活塞，活图412塞塞下下面面是是水水，上上面面是是空空气气，大大气气压恒恒定定A、B底底部部由由带有有阀门K的的管管道道相相连，整整个个装装置置与与外外界界绝热原原先先A中中水水面面比比B中中高高，打打开开阀门，使使A中中的的水水逐逐渐向向B中中流流动，最最后后达达到到平平衡衡在在这个个过程程中中，下下面面说法法正正确的是确的是()A大气大气压力力对水做功，水的内能不水做功，水的内能不变B水克服大气水克服大气压力做功，水的内能减少力做功，水的内能减少C大气大气压力力对水不做功，水的内能不水不做功，水的内能不变D大大气气压力力对水水不不做做功功，水水的的机机械械能能减减少少，内内能增加能增加解解析析：选D.水水的的体体积未未变，故故大大气气压力力不不做做功功，故故A、B错；该过程程中中水水的的重重心心降降低低，重重力力势能能减少，机械能减少，机械能转化化为水的内能，故水的内能，故D对课堂互动讲练课堂互动讲练类型一类型一功、热量和内能的区别与联系功、热量和内能的区别与联系 对于于热量、功和内能三者的量、功和内能三者的说法正确的是法正确的是 ()A热量、功、内能三者的物理意量、功、内能三者的物理意义相同相同B热量、功都可以作量、功都可以作为物体内能的量度物体内能的量度C热量、功、内能的量、功、内能的单位不相同位不相同 D热量量和和功功是是由由过程程决决定定的的，而而内内能能是是由由物物体体状状态决定的决定的例例例例1 1【精精讲精精析析】物物体体的的内内能能是是指指物物体体所所有有分分子子的的动能能和和分分子子势能能的的总和和，而而要要改改变物物体体的的内内能能可可以以通通过做做功功和和热传递两两种种途途径径，这三三者者的的物物理理意意义不不同同，A项错热量量是是表表示示在在热传递过程程中中物物体体内内能能变化化多多少少的的物物理理量量，而而功功也也是是用用做做功功的的方方式式来来量量度度改改变物物体体内内能能多多少少的的物物理理量量，B项错三三者者单位位都都是是焦焦耳耳，C项错,热量和功是量和功是过程量，内能是状程量，内能是状态量，量，D项正确正确【答案答案】D【方法方法总结】区区别热量、功和内能的技巧量、功和内能的技巧(1)就就某某一一状状态而而言言，只只有有“内内能能”，根根本本谈不不上上“热量量”和和“功功”(2)就就某某一一过程程而而言言，“内内能能”有有变化化,与与“热量量”、“功功”对应(3)一一个个物物体体的的内内能能无无法法计算算，但但物物体体的的内内能能变化化是是可以可以计算的算的 (2011年高考江年高考江苏卷卷)(1)如如图413所示，一演示用的所示，一演示用的“永永动机机”转轮由由5根根轻杆和杆和转轴构成，构成，轻杆的末端装有用形状杆的末端装有用形状记忆合金合金 图413制制成成的的叶叶片片轻推推转轮后后，进入入热水水的的叶叶片片因因伸伸展展而而“划划水水”，推推动转轮转动离离开开热水水后后，叶叶片片形形状状迅迅速速恢恢复复，转轮因因此此能能较长时间转动下下列列说法法正确的是正确的是()例例例例2 2类型二类型二对热力学第一定律的理解及力学第一定律的理解及应用用A转轮依靠自身依靠自身惯性性转动，不需要消耗外界，不需要消耗外界能量能量B转轮转动所需能量来自形状所需能量来自形状记忆合金自身合金自身C转动的叶片不断的叶片不断搅动热水，水温升高水，水温升高D叶片在叶片在热水中吸收的水中吸收的热量一定大于在空气量一定大于在空气中中释放的放的热量量(2)如如图414所所示示，内内壁壁光光滑滑的的汽汽缸缸水水平平放放置置，一一定定质量量的的理理想想气气体体被被活活塞塞密密封封在在汽汽缸缸内内，外外界界大大气气压强强为p0.