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第2節 熱力學第一定律
新教材人教版 物理（高中選擇性必修第三冊）
第三章 熱力學定律
課堂引入
另一方面也向我們表明，為了改變系統的狀態，做功和傳熱這兩種方法是等價的。也就是說，一定數量的功與確定數量的熱相對應。
一方面表明，以不同的方式對系統做功時，只要系統始末兩個狀態是確定的，做功的數量就是確定的；
焦耳的實驗
ΔU=W
單純地對系統做功做功：
單純地對系統傳熱：
△U＝Q
當外界既對系統做功又對系統傳熱時，內能的變化量就應該是：
△U＝Q+ W
一、熱力學第一定律
1、內容：一個熱力學系統的內能變化量等于外界向它傳遞的熱量與外界對它所做的功的和.
2、物理意義：熱力學第一定律不僅反映了做功與傳熱在改變系統內能方面是等效的，而且給出了功、熱量跟系統內能改變之間的定量關系.
3、表達式：
ΔU ：物體內能的增加量
W： 外界對物體做的功
Q： 物體吸收的熱量
ΔU＝W + Q
4、推廣：上式也適用于物體對外做功、向外界散熱和內能減少的情況。但要注意各量的符號.
5、幾種特殊情況
(1)若過程是絕熱的，即Q＝0，則ΔU＝W，系統內能的增加量等于外界對物體做的功。
(2)若過程中不做功（單純傳熱），即W＝0，則ΔU＝Q，系統內能的增加量等于物體從外界吸收的熱量。
(3)若過程的始末狀態系統的內能不變，即ΔU＝0，則W＝－Q(或Q＝－W)，外界對系統做的功等于系統放出的熱量(或系統吸收的熱量等于系統對外界做的功)。
(4)對于理想氣體，溫度變化，內能一定變化，等溫過程ΔU＝0。
【特別提醒】
（1）當做功和熱傳遞同時發生時，物體的內能可能增加，也可能減小，還可能保持不變。
（2）物體內能發生變化可能是由做功引起的，也可能是由熱傳遞引起的，還可能是兩者共同作用的結果。
一、熱力學第一定律
新課講授
【例題】如圖，一臺四沖程內燃機，活塞在壓縮沖程某段時間內移動的距離為0.1 m，這段過程活塞對氣體的壓力逐漸增大，其做的功相當于2×103 N的恒力使活塞移動相同距離所做的功(如圖甲)。內燃機工作時汽缸溫度高于環境溫度，該過程中壓縮氣體傳遞給汽缸的熱量為25 J。
(1)求上述壓縮過程中氣體內能的變化量；
(2)燃燒后的高壓氣體對活塞做功，氣體推動活塞移動0.1 m，其做的功相當于9×103 N的恒力使活塞移動相同距離所做的功(如圖乙)，該做功過程氣體傳遞給汽缸的熱量為30 J，求此做功過程氣體內能的變化量。
一、熱力學第一定律
壓縮氣體
V減小
外界對氣體做功
絕熱
U增加
氣體不自由膨脹
V增加
氣體對外界做功
絕熱
U減小
氣體自由膨脹
V增加
氣體對外界不做功
絕熱
U不變
做功與氣體體積變化的關系
一、熱力學第一定律
氣體等壓變化對外界做功
P -V 圖下方(與坐標軸所圍的面積)的“面積” 表示做功多少。
W=PΔV
非等壓變化
第3節 能量守恒定律
新教材人教版 物理（高中選擇性必修第三冊）
第三章 熱力學定律
一、探索能量守恒的足跡
1.人類對能量的認識與能量之間的轉化
風能
水能
光能
電能
2.能量之間的轉化
電能與磁能的轉化
電能與內能的轉化
一、探索能量守恒的足跡
3.能量守恒觀念的形成
機械能轉化為內能
電場能轉化為磁場能
內能轉化為電能
磁場能轉化為電能
俄國化學家蓋斯：任何一個化學反應，不論是一步完成，還是分幾步完成，放出的總熱量相同。表明一個系統（即參加化學反應的幾種物質）存在著一個與熱量相關的物理量，在一個確定的化學反應中這個量是不變的。
德國醫生邁爾通過比對不同地區人血顏色的差異，認識到食物中化學能與內能的等效性，即生物體內能量的輸入和輸出是平衡的。另外，他還通過海水在暴風雨中較熱的現象，猜想熱與機械運動的等效性。他在1841年和1842年連續寫出“論‘自然力’（指能量）守恒”的論文，并推算了多少熱與多少功相當。因此，邁爾是公認的第一個提出能量守恒思想的人。
一、探索能量守恒的足跡
