第十章 第3节 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。
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，
§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
永动机不可能制成
历史上有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，又叫 第一类永动机。
第一类永动机的一种设计方案见课本P57.
physic
例.水平马路上行驶的汽车，在发动机熄火后， 速度越来越慢，最后停止。这一现象符合能 的转化和守恒定律吗？如果符合，汽车失去 的动能变成了什么？
physic
热力学第一定律
△U=W+Q
定律中各量的正、负号及含义 物理量 符号 W + 意义 符号 － 意义
Q
ΔU
physic
+
+
外界对系 统做功 系统吸收 热量 系统内能 增加
系统对外界做 功 系统放出热量
系统内能减少
－
－
例题
1.某物体在对外做功为75J的同时，从外界吸收 的热量为50J，则在此过程中物体的内能 (填 增加或减少) J。
physic
3．对于一定质量的气体，可能发生的过 程是（ ） A．等压压缩，温度降低 B．等温吸热，体积不变 C．放出热量，内能增加 D．绝热压缩，内能不变
physic
专题：热力学第一定律与气体实验定律的综合应用 一定质量某种理想气体的内能只由温度决定 热力学第一定律是能量守恒定律在热学中的 表现，应用U=W+Q时注意符号法则 判断气体做功方法与做功计算——看V变化， W=PV 四个理想热学过程的比较
分析：汽车发动机熄火后，汽车要克服阻力做功，
当所克服阻力做的功等于其熄火时的动能时，汽车 即停止运动。在这一过程中，汽车克服阻力做的功 要转变成地面、轮胎的内能，所以在这个过程中能 量还是守恒的，是机械能转变成内能了。
稳定流动系统的热力学第一定律表达式为
稳定流动系统的热力学第一定律表达式为稳定流动系统的热力学第一定律是能量守恒的表述，它可以用以下表达式表示：1. 能量守恒定律：在一个稳定流动系统中，能量的变化等于能量的输入减去能量的输出加上系统内部的能量产生与损失。
这个表达式可以写为：ΔE = Q - W + ΔU其中，ΔE表示系统能量的变化，Q表示系统从外界吸收的热量，W 表示系统对外界做功，ΔU表示系统内部能量的变化。
解释：这个表达式描述了系统能量的守恒关系。
系统的能量变化是由于系统从外界吸收了热量或对外界做了功，以及系统内部能量的产生与损失。
如果能量变化为正值，则表示系统的能量增加；如果能量变化为负值，则表示系统的能量减少。
2. 热量（Q）：热量是指能量的传递方式，它是由于温度差而导致热量的流动。
热量可以通过传导、对流和辐射等方式传递。
在能量守恒定律中，热量的正负号表示热量的输入或输出方向。
解释：热量是能量的一种传递方式，它可以通过物质的传导、流体的对流、以及电磁波的辐射等方式传递。
在能量守恒定律中，正负号表示系统从外界吸收热量（正值）或向外界释放热量（负值）。
3. 功（W）：功是由于力对物体做了位移而导致的能量变化。
在能量守恒定律中，功的正负号表示系统对外界做功或外界对系统做功。
解释：功是由力对物体作用而导致的能量变化。
当物体受到力的作用，并且发生位移时，就会做功或接受功。
在能量守恒定律中，正负号表示系统对外界做功（正值）或外界对系统做功（负值）。
4. 内部能量（ΔU）：内部能量是系统内部粒子的微观运动所带来的能量变化。
它包括系统的热能、势能和化学能等。
在能量守恒定律中，内部能量的变化表示系统内部能量的产生与损失。
解释：内部能量是由系统内部粒子的微观运动所带来的能量变化，包括分子的热运动、分子间的相互作用势能以及化学反应的能量等。
在能量守恒定律中，内部能量的变化表示系统内部能量的产生与损失。
