中职物理课件302第二节 能量守恒定律及其应用

第二节能量守恒定律及其应用主讲人：张明明山东省滕州市中等职业教育中心学校现代家庭离不开电冰箱和空调器，如右图所示，人们可以利用电冰箱在炎热的夏天吃到冰镇西瓜，也可以让蔬菜、食品长时间保鲜；利用空调器可以在炎热的夏季创造出凉爽洁净的空气环境，也可以在严寒的冬季创造出温暖舒适的生活空间。电冰箱和空调器是如何工作的呢？主要内容热力学第一定律能量守恒定律1201PART01热力学第一定律一、热力学第一定律

如果一个物体从外界吸收热量

Q，则物体的热力学能增加

Q；如果同时外界又对物体做功

W，则物体的热力学能又要增加

W。我们已经知道，做功和热传递都可以改变物体的热力学能。则在整个过程之后，该物体的热力学能的增加量为ΔE＝Q＋W一、热力学第一定律在热力学第一定律公式中各物理量的物理意义是这样规定的：此公式可以理解为：物体热力学能的增加等于外界向它传递的热量与外界对它做功的和。这就是热力学第一定律。

物体的热力学能增加时，ΔE＞0；热力学能减少时，ΔE＜0。

外界对物体做功时，W＞0；物体对外界做功时，W＜0。

物体从外界吸热时，Q＞0；物体向外界放热时，Q＜0。一、热力学第一定律在热力学第一定律表示，做功和热传递提供给物体多少能量，物体的热力学能就增加多少，能量在转化和转移过程中是守恒的。做功反映了物体之间机械能和热力学能的转化，热传递反映了物体之间热力学能的转移。一、热力学第一定律

示例

空气压缩机在一次压缩过程中，活塞对气缸中的气体做功为2000J，同时气体的热力学能增加了1800J，则在此过程中，气体与外界传递了多少热量？是吸热还是放热？

分析

由活塞对气体做功为2000J，可知

W＞

0，即W＝2000J；由气体的热力学能增加

1800J，可知

ΔE＞0，即

ΔE＝1800J。利用热力学第一定律即可求解外界与气体之间传递的热量

Q，然后根据其正负判断，是气体向外界放热，还是从外界吸热。一、热力学第一定律

解

由热力学第一定律公式

ΔE＝Q＋W，得

Q＜

0，表示气体向外界放热

200J。

Q＝

ΔE－W＝（1800－2000）J＝－200J一、热力学第一定律

一般情况下，热量总是从高温物体传递到低温物体，但是电冰箱却能实现从低温空间中吸取热量，传递给外部的高温空间，从而使电冰箱内部始终保持较低的温度。它是怎么实现这一过程的呢？

【应用与拓展】

电冰箱的制冷原理

电冰箱是利用制冷剂的物态变化来实现这一过程的，现在常用的制冷剂是R600a（异丁烷）。一、热力学第一定律

电冰箱主要由压缩机、冷凝器、毛细管、蒸发器四个部分组成，如右图所示。

【应用与拓展】

电冰箱的制冷原理一、热力学第一定律

半导体致冷冰箱有许多优点，如体积小、无噪声、无磨损、使用寿命长、制冷速度快、温度可灵活控制、无需制冷剂、无污染等，是一种环保型装置。半导体致冷冰箱采用半导体制冷技术，当电流流过半导体材料时，通过两端接点处发生的释放或吸收热量实现制冷。右图所示即为一款半导体制冷冰箱。目前，半导体制冷温差可达150℃。一、热力学第一定律

如果使制冷剂逆向循环，使它在室内完成冷凝、放热，在室外完成蒸发、吸热，可达到提高室内温度的目的。空调器的制冷系统跟电冰箱的制冷系统几乎一样，压缩机工作时，制冷剂从室内吸热，向室外放热，达到降低室内温度的目的。02PART01能量守恒定律通过对机械运动的研究，人们发现物体的动能和势能可以互相转化；通过对热现象的研究，人们发现机械能可以和热力学能互相转化；通过对其他运动形式的研究，人们发现其他形式的能也可以互相转化。不同的物质有不同的运动形式，每种运动形式都有一种对应的能量，跟机械运动对应的是机械能，跟热运动对应的是热力学能，跟其他运动形式对应的还有电能、磁能、光能、核能、化学能等。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另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体，在转化和转移的过程中其总量保持不变。这就是能量守恒定律。这是自然界中具有普遍意义的定律之一，也是各种自然现象都遵循的普遍规律。

