物理（普通类）教学课件 第二节 能量守恒定律 学习资料

第二节能量守恒定律一、热力学第一定律二、能量守恒定律

一、热力学第一定律如果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。则在整个过程之后，物体的热力学能的增加量ΔE＝Q＋W这个公式可以理解为：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的功的和。这就是热力学第一定律。规定：物体从外界吸热，Q＞0；物体向外界放热，Q＜0。物体的热力学能增加，ΔE＞0；热力学能减少，ΔE＜0。外界对物体做功，W＞0；物体对外界做功，W＜0。

[例题]

一定质量的气体从外界吸收热量2.6×105J，热力学能增加4.2×105J，是气体对外界做功，还是外界对气体做功？做了多少功？

分析

已知物体吸收的热量和热力学能的改变量，要求这一过程中气体做功的情况，通过热力学第一定律即可求解，然后根据做功数值的正负判断气体是对外做功，还是外界对气体做功。

解

由热力学第一定律公式

ΔE＝Q＋W

得

W＝ΔE－Q＝（4.2×105－2.6×105）J＝1.6×105J

W＞0，表示外界对气体做了功。即使在炎热的夏天，电冰箱也可以实现热量从低温向高温的传递，它是利用制冷剂的物态变化来实现这一过程的。常用的制冷剂有氨、二氧化碳、乙烯、R12（氟利昂）、R134a（四氟乙烷）等。一杯热水，经过一段时间就会变成凉水，最终温度与室温相同。这个现象说明，热量总是自发地从高温物体传到低温物体，高温物体温度下降，低温物体温度升高，最终，两个物体温度相等。从来没有发生过这样的现象：热量自发地从低温物体传到高温物体，使得低温物体的温度进一步下降，高温物体的温度进一步上升。压缩机是电冰箱的“心脏”，它消耗电能对来自蒸发器的制冷剂做功，将气态制冷剂压缩。根据热力学第一定律，忽略热传递，由于压缩机对制冷剂做功，所以使制冷剂的热力学能增加，变成高温高压的蒸汽（如p

≈9.2×105Pa，t

≈46℃）。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，除了蒸发器和部分毛细管装在冷库（冷冻室和冷藏室）内部外，其他部件都装在冷库之外。这四个部分由管道连接，组成一个密闭的连通器系统，制冷剂作为工作物质，由管道输送，经过这四个部分，完成工作循环。这种高温高压的制冷剂蒸气来到冷凝器，由于制冷剂的温度比外界空气高，因此向空气放热，热力学能减少，被冷却而凝结成常温高压的液体（如p

≈9.0×105Pa，t

≈37℃）。这些常温高压的液态制冷剂由干燥过滤器滤掉水分和杂质，进入毛细管。毛细管是内径为0.5～1mm、长为2～4m的细长铜管。通过毛细管的节流降压，制冷剂变成低温低压的液体（如p

≈1.5×105Pa，t

≈－20℃）。进入蒸发器时，低温低压的液态制冷剂在低压条件下迅速气化，膨胀做功，热力学能减少，温度降到比冷库的温度还低（如p≈1.0×105Pa，t≈－30℃）。然后气态制冷剂从冷库吸取热量，热力学能增加。通过了蒸发器的制冷剂全部蒸发变为气体，再被吸入压缩机，进入下一个工作循环。这样，只要压缩机工作，制冷剂就会循环流动，不断地从冷库吸取热量，使冷库保持相当低的温度。从整体上来审视制冷剂的循环过程，其能量转化满足如下的关系：从低温热源（冷库）吸收的热量加上外界所做的功（压缩机做功）等于向高温热源（外界空气）放出的热量。

二、能量守恒定律自然界有各种不同形式的能，除了我们已经学过的机械能、热能等，还有电能、磁能、光能、核能、化学能等。运动物体的动能和势能是可以互相转化的，热力学能和机械能也是可以互相转化的。其他形式的能也可以和热力学能互相转化。如：通电导线发热，电能转化为热力学能；燃料燃烧生热，化学能转化为热力学能；地热发电，热力学能转化为电能；等等。各种不同形式的能量的互相转化，在自然界中每时每刻都在进行着。太阳把地面、水面、空气晒热，并使一部分水蒸发，变热的空气上升使空气流动而形成风，太阳能转化成空气的机械能；蒸发到高空的水汽，又以雨、雪的形式落下来，汇入江河流向海洋，太阳能又转化成水的机械能；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，太阳能又转化成植物的化学能；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；人们又以动物、植物为食物，从中获得了维持生命活动的能量。古代的植物和动物在地质变迁中转化成煤、石油、天然气，成为现代生活、生产的主要能源；在水力发电站和火力发电站里，水的机械能和煤、石油、天然气的化学能又转化成电能；在工厂、农村和住宅中，电能又通过各种用电器转化成机械能、热力学能和光能；等等。

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，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。任何违背能量守恒定律的说法，都被证明是错误的。在19世纪中叶，迈尔（左）、焦耳（中）和亥姆霍兹（右）等科学家经过长期的实验探索，共同确定了一个规律：不论空调器如何运转，它从低温热源吸收的热力学能加上压缩机所消耗的电能总等于向高温热源放出的热力学能，即在整个能量转化过程中，能的总量是守恒的。空调器的制冷系统跟电冰箱的制冷系统几乎一样，即由压缩机、冷凝器、毛细管和蒸发器组成。空调器将冷凝器置于窗外，将蒸发器置于窗内。像电冰箱一样，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。若想提高室内温度，则使制冷剂逆向循环，即让压缩后压强较大、温度较高的制冷剂流经室内热交换器，使它在室内完成冷凝、放热，然后再经毛细管节流降压，在室外完成蒸发、吸热。如此不断循环可达到提高室内温度的目的。练习3-2

1．空气压缩机的活塞对空气做了2×105J的功，同时空气的热力学能增加了1.5×105J，这时空气与外界传递的热量是多少？是吸热还是放热？答案：

5×104J；放热。

2．生活中到处可见能量转化的事例，试说明下列实例中能量是怎样转化的？（1）一根火柴正在燃烧；（2）用太阳灶将一壶水烧开；（3）一台正在运转中的电风扇；（4）一个人用锤子敲打一根铁条；（5）一个在地面上转动的陀螺，速度不断减小；（6）一位同学捡起一块石头，向远处扔去；（6）一位同学捡起一块石头，向远处扔去；（7）一个荡秋千的人摆动幅度越来越小；（8）在水平公路上行驶的汽车，发动机熄火后，速度越来越小，最后停止；（9）子弹从枪中发射出去，射穿靶子，射入墙里；（10）用柴油水泵把水从井里抽上来浇地。答案：（1）火柴的化学能转化为火柴和空气的热力学能；（2）太阳能转化为水和水壶的热力学能；（3）电能转化为电风扇和空气的机械能和热力学能；（4）人的化学能先转化为机械能，再转化为铁锤和铁条等物体的热力学能；（5）陀螺的机械能转化为陀螺、地面和空气的热力学能；（6）同学的化学能转化为石头的机械能；

3．夏天，将一台电冰箱放在房间里，打开冰箱的门，能为房间降温吗？答案：将整个房间看作一个封闭的系统。电冰箱能够从冰箱内的空气中吸收热量，又将这些热量全部释放到冰箱外的空气中。从房间外面看，房间内空气的热力学能并没有改变，因此达不到给房间降温的目的。根据能量守恒定律，由于电冰箱工作是需要消耗电能的，它会将电能转化为