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，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。

热力学第一定律 能量守恒定律题型一：热力学第一定律的简单应用例1：（教材习题变式）铁块和装有一定质量气体的气球吸收相同的热量，下列说法中正确的是：A ．铁块内能增加得多B ．气体内能增加得多C ．两者内能增加一样多D ．条件不够，无法判断．变式1：物体的内能增加了20Ｊ，则A ．一定是外界对物体做了20Ｊ的功B ．一定是物体吸收了20J 的热量C ．可能是外界对物体做了20J 的功，也可能是物体吸收了20J 的热量D ．可能是物体吸收热量的同时外界对物体做了功，且热量和功共20J题型二：气体状态变化过程中的内能变化例2：一定质量的理想气体，体积由V 1膨胀到V 2，如果是通过等压过程实现，做功为W 1、传递热量为Q 1、内能变化为△U 1；如果是通过等温过程实现，做功为W 2、传递热量为Q 2、内能变化为△U 2，则A 、W 1＞W 2，Q 1＞Q 2，△U 1＞△U 2B 、W 1＞W 2，Q 1＞Q 2，△U 1=△U 2C 、W 1＞W 2，Q 1=Q 2，△U 1=△U 2D 、W 1＜W 2，Q 1=Q 2，△U 1=△U 2变式2：若某种实际气体分子之间的作用力表现为引力，则一定质量的该气体内能大小与气体体积和温度的关系是A ．如果保持其温度不变，体积增加，则内能减小B ．如果保持其体积不变，温度升高，则内能增大C ．如果保持其体积不变，温度升高，则内能减小D ．如果保持其温度不变，体积增加，则内能增大题型三：涉及功能关系的问题例3：如图所示，密闭绝热的具有一定质量的活塞，活塞的上部封闭着气体，下部为真空，活塞与器壁的摩擦忽略不计，置于真空中的轻弹簧的一端固定于容器的底部．另一端固定在活塞上，弹簧被压缩后用绳扎紧，此时弹簧的弹性势能为E p （弹簧处于自然长度时的 弹性势能为零），现绳突然断开，弹簧推动活塞向上运动，经过多次往复运动后活塞静止，气体达到平衡态，经过此过程A ．E p 全部转换为气体的内能功和内能：如果一个物体既不吸收热量也不放出热量，那么，当外界对它做功W 时，它的内能增量是ΔU ，则 。