10.3 热力学第一定律 能量守恒定律
热力学第一定律与能量守恒
热力学第一定律与能量守恒热力学第一定律和能量守恒定律是描述能量转化和能量守恒的两个基本定律。
它们在热力学和物理学中有着重要的地位。
本文将探讨热力学第一定律和能量守恒之间的关系，以及它们在实际应用中的意义和重要性。
一、热力学第一定律热力学第一定律，也称为能量守恒定律，表明能量在物理系统中不能被创造或者灭亡，只能由一种形式转化为另一种形式。
简单来说，能量的总量在任何封闭系统中都是恒定的。
热力学第一定律的数学表达式为ΔU = Q - W，其中ΔU表示系统内能量的变化，Q表示系统吸收的热量，W表示系统对外做的功。
根据这个定律，当系统吸收热量时，它的内能增加；当系统对外做功时，它的内能减少。
二、能量守恒定律能量守恒定律是自然界的基本定律之一，它表明在任何封闭系统中，能量的总量保持不变。
无论能量以何种形式存在，都不会从系统中消失或出现。
能量守恒定律可以用以下数学表达式描述：ΔE = E2 - E1 = Q - W，其中ΔE表示系统内能量的变化，E1和E2分别表示系统的初态和末态能量，Q表示系统吸收的热量，W表示系统对外做的功。
根据这个定律，系统吸收的热量和对外做的功之和等于系统内能量的变化量。
三、热力学第一定律与能量守恒的关系热力学第一定律和能量守恒定律本质上是相互关联的，两者可以互相推导和补充。
热力学第一定律强调了能量转化和能量守恒的过程，而能量守恒定律则是对热力学第一定律的数学描述。
通过热力学第一定律，我们可以更好地理解能量的转化过程，并利用能量守恒定律来计算系统中能量的变化。
在实际应用中，热力学第一定律和能量守恒定律的结合帮助我们解决能量转化和能量守恒的问题，为工程设计和科学研究提供了基础和依据。
四、热力学第一定律和能量守恒在实际中的应用热力学第一定律和能量守恒定律在能源利用和工程设计中有着广泛的应用。
例如，在热力学系统中，我们可以通过热力学第一定律来计算系统吸收的热量和对外做的功，进而计算系统内能量的变化量。
热力学第一定律能量守恒定律
热力学第一定律能量守恒定律热力学第一定律，也称为能量守恒定律，是热力学中最基本的定律之一。
它阐述了能量在系统中的转化和传递过程中的守恒关系。
本文将介绍热力学第一定律的基本原理、适用范围以及实际应用等内容。
一、基本原理热力学第一定律表明了能量的守恒关系，即能量既不能被创造也不能被销毁，只能从一种形式转化为另一种形式。
这意味着一个封闭系统内的能量总量在任何过程中是不变的。
根据热力学第一定律，一个封闭系统中的能量变化等于系统所接收的热量与系统所做的功的代数和。
换句话说，能量的增加等于系统从外界吸收的热量减去系统对外界做的功。
数学表达式如下：∆E = Q - W其中，∆E代表系统内能量的变化，Q代表系统所接收的热量，W 代表系统对外界所做的功。
二、适用范围热力学第一定律适用于封闭系统，即系统与外界之间没有物质的交换。
在这种情况下，系统内的能量只能通过热传递和功交换来改变。
如果系统与外界之间有物质的交换，热力学第一定律就不再适用。
热力学第一定律适用于各种热力学系统，包括气体、液体和固体等状态的系统。
无论是理想气体的绝热膨胀，还是热机的工作过程，热力学第一定律都是适用的。
三、实际应用热力学第一定律是工程和科学研究中的重要工具，广泛应用于不同领域。
在能源系统中，热力学第一定律被用于分析能源转化的效率。
例如，对于汽车发动机，热力学第一定律可以帮助我们计算燃烧产生的热量和发动机所做的功，从而评估发动机的热效率。
通过优化燃烧过程和减少能量损失，可以提高发动机的热效率，实现更加节能环保的汽车。
热力学第一定律还可以应用于热力学循环和热力学系统的分析。
例如，蒸汽动力循环是一种用于发电的常见系统，通过热力学第一定律的分析，可以确定发电效率和热能损失，从而指导设计和优化发电设备。
此外，在化学反应、生物学系统热力学等领域，热力学第一定律也被广泛应用于能量转化和相互作用的研究。
总结起来，热力学第一定律能量守恒定律是热力学中的基本定律，它揭示了能量在系统中的转化和传递过程中的守恒关系。
