11.6 热力学第一定律 能量守恒定律

11.6 热力学第一定律能量守恒定律

教学目标

（1）理解和掌握物体跟外界做功和热传递的过程中W、Q、ΔU的物理意义。

（2）会确定的W、Q、ΔU正负号。

（3）理解热力学第一定律ΔU =W+Q

（4）会用ΔU =W+Q分析和计算问题。

（4）理解能量守恒定律，能列举出能量守恒定律的实例；

（5）理解“永动机”不能实现的原理。

引入新课

上节课我们学习了改变内能的两种方式，做功和热传递，那么它们之间有什么数量关系呢？以前我们还学习过电能、化学能等各种形式的能，它们在转化过程中遵守什么规律呢？这节课我们就来研究这些问题。

一、热力学第一定律

1、内容：一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的和。这个关系叫做热力学第一定律。

其数学表达式为：ΔU=W+Q

2、做功W、热传递Q、内能变化ΔU的物理意义

①做功：做功使物体内能发生变化，实质是能量的转化，是一种形式的能量向另一种形式的能转化。功是能量转化的量度。

②热传递：是能量的转移，内能由一个物体传递给给另一个物体，传递的能量用Q表示。

③内能的改变：是物体内所有分子动能和势能之和发生了变化，宏观表现在温度和体积上的变化。

④热力学第一定律说明了做功和热传递是系统内能改变的量度，没有做功和热传递就不可能实现能量的转化或转移，同时也进一步揭示了能量守恒定律。

②Q，物体吸热，Q取正值；物体放热，Q取负值。

③ΔU，物体内能增加，ΔU取正值；物体减少，ΔU取负值。

3、W、Q、ΔU之间的关系

一个物体，如果它既没有吸收热量也没有放出热量，那么，外界对它做多少功，它的内能就增加多少．

一个物体，如果它既没有对外做功，也没有其他物体对它做功，那么，它从外界吸收多少热量，它的内能就增加多少．

如果外界既向物体传热又对物体做功，那么物体内能的增加量就等于物体吸收的热量和外界对物体做的功之和．用ΔU表示物体内能的增加量，用Q表示物体吸收的热量，用W表示外界对物体做的功，那么ΔU=Q+W

这个式子所表示的，内能的变化量跟功、热量的定量关系，在物理学中叫做热力学第一定律．

4、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根据方程ΔU=W+Q求出未知量；

③再根据未知量结果的正、负来确定吸热、放热情况或做功情况。

二、能量守恒定律

1、能的转化和转移

自然界存在着多种不同形式的运动，每种运动对应着一种形式的能量。如机械运动对应机械能；分子热运动对应内能；电磁运动对应电磁能。

不同形式的能量之间可以相互转化。

①机械能与内能转化过程中能量守恒

一般情况下，如果物体跟外界同时发生做功和热传递过程，那么，外界对物体所做的功W加上物体从外界吸收的热量Q，等于物体内能的增加ΔE，即W+Q=ΔE

上式所表示的是功、热量和内能之间变化的定量关系，同时它也反映了一个物体的内能增加量等于物体的机械能减少量和另外物体内能减少量（内能转移量）之和。进而说明，内能和机械能转化过程中能量是守恒的。

②其他形式的能也可以和内能相互转化

电炉取暖：电能→内能

煤燃烧：化学能→内能

炽热灯灯丝发光：内能→光能

③其他形式的能彼此之间都可以相互转化。画出图表让学生回答分析：

2、能的转化和守恒定律

大量事实证明：各种形式的能都可以相互转化，并且在转化过程中守恒。

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另一种形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中其总量不变。

热力学第一定律、机械能守恒定律都是能量守恒定律的具体体现。

能量守恒定律适用于任何物理现象和物理过程。

3、科学家对能量守恒的探索

对于能量守恒，科学家进行了长期的探索：1801年，戴维发现了电流的化学效应；1820年，奥斯特发现了电流的磁效应；1821年，塞贝克发现了温差电现象；1831年，法拉第发现了电磁感应现象；1840年，焦耳发现了电流的热效应；1842年，迈尔表述了能量守恒定律，并计算出热功当量的数值；1843年，焦耳测定了热功当量的数值。从而，确立了电化学、电和磁、电和热、力和热等自然现象之间的联系。1847年，亥姆霍兹在理论上概括和总结了能量守恒定律。……

