第3章 2 热力学第一定律-【精彩三年】2023-2024学年新教材高中物理选择性必修第三册课程探究与巩固教师用书配套word（人教版）

2　热力学第一定律 课程解读 课标要点 学科素养 链接浙江选考 知道热力学第一定律。通过有关史实，了解热力学第一定律的发现过程，体会科学探索中的挫折和失败对科学发现的意义 物理观念：增强能量观念。 科学思维：推导热力学第一定律。 科学态度与责任：体会科学探索中的挫折和失败对科学发现的意义 1．理解热力学第一定律 2．应用热力学第一定律 (见学生用书P36) 知识点　热力学第一定律 1．改变内能的两种方式：做功与传热。两者对改变系统的内能是等价的。 2．热力学第一定律：一个热力学系统的内能变化量等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的和。 3．表达式：ΔU＝Q＋W。 4．公式ΔU＝Q＋W中各物理量符号的规定 符号 W Q ΔU ＋ 外界对系统做功 系统吸收热量 内能增加 － 系统对外界做功 系统放出热量 内能减少 5．几种特殊情况 (1)若过程是绝热的，则Q＝0，W＝ΔU，外界对系统做的功等于系统内能的增加量。 (2)若过程中不做功，即W＝0，则Q＝ΔU，系统吸收的热量等于系统内能的增加量。 (3)若过程的始、末状态系统的内能不变，即ΔU＝0，则W＋Q＝0或W＝－Q，外界对系统做的功等于系统放出的热量。 [思辨] 1．判断题(正确的打“√”，错误的打“”) (1)做功和传热这两种改变内能的方式是等价的。(　√　) (2)热力学第一定律的表达式ΔU＝Q＋W是矢量式。(　　) (3)应用热力学第一定律时，各量的单位应统一为国际单位制中的焦耳。(　√　) 2．思考题：公式ΔU＝Q＋W中各物理量为负号“－”的含义是什么？ 【答案】 ΔU为“－”，表示系统内能减少；Q为“－”，表示系统放出热量；W为“－”，表示系统对外界做功。 (见学生用书P36) 类型一　热力学第一定律的理解 如图甲所示，内壁光滑的绝热汽缸内用绝热活塞封闭了一定质量的理想气体，初始时汽缸开口向上放置，活塞处于静止状态。现将汽缸倒立挂起，稳定后如图乙所示。该过程中缸内气体(　C　) 　　 A．内能增加，外界对气体做正功 B．内能减少，所有分子热运动速率都减小 C．温度降低，速率大的分子数占总分子数比例减小 D．温度升高，速率大的分子数占总分子数比例增大 【解析】 初始时汽缸开口向上，活塞处于平衡状态，汽缸内、外气体对活塞的压力差与活塞的重力平衡，设初始时汽缸内气体的压强为p1，活塞的面积为S，活塞质量为m，则有p1S＝p0S＋mg；将汽缸倒立挂起，设汽缸内气体的压强为p2，则有p2S＝p0S－mg。由此可知气体的压强减小，气体膨胀，气体对外做功，W<0，汽缸、活塞都是绝热的，根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，可知内能减少，故A错误。由以上分析可知，气体内能减少，缸内理想气体的温度降低，分子热运动的平均速率减小，并不是所有分子热运动的速率都减小；温度降低，速率大的分子数占总分子数的比例减小，故B、D错误，C正确。 一定质量的理想气体，从某一状态开始，经过一系列变化后又回到开始的状态，用W1表示外界对气体做的功，W2表示气体对外界做的功，Q1表示气体吸收的热量，Q2表示气体放出的热量，则在整个过程中一定有(　A　) A．Q1－Q2＝W2－W1 B．Q1＝Q2 C．W1＝W2 D．Q1>Q2 【解析】 一定质量的理想气体，从某一状态开始，经过一系列变化后又回到开始的状态，说明整个变化过程内能的变化量为0，根据热力学第一定律可得ΔU＝W1－W2＋Q1－Q2＝0，可得Q1－Q2＝W2－W1。因为具体的变化过程未知，所以无法判断W1与W2的大小关系，也无法判断Q1与Q2的大小关系，A正确，B、C、D错误。 类型二　热力学第一定律的应用 应用热力学第一定律表达式ΔU＝Q＋W时的注意事项： (1)要明确研究的对象是哪个物体或者是哪个热力学系统。 (2)要依照符号法则代入数据，对结果的正、负也同样依照该符号法则来解释其意义。 ΔU为“＋”，表示内能增加；ΔU为“－”，表示内能减少。 Q为“＋”，表示物体吸收热量；Q为“－”，表示物体放出热量。 W为“＋”，表示外界对物体做功；W为“－”，表示物体对外界做功。 空气压缩机在一次压缩空气过程中，活塞对空气做了2×105 J的功，同时空气的内能增加了1.5×105 J。在这一过程中，空气向外界传递的热量是多少？ 【答案】 5×104 J 【解析】 选择被压缩的空气为研究对象，根据热力学第一定律有ΔU＝W＋Q， 由题意可知W＝2×105 J，ΔU＝1.5×105 J， 代入上式得Q＝ΔU－W＝1.5×105 J－2×105 J＝－5×104 J， 负号表示空气向外释放热量，即空气向外界传递的热量为5×104 J。 一定质量的气体，从状态A变化到状态B的过程中，内能增加了160 J。下列是关于内能变化的可能原因的说法，其中不可能的是(　D　) A．从状态A到状态B的绝热过程中，外界对气体做功160 J B．从状态A到状态B的单纯传热过程中，外界对气体传递了160 J的热量 C．从状态A到状态B的过程中吸热280 J，并对外界做功120 J D．从状态A到状态B的过程中放热280 J，外界对气体做功120 J 【解析】 若过程是绝热的，即Q＝0，则外界对气体做的功等于气体内能的增加量，即W＝ΔU＝160 J，故A是可能的，不符合题意；若过程中不做功，即W＝0，则气体吸收的热量等于气体内能的增加量，即Q＝ΔU＝160 J，故B是可能的，不符合题意；根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q知，从A到B的过程中，吸热280 J，内能增加160 J，则W＝－120 J，即气体对外界做功120 J，故C是可能的，不符合题意；根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q知，从A到B的过程中，放热280 J，内能增加160 J，则W＝440 J，即外界对气体做功440 J，故D是不可能的，符合题意。 本课点睛(教师用书独有) 应用热力学第一定律解题的一般步骤 (1)首先应明确研究对象是哪个物体或者是哪个热力学系统。 (2)分别写出系统吸收或放出的热量，外界对系统所做的功或系统对外界所做的功。 (3)根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W列出方程进行求解。 (4)特别应注意的就是物理量的正、负号及其物理意义。 学科网（北京）股份有限公司 $$