3.1热力学第一定律 课件 -2024-2025学年高二下学期物理教科版（2019）选择性必修第三册

热力学第一定律 冬天搓手可使双手变暖； 向手吹气也可使双手变暖。 是什么原因使手变暖呢？ 知识回顾 1、什么是内能？内能大小的影响因素是什么？ 物体内所有分子热运动的动能和分子势能的总和，叫做物体的内能。 内能与物体的摩尔数、温度、体积有关。 2、质量、温度相同的物体，内能必定相等对吗？ 不一定。比如0°C的冰和水。 3、回顾初中所学知识，改变物体内能有哪些方法？ 改变物体内能方法有:做功和热传递。 问题1：在空气压缩引火仪底部放置少量的硝化棉，迅速压下筒中的活塞，会有什么现象？你能解释这个现象吗？ 解释：当迅速压下活塞时，活塞压缩筒内空气做功，使筒内空气的内能增大，温度升高，达到硝化棉的燃点使其燃烧。 结论：做功可以改变物体的内能。 观察实验并思考： 为什么试管中的水会沸腾？ 热传递使得水的内能增大，温度升高 19世纪30年代，人们逐渐认识到，改变系统的热力学状态的方法：做功和传热（热传递） 从1840年开始，英国物理学家焦耳进行了多种多样的实验，以求精确测定外界对系统做功和传热对于系统状态的影响，以及功与热的相互关系（热功当量）。这项研究工作为热力学第一定律和能量守恒定律的建立奠定了坚实的实验基础。 一、热力学第一定律 1、绝热过程 系统只通过对外界做功或外界对它做功而与外界交换能量，它不从外界吸热，也不向外界放热，这样的过程叫做绝热过程。 焦耳实验是一个需要在绝热过程中完成的实验 （一）焦耳的实验 ⑴实验装置 实验1——桨叶搅拌实验 2、实验 ⑵实验原理 重物下落带动轮叶旋转，通过搅拌对绝热容器内的液体做功，使液体升温，即状态发生变化. （3）焦耳的多次实验测量结论 尽管各次悬挂重物的质量不同，下落的高度也不一样，但只要重力所做的功相同，容器内水温上升的数值都是相同的，即系统状态的变化是相同的。 （4）实验证明 热力学系统的绝热过程中,系统内能的增加量ΔU 等于外界对系统所做的功W,即ΔU=W ⑴实验装置 实验2——功电热转换实验 ⑵实验原理 让正在下降的重物带动发电机发电，电流通过浸在液体中的电阻丝，由电流的热效应给液体加热，使液体温度上升。 对于同一个系统，如果过程是绝热的，那么不管通过电阻丝的电流或大或小、通电时间或长或短，只要所做的电功相等，则系统温度上升的数值是相同的，即系统的状态就发生了同样的变化。 ⑶焦耳的多次实验测量结论 （4）实验证明 在外界没有对系统做功的过程中,系统内能的增加量ΔU 等于系统从外界所吸收的热量Q ,即ΔU=Q 3、改变内能的两种方式 做功W 热传递Q 对内 对外 吸热 放热 内能增加 内能增加 内能减少 内能减少 （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） 做功和热传递都可以改变物体的内能，二者是等效的。那么，做功和热传递有什么区别？ 做功的实质是内能与其他形式的能之间的转化； 热传递的实质是不同物体（或同一物体不同部分）之间内能的转移。 若一个物体不与外界发生热传递（绝热），它的内能变化等于什么？ 若一个物体，外界对其没有做功（无功），它的内能变化等于什么？ 综上，若一个物体既与外界发生热传递，同时外界又对其做功，它的内能变化等于什么？ ΔU=W ΔU=Q ΔU=Q+W （1）内容：一个热力学系统的内能增加量等于系统从外界吸收的热量Q与外界对系统所做的功W之和. （2）物理意义：热力学第一定律不仅反映了做功与传热在改变系统内能方面是等效的，而且给出了功、热量跟系统内能改变之间的定量关系. （3）表达式： ΔU ：系统内能的增加量 W： 外界对系统做的功 Q： 系统吸收的热量 ΔU＝W + Q 4、热力学第一定律 （4）推广：上式也适用于物体对外做功、向外界散热和内能减少的情况。但要注意各量的符号. 例1：一定质量的气体，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135J，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。 