发现能量守恒定律的历史表明，能量守恒定律的发现不是偶然的它是人类对自然认识发展到一定阶段的产物；除了物理学外，别的学科对能量守恒定律的发现也有贡献。

4、能量守恒定律的重要意义

能量守恒定律是经过人类的长期探索在19世纪确立的。恩格斯曾经把这一定律称为“伟大的运动基本规律”，认为它的发现是19世纪连同细胞学说、达尔文的生物进化论在内的自然科学的三大发现之一。

能量守恒定律自建立以来，就是人们认识自然、改造自然的有力武器。这个定律把广泛的自然科学技术领域联系起来使不同领域的科学工作者具有了一系列的共同语言，并取得了许多重大成就。现在，能量守恒定律仍然是我们研究自然科学的强有力的武器之一。

宣告了第一类永动机的失败。

三、永动机不可能制成

历史上不少人希望设计一种机器，这种机器不消耗任何能量，却可以源源不断地对外做功。这种机器被称为永动机。虽然很多人，进行了很多尝试和各种努力，但无一例外地以失败告终。失败的原因是设计者完全违背了能的转化和守恒定律，任何机器运行时其能量只能从一种形式转化为另一种形式，而不可能无中生有地创造能量。如果它对外做功必然消耗能量，不消耗能量就无法对外做功，因而永动机是永远不可能制造成功的。

1、第一类永动机：人们把设想中的不消耗能量的机器叫第一类永动机。

2、第一类永动机的设想由于违背了能量守恒定律，所以不可能制成

1．有一种所谓“全自动”机械手表，既不需要上发条，也不用任何电源，却能不停地走下去。这是不是一种永动机？如果不是，你知道维持表针走动的能量是哪儿来的吗？

提示：不是永动机。能量是通过摆动手臂对表内的转轮做功而储存的。

2．在一间隔热很好的密闭房间里放一台电冰箱，如果把冰箱门打开，开动一段时间后，房内温度是降低还是升高？

提示：升高了。因为电冰箱消耗电能，产生电热，使密闭房间内的空气内能增加，房内温度升高。

3．能的转化和守恒定律的建立

能的转化和守恒定律的建立，揭示了机械热、电、化学等各种运动形式之间相互联系并相互转化的统一性，是物理学发展史上继牛顿学将天体运动与地面物体运动的大综合之后的第二次大综合，恩格斯将这一伟大的运动基本定律称为19世纪自然科学的三大发现之一，它不仅是自然科学的基础，而且也给哲学上的不灭运动原理和自然界运动形式的统一性提供了可靠的科学论据。

4．关于太阳能的转化

太阳能辐射到地球表面，产生热量和化学能，能量给地球以温暖，推动地表水的循环和空气的流动。

化学能被植物经过化学作用所利用，产生糖类及其其它有机物，成为生命活动的能源，一个活的生命体可以看作是一个利用太阳能以维持自身生命，并延续下一代的化学系统。太阳能有广泛的应用，其辐射的直接利用基本上有以下四种方式：

(1).太阳能——内能转换

这是目前技术最为成熟，成本最为低廉，因而应用最为广泛的形式，其基本原理是将太阳辐射能收集起来，利用温室效应来加热物体而获得内能，如地膜、大棚、温室等，目前使用较多的太阳能收集装置有两种，一种是平板式集热器，如太阳能热水器等，另一种是聚集型集热器，如反射式太阳灶、高温太阳炉等。

(2).太阳能——电能转换

太阳能与电能转换有两种方式，一种是利用太阳辐射能发电，一般是由太阳能集热器将吸收的太阳能转换成蒸汽，再驱动汽轮机发电，但这一过程效率较低并且成本高，没有实用价值；另一种是太阳能与电能的转换，是利用光电效应，将太阳辐射能直接转化成电能。