热力学第一定律能量守恒定律
热力学第一定律能量守恒定律热力学是研究能量转换与传递规律的学科。
热力学第一定律是热力学基本定律之一，也被称为能量守恒定律。
它指出，在一个系统中，能量既不能被创造，也不能被毁灭，只能转化形式或者传递，总能量保持不变。
在这篇文章中，我们将深入探讨热力学第一定律及其应用。
1. 定律解读热力学第一定律是基于能量守恒原理得出的。
它表明，一个系统内能量的增加等于系统所得的热量减去所做的功。
即ΔE = Q - W，其中ΔE表示系统内能量的变化，Q表示系统所得的热量，W表示系统所做的功。
根据这个定律，我们可以推导出一系列与能量转化相关的关系式。
2. 热力学第一定律的应用热力学第一定律在工程学、物理学以及其他领域中有广泛的应用。
以下是其中几个重要的应用示例。
2.1 热机效率热机效率是指热机从热源吸收热量后产生的功的比例。
根据热力学第一定律，热机的净功输出等于从热源吸收的热量减去向冷源放出的热量。
因此，热机效率可以表示为η = W/Qh，其中η表示热机效率，W表示净功输出，Qh表示热机从热源吸收的热量。
热力学第一定律为热机的效率提供了理论基础，也为热机的设计和优化提供了依据。
2.2 热传导方程热传导是指热量在物体或介质中通过分子碰撞传递的过程。
根据热力学第一定律，热量传递的速率与温度梯度成正比。
热传导方程描述了热传导过程中的温度变化情况，它可以表示为dQ/dt = -kA(dt/dx)，其中dQ/dt表示单位时间内通过物体截面传递的热量，k表示热导率，A表示截面积，dt/dx表示温度梯度。
热传导方程在热流计算、材料热传导性能研究等领域有广泛的应用。
2.3 平衡态热力学平衡态热力学研究的是恒定温度和压力下的物质性质及其相互关系。
根据热力学第一定律，热平衡状态下，系统所得的热量等于系统所做的功。
通过研究热力学第一定律，我们可以推导出各种平衡态热力学关系，如焓的变化、热容、热膨胀等。
3. 热力学第一定律的实验验证热力学第一定律得到广泛的实验证实。
10.3 热力学第一定律(共22张PPT)
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。
ΔU 物体内能的增加量
2.表达式:
W 外界对物体做的功
Q 物体吸收的热量
ΔU＝W + Q
一定质量的理想气体从外界吸收
4.2×105J的热量，同时对外做功
2.6×105J，则内能变化了多少？是增加
还是减少？
等容过程
不变
一定质量的理想气体，
等压过程 不变
升高相同的温度，等 增大压过升程高和等容增过加程哪 吸热
-
增大 减小个吸升热高多？ 增加 绝热过程
0
+
小试身手
1.图中活塞将气缸分成甲、乙两气室，气缸、 活塞(连同拉杆)是绝热的，且不漏气，以U甲、 U乙分别表示甲、乙两气室中气体的内能，则在 将拉杆缓慢向外拉的过程中（ C ）
B．外力对乙做功；乙的内能不变
C．乙传递热量给甲；乙的内能增加
D．乙的内能增加；甲的内能不变
5.应用热力学第一定律解题的一般步骤：
（1）明确研究对象是哪个物体或是那个热力学 系统；
（2）根据符号法则写出各已知量（W、Q、ΔU）
的正、负； （3）根据热力学第一定律ΔU=W+Q求出未知量；
（4）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。
例1：如图所示，甲、乙两个相同的金属球， 甲用细线悬挂于空中，乙放在水平地面上。 现在分别对两球加热，使它们吸收相同的热 量，试讨论甲、乙两球内能增量的关系？ （假设金属球不向外散热）
分析：吸热后金属球体积膨 胀，甲球重心降低，重力做 正功，
乙球重心升高，重力做负功，
而又因为两球吸收相同热量，
人教版高二物理 热力学定律 导学案(含答案,精排版) 10.3 热力学第一定律 能量守恒定律