19世纪中叶，迈耶、焦耳和亥姆霍兹等科学家经过长期的实验探索，共同归纳出以下规律：二、能量守恒定律

在自然界中，每时每刻都进行着各种不同形式能量的互相转化。太阳光照射到地球上，把太阳能转化为热力学能温暖着万物，形成适宜人类生存的舒适环境，如右图所示。二、能量守恒定律通过古代的植物和动物在地质变迁中转化为煤、石油、天然气，成为我们现代生活、生产的主要能源；在水力发电站和火力发电站中，水的机械能和煤、石油、天然气的化学能转化为电能；在工厂、农村和住宅中，电能又通过各种用电器转化为机械能、热力学能和光能；等等。太阳能的一部分被植物叶子吸收，通过光合作用，生成各种有机化合物，转化为植物的化学能；植物作为食物被动物吃掉，植物的化学能又转化为动物的化学能；人类又以动植物为食物，从中获得了维持生命活动的能量。二、能量守恒定律

17～18世纪，为了满足生产对动力日益增长的需要，许多人曾致力于设计和制造一种机器。这种机器不需要消耗燃料，却可以源源不断地对外做功，被称为第一类永动机，如图所示。设计者认为，该轮子就会永无休止地沿着顺时针方向转动下去，并可以带动机器对外做功。二、能量守恒定律

【思考与讨论】

与同学讨论，右边这个轮子会不会转动？原因是什么？二、能量守恒定律能量守恒定律的发现使人们进一步认识到：任何一部机器，只能使能量从一种形式转化为另一种形式，而不能无中生有地制造能量，因此永动机是不可能被制造出来的。虽然人们经过多次尝试，做了各种努力，但永动机无一例外地归于失败。制造永动机的千万次失败使人们的头脑冷静下来，开始在更深层次寻找失败的原因，从而促成了能量守恒定律的建立。二、能量守恒定律

从18世纪后半叶开始，随着大规模工业化生产的发展，人类开始使用煤炭、石油、天然气等化石能源。经过200多年的消耗，这些化石能源日渐枯竭。而且随着化石能源的燃烧，释放的二氧化碳还造成了空气污染、温度升高、海平面上升、气候反常、极端天气增多等现象。因此，保护地球环境，开发新型能源，特别是可再生能源，已是当务之急。

【应用与拓展】

新能源的开发利用与环境保护二、能量守恒定律

近几十年来人们陆续开发出一些很有发展前途的新能源，如太阳能、核能、风能、海洋能、地热能、水力能和生物质能等，为解决人类社会未来能源问题创造了有利条件。

太阳能当前，太阳能是最具开发前景的新能源之一。太阳辐射到地球的能量是巨大的，每年可达1024J。而且相对于人类的历史来说，太阳能是取之不尽、用之不竭的。

核能核能通常是指重原子核（如铀－235、钚－239、铀－233等）在中子作用下裂变时释放的能量。目前唯一达到工业应用、可以大规模替代化石燃料的能源，就是核能。另外，人们也发现了某些轻原子核结合成质量较大的原子核时，会发生聚变反应，能释放出比裂变更多的能量，但其反应过程还不能被人类随意控制。受控核聚变是当前全世界正在共同研究的重大课题，但要发展到实用阶段，还有一段艰难的路要走。

海洋能海洋能是指依附在海水中的可再生能源，包括：潮汐能、波浪能、海洋温差能、海洋盐差能和海流能等。据估算，全世界海洋能蕴藏量达750亿千瓦，而且也不会枯竭。

地热能地热能是指在地球内部蕴藏着的巨大热力学能，它主要来源于地球深处的熔融岩浆和放射性物质的衰变。地球内部是高温高压的世界，蕴藏着无比丰富的热量，地温随深度增加而升高，平均每深入1km，温度升高30℃，仅地下的热水、蒸汽、干热岩等存储的总能量就为地球全部煤炭储能的上亿倍。

水力能水力能是指蕴藏于天然水体中的动能和重力势能。水力能随着自然界水文循环周而复始，可重复再生。水力发电过程中没有化学变化，不排泄有害物质，对环境影响较小。

生物质能生物质能指绿色植物通过光合作用储存在生物体内的化学能。地球上的植物每年产生的生物质能，大约是目前人类能源消费总量的10～20倍，是一种非常巨大的能源。生物质能的转化利用技术，除