(3).太阳能——化学能转换

利用太阳辐射能可以转化为化学键中的化学能，进而生成新物质，或利用其分解化学物质生成新物质。例如直接分解水制氢，是一种很有前途的光能与化学能的转化方式。

(4).太阳能——生物质能的转换

主要是通过地球上众多的植物的光合作用，将太阳辐射能转化为生物质能。生物能又叫绿色能源，是植物体燃烧放出的热能。此外，叶绿素通过光合作用把二氧化碳和水转化成碳水化合物和氧气，这时太阳能转化成储存在植物内有机物的化学能。

5.课本“说一说”

提示：设计者认为当轮子被起动后，由于轮子右边的各重锤距轮心更远些，就会带动轮子按箭头方向永不停息地转动下去。其实，轮子右边的各重锤距轮心虽然更远些，但其数目较少，左边的各重锤距轮心虽然近些，但其数目较多，它们的作用是阻碍轮子的运动，又由于摩擦和空气阻力的存在，“永动机”不可能永远运动下去。

能量守恒和转化定律的建立

能量守恒定律是物理学中一个具有普遍意义的原理，涉及的范围非常广泛，不仅适用于无机界，也适用于生命过程。能量守恒定律是19世纪最伟大的发现之一，也是自然科学长期发展的结果。包括热现象在内的能量守恒和转化定律，就是热力学第一定律。

第一类永动机的不可能实现，是导致能量守恒定律建立的重要线索之一。在17—18世纪，人们曾提出过永动机的各种各样的设计方案。但是，每一种方案都以失败告终。这启示人们考虑，是否存在一条普遍规律，决定了无论利用什么结构，都不可能不要代价地获得无穷无尽的可供利用的自然动力。以至于1775年法国科学院不得不做出决议，声明不再审理任何有关永动机的设计方案。

尽管在历史上能量守恒的思想具有悠久的渊源，但目前科学界公认，能量守恒定律的奠基人是迈耶(R．Mayer，1814—1874年)、焦耳(J．P．Joule，1818—1889年)和亥姆霍兹(Hermann Helmholtz，1821——1894年)。

迈耶是一位德国医生。他在1840年随船驶往印度尼西亚时，在爪哇得到了他的重要发现。他在给病人抽血时，发现静脉血不像生活在温带国家中的人那样暗淡。迈耶从拉瓦锡(A．L．Lavoisier) 得知，人的体温是靠血液的氧化来维持的。在热带，人体散热少，血液氧化少，故静脉血和动脉血的颜色差别小。他想到，食物中含有化学能，它像机械能一样可以转化为热，在热带高温下，机体只需要吸收食物中较少的热量，所以机体中食物的燃烧过程减弱了，因此静脉中留下了较多的氧。

迈耶早年不熟悉物理，因而他有幸未被“热质说”搞糊涂，径直达到了显然是正确的结论。但他也因物理知识欠缺而吃苦头。1841年他投稿给《物理年鉴》，由于该文稿的语言是非专业性的，晦涩难懂，未获录用。1842年，他在《化学和药学年鉴》上发表了论文《论无机界的力》，从“无不生有，有不变无”和“原因等于结果”等哲学观念出发，表达了物理、化学过程中能量守恒的思想。

在这篇论文中，迈耶给出了365 kgm／kcal的热功当量值(合3．575J/cal)。尽管此值比正确值小了17％，但却比焦耳早了一年，可算是世界上发表热功当量值的第一篇文章。

在19世纪40年代到50年代，迈耶的贡献长期未受到科学界的承认，他深邃的能量守恒思想也未获得理解。1850年他跳楼自杀未遂，在精神病院疗养了三年。60年代以后科学界开始给予迈耶公正的评价，方使他晚年聊以自慰。