§10.3 热力学第一定律能量守恒定律【目标及达标标准】1．能够从能量转化的观点理解热力学第一定律及其表达式，会用ΔU＝W＋Q分析和计算问题2．理解和掌握能量守恒定律，知道能量守恒是自然界普遍遵从的基本规律,会用能量转化和守恒的观点分析物理现象3．知道第一类永动机是不可能实现的【重点、难点】热力学第一定律ΔU = W + Q中各物理量的意义及正负号的确定【教学方法】合作探究【教学用具】多媒体【物理背景、物理模型】饱和汽、湿度【导读导思】达标标准：思考并完成下列问题和任务，并能独立向别人表述出来（书面或口述）自主学习、课前诊断先通读教材，画出本节课中的基本概念及物理规律，回答导学案预习中涉及的问题，独立完成，限时25分钟。
一、热力学第一定律：阅读课本第54页“热力学第一定律”部分，思考并回答下列问题：【思考与讨论1】一定质量的气体，被活塞密封在气缸内．问题1：如果它跟外界不发生热交换，那么外界对它做功与气体对外做功，会引起气体内能怎样的变化？问题2：如果外界与气体之间没有做功，那么气体吸热与放热会引起气体内能怎样的变化？问题3：如果气体跟外界同时发生做功和热传递的过程，W、Q、△U的正负号如何确定？问题4：W、Q、△U三者都有正负，它们的关系怎样？【思考与讨论2】一定质量的气体，如果膨胀时做的功是135J，同时向外放热85J．问题5：外界对气体做功，还是气体对外界做功？问题6：气体内能的变化量是多少？问题7：内能增加了还是减少了？【案例探究1】一定量的气体从外界吸收了2.6×105J的热量，内能增加了4.2×105J．问：①是气体对外界做了功，还是外界对气体做了功？做了多少焦耳的功？②如果气体吸收的热量仍为2.6×105J不变，但是内能只增加了1.6×105J，这一过程做功情况又怎样？二、能量守恒定律：阅读课本第54-55页“能量守恒定律”部分，思考并回答下列问题：【思考与讨论3】能量守恒定律不是由某一个人通过某一项研究而得到的，从18世纪末到19世纪40年代，不同领域的科学家从不同角度都提出了能量守恒的思想．问题8：历史上有哪些科学家曾经在这一方面做过探索？问题9：这些科学家都在哪些方面做出了贡献？问题10：能量可以由一种形式转化为另一种形式，也可以从一个物体转移到另一个物体.能量在转化或转移的过程中遵循什么规律？问题11：做功和热传递都可以改变物体的内能，那么这两种方式在改变物体内能的本质上有什么区别吗？问题12：能量守恒定律有什么重要意义？能量守恒定律使人们找到了研究自然现象的公共量度—能量，从而把各种自然现象用定量规律联系起来，揭示了自然规律的多样性和统一性．三、永动机不可能制成：阅读课本第55-56页“永动机不可能制成”部分，思考并回答下列问题：【思考与讨论4】据说，13世纪有一个法国人叫奥恩库尔的，他在一个轮子的边缘上等间隔地安装了12根可活动的锤杆,如图所示．他设想一旦轮子被启动,由于轮子右边的各个重锤距轮轴更远些,就会驱动轮子按箭头方向永不停息地转动下去．问题12：不用能量的概念，你能不能说明它不会“永动”？问题13：什么是第一类永动机？问题14：为什么第一类永动机不可能制成？【案例探究3】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从哪儿来的吗？【巩固练习】1.达标标准：（1）每道题都能独立做出来，并总结涉及的知识点；（2）尝试总结出常见题型及其做法。
§10.3热力学第一定律 能量守恒定律
用磁石的吸力可以实现永动机.他的设计如图所示.
A是一个磁石，铁球G受磁石吸引可沿
斜面滚上去，滚到上端的E处，从小洞B落下，
经曲面BFC返回，复又被磁石吸引，铁球就
可以沿螺旋途径连续运动下去.大概他那时还
没有建立库仑定律，不知道磁力大小是与距
离的平方成反比变化的，只要认真想一想， 其荒谬处就一目了然了.
滚球永动机 17世纪，英国有一个被关在伦敦塔下叫马尔基斯的犯 人，他做了一台可以转动的“永动机”，如图所示.
转轮直径达4.3米，有40个各重23千克的钢 球沿转轮辐翼外侧运动，使力矩加大，待转到 高处时，钢球会自动地滚向中心.据说，他曾向 英国国王查理一世表演过这一装置.国王看了很 是高兴，就特赦了他.其实这台机器是靠惯性来 维持短时运动的.