现对汽汽缸缸缓慢慢加加热，气气体体吸吸收收热量量Q后后，体体积由由V1增增大大为V2，则在在此此过程程中中，气气体体分分子子平平均均动能能_(选填填“增增大大”、“不不变”或或“减小减小”)，气体内能，气体内能变化了化了_图414【精精讲精精析析】(1)该永永动机机叶叶片片进入入水水中中，吸吸收收热量量而而伸伸展展划划水水，推推动转轮转动，离离开开水水面面后后向向空空气气中中放放热，叶叶片片形形状状迅迅速速恢恢复复，所所以以转动的的能能量量来来自自热水水，由由于于不不断断向向空空气气释放放热量量，所所以以水水温温逐逐渐降降低，低，A、B、C错，D对(2)气气体体做做等等压变化化，体体积变大大，温温度度升升高高，平平均均动能增大，内能的能增大，内能的变化化为UQp0(V2V1)【答案答案】(1)D(2)增大增大Qp0(V2V1)【方方法法总结】(1)要要明明确确研研究究的的对象象是是哪哪个个物物体或者体或者说是哪个是哪个热力学系力学系统(2)应用用热力力学学第第一一定定律律计算算时，要要依依照照符符号号法法则代代入入数数据据，对结果果的的正正、负，也也同同样依依照照符符号法号法则来解来解释其意其意义(2011年德州高二年德州高二检测)如如图415所示，一个所示，一个质量量为20kg的的绝热汽缸汽缸竖直放置，直放置，绝热活塞的活塞的质量量为5kg，处于静止状于静止状态时被封被封闭图415气气体体的的高高度度为50cm，现在在在在活活塞塞上上方方加加一一15kg的的物物体体，待待稳定定后后,被被封封闭气气体体的的高高度度变为40cm.求求在在这一一过程程中中气气体体的的内内能能增增加加了了多多少少？(g取取10m/s2，不考，不考虑活塞的大气活塞的大气压力及摩擦阻力力及摩擦阻力)例例例例3 3类型三类型三对能量守恒定律的理解及能量守恒定律的理解及应用用【思思路路点点拨】(1)绝热过程程内内能能增增加加，则应为其其他他形形式的能式的能转化化为内能内能(2)绝热过程程表表示示不不吸吸热，也也不不放放热；“导热性性能能良良好好且且过程程缓慢慢”表表示示此此过程程有有热传递发生生且且及及时充充分分，保持温度不保持温度不变【自自主主解解答答】由由能能的的转化化与与守守恒恒定定律律可可知知，内内能能的的增增加加等等于于活活塞塞和和物物体体重重力力势能能的的减减少少，UE(Mm)gh(155)10(5040)102J20J.【答案答案】20J变式式训练下下列列对能能量量的的转化化和和守守恒恒定定律律的的认识正正确的是确的是()A某某种种形形式式的的能能量量减减少少，一一定定存存在在其其他他形形式式能能量量的增加的增加B某某个个物物体体的的能能量量减减少少，必必然然有有其其他他物物体体的的能能量量增加增加C不不需需要要任任何何外外界界的的动力力而而持持续对外外做做功功的的机机器器永永动机是不可能制成的机是不可能制成的D石石子子从从空空中中落落下下，最最后后停停止止在在地地面面上上，说明明机机械能消失了械能消失了解解析析：选ABC.能能量量守守恒恒定定律律是是指指能能量量的的总量量不不变,但但更更重重要要的的是是指指转化化和和转移移过程程中中的的守守恒恒在在不不同同形形式式的的能能量量间发生生转化化，在在不不同同的的物物体体间发生生转移移不不需需要要任任何何外外界界动力力而而持持续对外外做做功功的的机机器器是是违背背能能量量守守恒恒定定律律的的，是是永永远不不可可能能制制成成的的机机械械能能转化化成成了了其其他他形形式式的的能能量而不能消失，能量是不会消失的量而不能消失，能量是不会消失的知能优化训练知能优化训练本部分内容讲解结束本部分内容讲解结束点此点此进入入课件目件目录按按ESC键退出全屏播放退出全屏播放谢谢使用使用同学们来学校和回家的路上要注意安全同学们来学校和回家的路上要注意安全