总结：稳定流动系统的热力学第一定律表达式表示了能量守恒的关系，它包括能量的输入与输出（热量和功）以及系统内部能量的变化。
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( )
人教版高中物理选修3-3课件第10章第3节热力学第一定律能量守恒定律
A．尾气的温度越低，柴油机越节能
B．尾气的温度越高，柴油机越节能
C．尾气的温度高低与柴油机是否节能无关
D．以上说法均不正确
A
解析：高温高压的燃气推动活塞向下运动，对活塞做功，燃气的内能大部分转化为活塞的机械能， 在做功的过程中，内能转化为活塞的机械能越多，尾气的温度越低，柴油机越节能，故A正确，BCD错误。
『想一想』 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？
答案：不是永动机，手表戴在手上，手运动的能量一部分转化为手表的能量(动能)。
课内互动探究
探究 一
对热力学第一定律的理解
思考讨论 1
C．转动的叶片不断搅动热水，水温升高 D．叶片在热水中吸收的热量一定大于在空气中释放的热量
解析：形状记忆合金进入水后受热形状发生改变而搅动热水，由能量守恒知能量来源于热水，故A、 B、C错；由能量守恒知，叶片吸收的能量一部分转化成叶片的动能，一部分释放于空气中，故D对。
归纳总结
1．能量的存在形式及相互转化
各种运动形式都有对应的能：机械运动有机械能，分子的热运动有内能，还有诸如电磁能、化学能、 原子能等。
各种形式的能，通过做功可以相互转化，例如：利用电炉取暖或烧水，电能转化为内能；煤燃烧， 化学能转化为内能；列车刹车后，轮子温度升高，机械能转化为内能
Hale Waihona Puke 2．守恒条件与某种运动形式对应的能是否守恒是有条件的，例如，物体的机械能守恒，必须是只有重力做功； 而能量守恒定律是没有条件的，它是一切自然界现象都遵守的基本规律。
(3)具有重大实践意义，即彻底粉碎了永动机的幻想。
热力学第一定律与能量守恒定律对比分析
热力学第一定律与能量守恒定律对比分析热力学第一定律和能量守恒定律是能量守恒原理在热力学领域的具体体现，两者在原理和应用上具有一定的联系和区别。
本文将通过对这两个定律的对比分析，探讨它们的内在联系和应用范围。
热力学第一定律是能量守恒定律在热力学领域的具体表述，指出能量在物理过程中的转化不会凭空消失或产生，只能从一种形式转化为另一种形式。
而能量守恒定律是物理学的基本原理，指出一个封闭系统中的能量总量在任何物理过程中保持不变。
从原理上来看，热力学第一定律和能量守恒定律是相同的，都是阐述了能量不能凭空消失或产生的原则。
然而，两者在应用上存在一些差异。
热力学第一定律主要应用于热力学系统中的能量转化过程，例如热力学循环、热传导等热力学过程。
而能量守恒定律适用于一切物理过程，包括热力学、力学和电磁学等。
在实际应用中，热力学第一定律通常与状态方程相结合，用于对热力学系统中的能量转化进行研究。
而能量守恒定律则广泛应用于各个领域的物理过程分析，例如机械运动、电磁场变化等。
无论是热力学第一定律还是能量守恒定律，都是自然界中普遍适用的基本原理，为我们研究自然现象提供了重要的理论基础。
除了在应用范围上的差异，热力学第一定律和能量守恒定律还存在一些细微的差别。
热力学第一定律明确指出能量转化只能是热量和功之间的相互转化，而能量守恒定律没有具体指明能量的转化形式。
另外，热力学第一定律还引入了内能的概念，强调了能量的守恒性与内能的转化关系。
在能量守恒定律的框架下，热力学第一定律为我们提供了更加具体和实用的指导原则。
热力学第一定律告诉我们，在热力学过程中需要考虑能量的守恒，不能产生或消失能量，只能通过热量和功的相互转化来体现。
这使得我们能够更好地理解热力学系统的能量转化过程，并在工程实践中进行能量的有效利用和控制。
总之，热力学第一定律和能量守恒定律是能量守恒原理在热力学领域的具体体现。
两者在原理和应用上存在一定的联系和区别，热力学第一定律更加具体和实用，而能量守恒定律适用于一切物理过程。