4.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 实验录像：能的转化和守恒定律
能量守恒定律 1、内容：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 移的过程中其总量保持不变． 2、能量守恒定律的历史意义
物理量 符号
意义
符号
意义
W ＋ 外界对物体做功 － 物体对外界做功
Q
＋ 物体吸收热量 － 物体放出热量
ΔU ＋
内能增加
－
内能减少
1.一定量的气体，从外界吸收热量2.7×105J,内能增加4.3×105J. 在这一过程中，是气体对外做功，还是外界对气体做功？做了 多少功？
﹀ Q=+2.7×105J ΔU=+4.3×105J ΔU＝W + Q
10.3 热力学第一定律_能量守恒定律
(4).能量守恒定律适用于任何物理现象和物理过程。如： 物体在空中下落受到阻力时，物体的机械能不守恒，但 包括内能在内的总能量总是守恒的。
三. 永动机不可能制成
1.第一类永动机. 概念： 不消耗能量的机器 结果： 无一例外地归于失败 原因： 违背能量守恒定律 2.永动机给我们的启示.
人类在利用和改造自然时，必须遵循自然定律
点拨：整个过程的内能不变， ΔU= 0
由热力学第一定律 ΔU=W总+Q总=0 Q总= - W 总 ∴ Q1—Q2=W2—W1
练习 3. 一定量的气体吸收热量，体积膨胀并对外 做功，则此过程的末态与初态相比， （ D ） A．气体内能一定增加 B．气体内能一定减小 C．气体内能一定不变 D．气体内能是增是减不能确定
• 通过前边的学习我们知道： 1.做功改变物体内能的过程是内能和其他形 式的能的转化过程， 2.热传递改变物体内能的过程是内能从一个 物体转移到另一个物体的过程。
［总结］ 能量可以由一种形式转化为另一种 形式，也可以从一个物体转移到另一个 物体.
二.能量守恒定律
1. 历史过程 2. 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别的形式，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，这就是能量守恒定律 。
• 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；物体对外界做多 少功，它的内能就减少多少.
ΔU=W（绝热过程）
总结
• 如果外界既没有对物体做功，物体也没 有对外界做功，那么物体吸收了多少热 量，它的内能就增加多少，物体放出了 多少热量，它的内能就减少多少.
• ◎ 教材资料分析 • 〔说一说〕——教材P56 • 如图所示是历史上有名的一种永动机的设 计．从图上看，设计者为什么认为这个机 器会永远运动下去？不用能量的概念，你 能不能说明它不会永远运动下去？
人教版高中物理选修3-3课件《10.3热力学第一定律-能量守恒定律》
3.如果物体在跟外界同时发生做功和热传递的过程中,内能的变化 ΔU 与热量 Q 及做的功 W 之间又有什么关系呢?
答案:ΔU=Q+W。该式表示的是功、热量跟内能改变之间的定量关 系,在物理学中叫做热力学第一定律。
迁移与应用 1 一定质量的气体从外界吸收了 4.2×105J 的热量,同时气体对外界做 了 6×105J 的功,问: (1)物体的内能是增加还是减少?变化量是多少? (2)分子势能是增加还是减少? (3)分子的平均动能是增加还是减少? 答案:见解析 解析:(1)气体从外界吸热为:Q=4.2×105J 气体对外界做功为:W=-6×105J 由热力学第一定律知: ΔU=W+Q=(-6×105J)+(4.2×105J)=-1.8×105J ΔU 取负值,说明气体的内能减少,减少了 1.8×105J。
答案:D 解析:由热力学第一定律 ΔU=Q+W,气体吸收热量 Q>0,体积膨胀对 外做功 W<0,但不能确定 Q 与 W 值的大小,所以不能判断 ΔU 的正负, 则气体内能的增减也就不能确定,选项 D 正确。
预习导引
一、热力学第一定律
1.内容:一个热力学系统的内能的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。
2.数学表达式:ΔU=W+Q。
二、能量守恒定律
1.各种能量: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。如机械运动对应着机械能;分子的热运动对应着内 能。
迁移与应用 2 如图所示,一演示用的“永动机”转轮由 5 根轻杆和转轴构成,轻杆的 末端装有用形状记忆合金制成的叶片。轻推转轮后,进入热水的叶片因 伸展而“划水”,推动转轮转动。离开热水后,叶片形状迅速恢复,转轮因此 能较长时间转动。下列说法正确的是( )