焦耳的不朽功勋在于他精确测定了热功当量。这是确立能量守恒定律的实验基础。

焦耳极力想从实验上证明能量不变。他首先研究了电流的热效应。1840—1841年他总结出著名的焦耳定律。但是焦耳明白，该实验还不能对热的本质做出判断。

1845年，焦耳在《论由空气的胀缩所产生的温度变化》一文中，给出热功当量的实验值是779磅码／英制卡，即约436kzm／kcal。

1850年在《论热功当量》一文中给出的热功当量值是776．303磅码／英制卡，或425．77kgm ／kcal。

焦耳关于热功当量测定的文章还有1867年的《由电流的效应测定热功当量》，1878年的《热功当量的新测定》。最后的热功当量值是423．85kgm／kcal。

亥姆霍兹是能量守恒的第三个独立发现者。他受过良好的数学训练，同时也很熟悉力学。

亥姆霍兹坚信“第一类永动机”是不可能的。1847年，他在给从《物理年鉴》投稿失败之后，以小册子的形式单独刊印了论文《论力的守恒》，论述了他的能量守恒与转化方面的基本思想，他把能量的概念从机械运动推广到热、电、磁乃至生命过程，提出了普遍的能量守恒定律。

能量守恒与转化定律这样一条普遍规律的确立，是许多人、许多学科共同完成的。除了物理学家的严谨，还需要与其他学科，特别是生命科学的配合，以开阔思维。有生物学背景的科学家在此处起了不可磨灭的作用。另外，从运动的质的方面，即运动形式的相互转化的准确概括，哲学家(恩格斯)也做出了贡献。

激光惯性约束核聚变

能源，是人类赖以生存的重要资源。几千年来，人类为了自身的生存和发展，不断地探求向自然索取能源的方法。可以说，人类文明的程度，取决于人类对能源利用的水平。18世纪以前，人类主要是利用薪材取火，在生产生活中的能源主要是自身体力、部分畜力和自然力(风力、水力)，使用和控制能源的能力很低，因而社会发展十分缓慢。

到18世纪，煤炭成为人类的重要能源，蒸汽机作为动力使社会生产力大为提高。以后，随着石油的发现和内燃机的发明，从20世纪20年代开始，石油和天然气逐步成为主要能源。人类社会获得了巨大发展。

今天，人类除继续使用矿物燃料作为能源外，还在开发新的能源，如太阳能、地热能、核能等等。但是，能源问题始终是制约人类发展的重大问题。“能源危机”早已不是杞人忧天。开发利用核聚变能既是相当迫切，又是非常实际的问题。因为它是一种取之不尽、用之不竭(燃料从海水中提取)的最干净的理想能源。我国在这方面已经建立了磁约束聚变装置和慢性约束聚变装置，进行了多年的研究工作，取得了较好的研究成果，已经具有了很好的基础。

在地球上可实现的聚变反应主要有以下几种：

D+D→T13十p+4．03MeV

D+T→He24+n01十17．6MeV

或D+D→He23+n01+3．26MeV

D十He3→He24+p+18．3MeV

此处，D、T、He24、n和p分别代表氘、氚、氦核、中子和质子等粒子。

上述三个D最后变成一个He24、一个p和一个n，同时共释放21．6MeV的核聚变能。但要安全地获得这些能量却不是简单的问题，全世界先进的国家都在致力研究，探索得到这种能量的办法，激光惯性约束核聚变的研究就是探索的途径之一。什么是激光惯性约束核聚变?简单地说，它是利用高功率的脉冲激光均匀地照射氘氚燃料靶丸，由靶石物质的熔化喷射而产生的反冲力使靶内物质受到约束，并迅速被压缩到高密度和热核燃烧所需的高温，从而发生热核爆炸，释放聚变能。

利用激光惯性约束核聚变发电，脉冲式的每秒钟2次，发0．25 tTNT能量，一天24 h，相当于1．25X109W热功率的发电站。关键是怎样才能实现持续一秒钟2次或数次。Kr激光有可能做到，因为它是气体，可用循环的方法多次重复，是最有希望的一种。

目前，关于激光惯性约束核聚变的研究已取得相当的进展。但要获得完全的实际应用，仍然要科学家们做进一步的努力。