3.2热力学第一定律 课件 -2024-2025学年高二下学期物理人教版（2019）选择性必修第三册

3.2热力学第一定律 【学习目标】 1．能以系统为研究对象，用综合分析的方法推导出热力学第一定律。 2．能运用热力学第一定律解释和计算能量的转化、转移问题。 3．理解能量守恒定律，知道第一类永动机是不可能实现的。 新知导入 汽缸内有一定质量的气体，压编气体的同时给汽缸加热。那么，气体内能的变化会比单一方式(做功或传热)更明显。这是为什么呢? 思考：改变物体内能的方式有哪些？ 一、热力学第一定律 焦耳的实验：做功与传热在改变系统内能方面是等价的。 对系统做机械功 对系统做电功 做 功 热传递 外界对物体做功 物体对外界做功 物体从外界吸热 物体对外界放热 内能增加 内能增加 内能减少 内能减少 改变内能的两种方式 △U＝W △U＝Q 思考：如果物体在跟外界同时发生做功和热传递的过程中，内能又如何变化呢？ 一个热力学系统的内能变化量等于外界向他传递的热量与外界对他所做的功的和。这就是著名的热力学第一定律。 ΔU=W+Q ①内能的变化量ΔU ＊气体内能只与温度有关 ＊发生物态变化时：温度不变，但内能改变 ΔU ΔEK ΔEP ：温度 ：温度、状态、体积 熔化 凝固 ②传递的热量Q Q>0: 系统吸热 Q<0: 系统放热 Q=0: 绝热状态 温度差 导热 隔热材料 做功>>放热 ③所做的功W W>0： 外界对系统做功 W<0： 系统对外界做功 F h F h W>0 V↓ W<0 V↑ 对于一般气体而言：体积减小（压缩）时外界对气体做功，W>0 体积增大（膨胀）时气体对外界做功，W<0 思考与讨论 一定质量的气体，膨胀过程中是外界对气体做功还是气体对外界做功?如果膨胀时气体对外做的功是135 J，同时向外放热85J，气体内能的变化量是多少?内能是增加了还是减少了?请你通过这个例子总结功和热量取正、负值的物理意义。 解： 气体对外界做功 系统对外做功：W=-135J 系统向外放热：Q=-85J ΔU = W + Q 代入得： ΔU =-135+（-85） =-220J 内能变化了220J，减少 总：热力学第一定律 一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的和。 (1)W的正负：外界对系统做功时，W取正值；系统对外界做功时，W取负值． (2)Q的正负：外界对系统传递的热量Q取正值；系统向外界传递的热量Q取负值． (3) 的正负：系统内能增加， 取正值；系统内能减少， 取负值． 二、热力学第一定律的应用 与热力学第一定律相匹配的符号法则 做功 W 热量 Q 内能的改变 ΔU 取正值“＋” 外界对系统 做功 系统从外界 吸收热量 系统的内能增加 取负值“－” 系统对外界 做功 系统向外界 放出热量 系统的内能减少 如图3.2-1，一台四冲程内燃机，活塞在压缩冲程某段时间内移动的距离为0.1 m，这段过程活塞对气体的压力逐渐增大，其做的功相当于2×10 3 N的恒力使活塞移动相同距离所做的功（图3.2-2甲）。内燃机工作时汽缸温度高于环境温度，该过程中压缩气体传递给汽缸的热量为25 J。 （1）求上述压缩过程中气体内能的变化量。 解：（1）压缩过程活塞对气体做的功 W 1 ＝ F 1l 1 ＝ 2×10 3 ×0.1 J ＝ 200 J 气体内能的变化量 ΔU 1 ＝ W 1 ＋ Q 1 ＝ 200 J － 25 J ＝ 175 J （2）燃烧后的高压气体对活塞做功，气体推动活塞移动 0.1 m，其做的功相当于9×10 3 N 的恒力使活塞移动相同距离所做的功（图 3.2-2 乙），该做功过程气体传递给汽缸的热量为 30 J，求此做功过程气体内能的变化量。 解：（2）气体膨胀过程中气体对外界所做的功 W 2 ＝ F 2l 2 ＝-9×10 3 ×0.1 J ＝- 900 J 气体内能的变化量 ΔU 2 ＝ W 2 ＋ Q 2 ＝ - 900 J - 30 J ＝- 930 J 汽缸内气体在压缩过程中内能增加了 175 J，在膨胀做功过程中气体内能减少了930 J。 课堂练习 例1：对一定量的气体，下列说法正确的是（ ） A. 在体积缓慢地不断增大的过程中，气体一定对外界做功 B. 在压强不断增大的过程中，外界对气体一定做功 C. 在体积不断被压缩的过程中，内能一定增加 D. 在与外界没有发生热量交换的过程中，内能一定不变 A 课堂练习 例题2：下列说法正确的（ ) A.外界对一定质量的理想气体做功，其体积一定减小，内能一定增大 B.一定质量的理想气体从外界吸收热量，其温度一定升高，内能一定增大 C.一定质量的理想气体内能增加，其温度不一定升高 D.做功和热传递可以改变物体的内能，但从能量转化或转移观点来看这两种改变方式是有区别的 D 课堂练习 例3：一定质量的理想气体在某一过程中，外界对气体做功7.0×104J，气体内能减少1.3×105J，则此过程（ ） A.气体从外界吸收热量2.0×105J B.气体向外界放出热量2.0×105J C.气体从外界吸收热量6.0×104J D.Ｄ．气体向外界放出热量6.0×104J B 本课小结 1、热力学第一定律： ΔU = W + Q ΔU =0，则 W =- Q W=0，则ΔU = Q Q =0，则ΔU = W 3、方法总结：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)分别列出物体或系统吸收或放出的热量；外界对物体或系统所做的功或物体或系统对外所做的功。 (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。 2、应用 $$