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四、能量守恒定律(law of energy conservation)
1.内容：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保 持不变。 2.意义： <1>是一个普遍适用的定律；
三、热力学第一定律(first law of thermodynamics)
一个热力学系统的内能增加量等于外界 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。 △U＝W + Q
【例1】一定量的气体，从外界吸收热 量4.3×105J，内能增加了2.7×105J。在 这一过程中，是气体对外做功，还是外 界对气体做功？做了多少功？
<2>将各种现象联系在一起； <3>指导着人们的生产、科研； <4>19世纪自然科学三大发现之一。
五、第一类永动机不可能制成
1.概念：不需要动力或燃料，却能源源 不断对外做功的机器。 【说明】永动机不代表永远转动的机器。 2.结果：制造永动机的千万次努力都以 失败而告终。
3.原因：违背了能量守恒定律。
【例4】如图所示，两完全相同金属球A、 B，A用一根细线悬挂，B放在装有热水 的烧杯上部金属片上。设A与B初始状态 相同，给A用酒精灯加热，当A与B吸收 相同的热量后，比较A与B内能的大小。 UA>UB
A
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
B
【小结】 1.热力学第一定律：△U＝W + Q 2.能量守恒定律； 3.第一类永动机不可能制成，原因是违 背了能量守恒定律。
【例2】关于能的转化与守恒定律的下列 A） 说法错误的是（ A.能量能从一种形式转化为另一种形式 的能，但不能从一个物体转移到另一物 体 B.能量的形式多种多样，它们之间可以 相互转化 C.一个物体能量增加了，必然伴随着别 的物体能量减少 D.能的转化与守恒定律证明了第一类永 动机是不可能存在的
【例3】图中活塞将气缸分成甲、乙两 气室，气缸、活塞(连同拉杆)是绝热的， 且不漏气，以U甲、U乙分别表示甲、乙 两气室中气体的内能，则在将拉杆缓慢 向外拉的过程中（ C ） A.U甲不变，U乙减小 B.U甲增大，U乙不变 C.U甲增大，U乙减小 D.U甲不变，U乙不变
甲 B乙 P
【练习4】如图所示，绝热隔板K把绝热的气缸 分隔成体积相等的两部分，K与气缸壁的接触 是光滑的。两部分中分别盛有相同质量、相同 温度的同种气体a和b。气体分子之间相互作用 势能可忽略。现通过电热丝对气体a加热一段 时间后，a、b各自达到新的平衡（ BD ） A.a的体积增大了，压强变小了 B.b的温度升高了 C.加热后a的分子热运动与b的 分热运动激烈程度相同 D.a增加的内能大于b增加的内能
【作业】
1.完成第三、四课时导学案；
2.预习3—5第十六章第一、二节《动量》
【练习1】下列说法中正确的是（ C ） A.物体吸收热量，其内能必增加 B.外界对物体做功，物体内能必增加 C.物体吸收热量，同时对外做功，其内 能可能减少 D.物体温度不变，其内能也一定不变
【练习2】一定质量的理想气体由状态 Ⅰ(p1，V1，T1)被压缩至状态Ⅱ(p2，V2， T2)，已知T2＞ T1，则该过程中（ AB ） A.气体的内能一定是增加的 B.气体可能向外界放热 C.气体一定从外界吸收热量 D.气体对外界做正功
【练习3】固定容器及可动活塞P都是绝热的， 中间有一导热的固定隔板B，B的两边分别盛 有气体甲和气体乙。现将活塞P缓慢地向B移 动一段距离，已知气体的温度随其内能的增加 而升高，则在移动P的过程中（ C ） A.外力对乙做功，甲的内能不变 B.外力对乙做功，乙的内能不变 C.乙传递热量给甲，乙的内能增加 D.乙的内能增加，甲的内能不变
【练习5】用隔板将一绝热容器隔成 A和 B两部 分，A中盛有一定质量的理想气体，B为真空 B为真空 (如图①)。现把隔板抽去，A中的气体自动充满 整个容器(如图②)，这个过程称为气体的自由 膨胀。下列说法正确的是（ C ） A.自由膨胀过程中，气体分子只作定向运动 B.自由膨胀前后，气体的压强不变 C.自由膨胀前后，气体的温度不变 D.容器中的气体在足够长的时间内，能全部自 动回到A部分
§10.3 热力学第一定律 能量守恒定律
一、做功可以改变物体的内能 △U=W
1.外界对物体做功，物体的内能增加； 2.物体对外界做功，物体的内能减少。
二、热传递可改变物体的内能 △U=Q
发生条件：物体之间或物体的不同部分 之间存在温度差。
做功实现了能量的转化； 热传递实现了能量的转移。 虽然形式不同，但在改变物体的内能上 二者是等效的。