人類對能量的認識過程，體現了科學前輩們對“守恒”這一科學思想的追尋。
焦耳的實驗精確地測量了做功與傳熱之間的等價關系，從而為能量守恒定律奠定了牢固的實驗基礎，也為能量守恒的定量描述邁出了重要的一步。
德國科學家亥姆霍茲在不了解邁爾和焦耳研究的情況下，從永動機不可能制成這一事實出發，考察了自然界不同的“力”（指能量）之間的相互關系，提出了“張力”（即勢能）與“活力”（即動能）的轉化。他還分析了在電磁現象和生物機體中能量的守恒問題。
一、探索能量守恒的足跡
蓋斯
邁爾
焦耳
亥姆霍茲
化學反應放出的熱量與反應步驟無關
功熱等價
提出能量守恒的思想
概括和總結能量守恒定律
能量守恒不是由某一個人通過某一項的研究而得到的。
一、探索能量守恒的足跡
二、能量守恒定律
1、內容：能量既不會憑空產生，也不會憑空消失，它只能從一種形式轉化為其他形式，或者從一個物體轉移到別的物體，在轉化或轉移的過程中，能量的總量保持不變．
例如：
自由落體運動：
勢能→動能
摩擦生熱：
機械能→內能
熱機中的氣體推動活塞做功：
內能→機械能
電流通過電阻絲：
電能→內能
電流通過白熾燈：
電能→內能→光能
燃料燃燒：
化學能→內能
2、能量守恒定律的歷史意義：能的轉化和守恒定律是19世紀自然科學中三大發現之一（能量守恒定律與電子的發現、達爾文的進化論并稱19世紀自然科學中三大發現），也莊嚴宣告了永動機幻想的徹底破滅.
能量守恒定律是認識自然、改造自然的有力武器，這個定律將廣泛的自然科學技術領域聯系起來，使不同領域的科學工作者有一系列的共同語言.
二、能量守恒定律
3、能量守恒定律的特例
機械能守恒定律
能量守恒在機械能范圍內的表現
熱力學第一定律
能量守恒在熱力學范圍內的表現
區別：熱力學第一定律和機械能守恒定律能夠給出具體的定量形式，而能量守恒定律卻給不出。
力學中：機械能守恒定律
電學中：閉合電路歐姆定律
電磁感應中：楞次定律
熱學中：熱力學第一定律
能量守恒的觀點也在不斷地發展，相對論建立以后，基本粒子的研究使我們認識到，能量其實是與質量相關聯的一個物理量。在20世紀30年代初，奧地利物理學家泡利根據能量守恒定律預言了中微子。
5、能量是與質量相關聯的一個物理量
4、能量守恒是自然界的普遍規律
三、永動機不可能制成
17 18世紀，許多人致力于制造一種機器，它不需要任何動力或燃料，卻能不斷地對外做功，史稱“第一類永動機”。圖展示了其中的一些設計。然而，為此目的的任何嘗試都失敗了。這是為什么呢？
永動機的思想違背了能量守恒定律，所以是不可能制成的。
永動機給我們的啟示：人類利用和改造自然時，必須遵循自然規律。
熱力學第一定律的另一種表述：第一類永動機是不可能制成的。
如圖所示，一定質量的理想氣體在狀態A時壓強為1.5 × 105Pa，經歷A→B→C→A的過程，已知B→C過程中氣體做功數值是C→A過程中氣體做功數值的3倍，下列說法中正確的是（ ）
A．C→A的過程中外界對氣體做功300J
B．B→C的過程中氣體對外界做功600J
C．整個過程中氣體從外界吸收600J的熱量
D．整個過程中氣體從外界吸收450J的熱量
AC
課堂練習
【答案】AC
【詳解】A．在C→A過程中，氣體體積減小，外界對氣體做功，根據WCA = p V得WCA = 300J，A正確；
B．由題知B→C過程中氣體做功數值是C→A過程中氣體做功數值的3倍，則B→C的過程中氣體對外界做功900J，B錯誤；
CD．A→B→C→A整個過程中，溫度不變，則內能 U = 0，A→B過程，氣體體積不變，做功為零；B→C的過程中氣體對外界做功900J；C→A的過程中外界對氣體做功300J，根據熱力學第一定律 U = W + Q表達式中的W表示外界對氣體做的功，故
W = WCA - WBC = - 600J，Q = U - W = 600J則整個過程中氣體從外界吸收600J的熱量，C正確、D錯誤。
故選AC。
課堂練習

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