解析： 膨胀过程中气体对外界做功 系统对外做功：W=-135J 系统向外放热：Q=-85J 根据热力学第一定律：ΔU = W + Q 代入得：ΔU =-135+（-85）=-220J 内能减少了220J 二、热力学第一定律的应用 1、定律中各量的正、负号及含义 ΔU = W + Q 物理量 符号 意义 符号 意义 W ＋ － Q ＋ － ΔU ＋ － 外界对物体做功 物体对外界做功 物体吸收热量 物体放出热量 内能增加 内能减少 热力学第一定律 2、判断是否做功的方法 一般情况下外界对系统做功与否，需要看系统的体积是否变化。 ①若系统体积增大， 表明系统对外界做功，W ＜ 0； ②若系统体积减小， 表明外界对系统做功，Ｗ ＞ 0． 3、几种特殊情况： (1)若过程是绝热的，则Q＝0，W＝ΔU，外界对物体做的功等于物体内能的增加。 (2)若过程中不做功，即W＝0，则Q＝ΔU，物体吸收的热量等于物体内能的增加。 (3)若过程的始末状态物体的内能不变，即ΔU＝0，则W＋Q＝0或W＝－Q，外界对物体做的功等于物体放出的热量(或物体吸收的热量等于物体对外界做的功)。 4、理想气体内能的判断 理想气体：在任何温度、任何压强下都遵从气体实验定律的气体。 （1）忽略分子势能，只有分子动能 （2）内能看温度，做功看体积 ΔU＝W + Q （3）温度不变，理想气体内能不变△U=0 （4）气体体积减小→外界对气体做功 W＞0 （5）气体积增大→气体对外界做功 W＜0 【特别提醒】 (1)当做功和热传递同时发生时，物体的内能可能增加，也可能减小，还可能保持不变。 (2)物体内能发生变化可能是由做功引起的，也可能是由热传递引起的，还可能是两者共同作用的结果。 【例2】如图所示，密封在容器内的理想气体在保持压强p不变的情况下，体积从V1膨胀到V2，气体向外推动活塞。请问气体的内能变化情况是什么样的呢？ 首先，理想气体的内能只与温度有关，与体积无关。气体发生等压变化，由盖-吕萨克定律： 可得，气体体积增大，温度升高，内能变大。又由热力学第一定律： 可得，气体体积增大，对外界做功，W小于0；内能变大，ΔU大于0；所以Q必须大于0，气体从外界吸收热量，一部分用来增加内能，另一部分转化为对外所做的功。 + + ➖ 【例3】如图所示，某同学将空的玻璃瓶开口向下缓缓压入水中。设水温均匀且恒定，瓶内空气无泄漏，不计空气分子间的相互作用，则被淹没的玻璃瓶在下降的过程中，气体是吸热还是放热，为什么？ 解：在玻璃瓶下降的过程中，瓶内气体的压强随着水深度变大而变大，气体温度不变，体积减少。由玻意耳定律： 可得，气体内能不变，ΔU等于0。压强变大，体积减少，外界对气体做功，W大于0，由热力学第一定律： 可得，Q小于0，气体对外界放出热量，且放出热量Q与外界做功W相等。 + ➖ 0 5、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。 【例4】如图，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2×103N的恒力使活塞移动相同距离所做的功（图甲）。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25J。 ⑴求上述压缩过程中气体内能的变化量。 ①确定研究对象：汽缸中的气体。 ③正确选取W与Q的正负。 ②明确气体状态变化过程。 分析： （1）压缩过程活塞（外界）对气体（系统）做功，W是正值： W1= F1l1= 2×10²×0.1 J = 200 J 系统向外放热：Q=-25J 气体内能的变化量：ΔU1= W1＋Q1= 200 J -25 J = 175 J 解析： 【例4】如图，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2×103N的恒力使活塞移动相同距离所做的功（图甲）。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25J。 ⑵燃烧后的高压气体对活塞做功，气体推动活塞移动0.1m，其做的功相当于9×103N的恒力使活塞移动相同距离所做的功（图乙），该做功过程气体传递给汽缸的热量为30J，求此做功过程气体内能的变化量。 解析： （2）气体膨胀过程中气体（系统）对外界所做功，W是负值： W2= F2L2=-9×10²×0.1 J =-900 J 系统向外放热：Q=-30J 气体内能的变化量：ΔU2= W2＋Q2=-900 J - 30J =-930 J 三、第一类永动机不可能制成 如图所示是一台“永动机”构想图，其设计思想如下：在水轮上方的水箱内装入一定量的水，水流下时冲动水轮转动，水轮通过皮带带动抽水机不断地把水从下方的水池中抽到上方水箱中，这样，水不停地循环，水轮机将永久地转动下去。 