人教版 (新课标)选修33 热力学第一定律 能量守恒定律教案设计

课题：§9.5  热力学第一定律 能量守恒

教学目的：

1、理解热力学第一定律的形式和内涵，并能用热力学第一定律解决有关问题

2、掌握能量守恒定律，能从能量守恒定律的角度理解热力学第一定律

3、知道什么是第一类永动机，能从不同的角度解释第一类永动机不能做成的原因

教学重点：热力学第一定律的内容、符号法则及应用

教学难点：热力学第一定律的内容、符号法则及应用

教学过程：

现在我们来研究功、热量跟内能的改变之间的关系。

请大家在下面的表格中填入适当的结果：

以上的讨论可不可以用一个精练的式子表达出来呢？

学生寻找关系……，教师提示：符号修正→正式板书——

ΔU = Q + W

符号法则：Q——吸热取“+”，放热取“－”；

W——对物体做功取“+”，物体对外界做功取“－”；

ΔU——增加取“+”，减少取“－”。

我们把以上的结论称之为热力学第一定律，它表征的是内能改变、热传递和做功三者之间的定量关系。

一、热力学第一定律

⒈热力学第一定律：在一般情况下，如果物体跟外界同时发生做功和热传递的过程，它们遵守下列关系：ΔU =  W＋ Q 。

热力学第一定律表示了功、热量跟内能改变之间的定量关系。

⒉W、Q、ΔU 的正负号确定

⑴W：外界对物体做功，W取“＋”；物体对外界做功，W取“－”。

⑵Q：物体吸热，Q取“＋”；物体放热，Q取“－”。

⑶ΔU：物体内能增加，ΔU取“＋”；物体内能减少，ΔU取“－”。

注意：定律表达式中的W的含义是外界与物体之间所做的功，它可以是机械功，也可以是电功或其它功，但此功是用来改变物体的内能而不是增减物体的机械能的，例如物体放置在光滑的水平面上，水平外力对物体做功，此功只使物体的动能增加，而物体的内能丝毫不变，另外要明确知道：压缩气体时外界对气体做功，气体膨胀时气体对外界做功，在没有热传递的情况下，都会引起气体内能的增减。

例：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．外界对气体做了多少功？

解　 由ΔU =  W＋ Q可得W=ΔU－Q=4.2×105J－2.6×105J=1.6×105J

外界对气体做的功是1.6×105J．

以上我们讨论的是其它形式的能与物体内能之间的转化以及物体间内能转移的定量关系。但实际上自然界中每一种形式的运动都对应着一种形式的能，任何形式的能之间都可以相互转化，如电流通过灯泡钨丝变热发光，电能转化为内能和光能；燃料燃烧生热，化学能转化成内能；“摩擦生热”，机械能转化成内能；……。大量事实表明，在转化过程中，能的总量保持不变，这就是更为广泛和普遍的能量守恒定律。

二、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。

事实上，以前我们学习的机械能守恒定律，动能定理等，还有刚学的热力学第一定律，都是能量守恒定律在不同问题中的具体体现。

能量守恒定律的建立经历了一个漫长的过程。导致能量守恒定律发现的一条重要线索，是人们对永动机的研究。

18世纪下半叶，在蒸汽机的发明和推广使用过程中，为了提高热机效率，科学家们对热与机械运动的相互联系及其转化规律开展了深入细致的研究。在这一研究过程中，有些人企图不用或少用原料、提高热机的效率而设想出来的一种理想机器——永动机。

分析课本提供的一种永动机的设计方案。指出它不可能持续运动的原因，虽然右边每个球产生的力矩大，但是球的个数少，左边每个球产生的力矩虽然小，但是球的个数多，于是，轮子不会持续转动下去而对外做功，只会摆动几下，便停在图中所画的位置上。

投影：展示历史上几种永动机的设计图，并指出，不消耗能量的机器从来没有制成功过。

随着一个个精巧的永动机方案的失败，到了18世纪末，不少科学家逐渐相信永动机不可能实现．并逐渐从中悟出一条道理：既然各式各样的永动机都失败了，那么永动机必然违背一条自然界中的普遍规律。这就是能量守恒定律，由此人们开始致力于这一定律的发现工作。到了1860年左右，能量转化与守恒定律逐渐被人们普遍接受，而且成为全部自然科学的基石。它的发现可以说是人类在长期的生产实践和大量的科学实验基础上对自然界运动转化长期认识的结果。

三、永动机不可能制成

⒈第一类永动机：不消耗能量的机器。

⒉失败原因：违背能量守恒定律。

能量不能创生，工程技术的任务在于设法找出合理利用能源的途径和减少能量损耗，而不是去研制永远无法实现的永动机。

作业布置：阅读教材；必修教材P13练习五