思考：这样的“永动机”能实现吗？为什么？ “永动机”的构想图 1、永动机：不需要任何动力或燃料，却能源源不断地对外做功的机器。 （人们把这种不消耗能量的永动机叫第一类永动机） 螺旋永动机 达·芬奇 软臂永动机 19世纪设计 滚球永动机 马尔基斯 磁力永动机 2、历史上的永动机 磨轮永动机 4、永动机给我们的启示：人类利用和改造自然时，必须遵循自然规律。 3、最终结果：无一例外地归于失败。 5、第一类永动机不可能制成的原因 （1）如果没有外界热源供给热量，则有U2－U1＝W，就是说，如果系统内能减少，即U2<U1，则W<0，系统对外做功是要以内能减少为代价的，若想源源不断地做功，就必须使系统不断回到初始状态，在无外界能量供给的情况下，是不可能的。 （2）层出不穷的永动机设计方案，由于违背了能量守恒定律，无一例外地宣布失败，人类制造永动机的企图是没有任何成功希望的。 42 任何动力机械的作用都是把其他形式的能转化为机械能。 化学能→内能→机械能 电能→机械能 43 1、恒温水槽中的气泡缓慢上升的过程中（　　） A．压强增加，外界对气泡做功，气泡对外放热 B．压强增加，气泡对外做功，气泡从外界吸热 C．压强减小，外界对气泡做功，气泡对外放热 D．压强减小，气泡对外做功，气泡从外界吸热 D 随堂巩固 A．外界对气体做功，气体内能增大 B．外界对气体做功，气体内能减小 C．气体对外界做功，气体内能增大 D．气体对外界做功，气体内能减小 气体体积减小，外界对气体做功 △U=W 内能增加 A 2、下图为某种椅子与其升降部分的结构示意图，M、N两筒间密闭了一定质量的气体，M可沿N的内壁上下滑动，设筒内气体不与外界发生热交换，在M向下滑动的过程中(　　) 3、如图所示，一定质量的理想气体密封在绝热(即与外界不发生热交换)容器中，容器内装有一可以活动的绝热活塞．今对活塞施以一竖直向下的压力F，使活塞缓慢向下移动一段距离后，气体的体积减小．若忽略活塞与容器壁间的摩擦力，则被密封的气体(　　) A．温度升高，压强增大，内能减少 B．温度降低，压强增大，内能减少 C．温度升高，压强增大，内能增加 D．温度降低，压强减，内能增加 W>0 △U=W 内能增加 绝热 理想气体 分子平均动能增加 温度升高 压强增大 C 4、一定质量的气体在某一过程中，外界对气体做了8×104 J的功，气体的内能减少了1.2×105 J，则下列各式正确的是（ ） A.W＝8×104 J，ΔU＝1.2×105 J，Q＝4×104 J B.W＝8×104 J，ΔU＝－1.2×105 J，Q＝－2×105 J C.W＝－8×104 J，ΔU＝1.2×105 J，Q＝2×104 J D.W＝－8×104 J，ΔU＝－1.2×105 J，Q＝－4×104 J 解析： B 因为外界对气体做功，W取正值，即W＝8×104 J；气体内能减少，ΔU取负值，即ΔU＝－1.2×105 J；根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，可知Q＝ΔU－W＝－1.2×105 J－8×104 J＝－2×105 J，B选项正确. 5、一个系统内能增加了20 J．如果系统与周围环境不发生热交换，周围环境需要对系统做的功为(　　) A．40 J B．－40 J C．－20 J D．20 J D 6、20mol氧气由状态1变化到状态2所经历的过程如图所示 (1)沿1→3→2折线； (2)沿1→2直线.试分别求出这两个过程中外界对气体做功.氧气视为理想气体. 10 20 30 40 50 V/L p/×105Pa 5 10 20 0 15 1 3 2 解 (1)1→3，不做功 3→2，做功为 W32=20×105×40×10-3J =8×104J 总功W132= 8×104J (2) 由面积求：W1→2 =(5+20)×105×40×10-3J/2 =5×104J 谢 谢 EV录屏3.9.5软件录制 Lavf56.38.102 本视频由湖南一唯信息科技开发的EV录屏软件录制，www.ieway.cn Lavf59.6.100 $$