第3章 2.热力学第一定律-【名师导航】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册同步课件(人教版)

第三章　热力学定律 2．热力学第一定律 2 学习任务 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变化、转移问题。 2．热力学第一定律 关键能力·情境探究达成 学习效果·随堂评估自测 课时分层作业 关键能力·情境探究达成 01 知识点一　热力学第一定律 知识点二　热力学第一定律的应用 2．热力学第一定律 关键能力·情境探究达成 学习效果·随堂评估自测 课时分层作业 4 1．改变内能的两种方式 做功与_____。两者在改变系统内能方面是_______。 2．热力学第一定律 (1)内容：一个热力学系统的内能变化量等于外界向它传递的_____与外界对它_________的和。 (2)表达式：___________。 知识点一　热力学第一定律 传热 等价的 热量 所做的功 ΔU＝Q＋W 2．热力学第一定律 关键能力·情境探究达成 学习效果·随堂评估自测 课时分层作业 (3)外界对系统做功时，W取_____，系统对外界做功时，W取_____；外界对系统传递的热量Q取_____，系统向外界传递的热量Q取_____。 提醒：热力学第一定律的数学表达式也适用于物体对外界做功、向外界传热和内能减少的情况。 正值 负值 正值 负值 2．热力学第一定律 关键能力·情境探究达成 学习效果·随堂评估自测 课时分层作业 如图所示，气象探测气球内充有常温常压的氦气，从地面上升至某高空的过程中，气球内氦气的压强随外部气压减小而逐渐减小，其温度因启动加热装置而保持不变，高空气温为－7.0 ℃，球内氦气可视为理想气体。 2．热力学第一定律 关键能力·情境探究达成 学习效果·随堂评估自测 课时分层作业 【问题】 若在此高空，关闭加热装置后： (1)氦气对外界做功还是外界对氦气做功？ (2)氦气吸热还是放热？ 提示：(1)根据＝C可知，探测气球体积减小，外界对氦气做功。 (2)在此高空，ΔU<0，W>0，根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W可知，Q<0，即氦气对外放热。 2．热力学第一定律 关键能力·情境探究达成 学习效果·随堂评估自测 课时分层作业 1．对公式ΔU＝Q＋W中ΔU、Q、W符号的规定 符号 Q W ΔU ＋ 物体吸收热量 外界对物体做功 内能增加 － 物体放出热量 物体对外界做功 内能减少 2．热力学第一定律 关键能力·情境探究达成 学习效果·随堂评估自测 课时分层作业 2．热力学第一定律的几种典型应用 (1)若过程是绝热的，即Q＝0，则W＝ΔU，外界对物体(或物体对外界)做的功等于物体内能的增加(或减少)量。 (2)若过程中不做功，即W＝0，则Q＝ΔU，物体吸收(或放出)的热量等于物体内能的增加(或减少)量。 (3)若过程中物体的始、末内能不变，即ΔU＝0，则W＋Q＝0或W＝－Q，外界对物体(或物体对外界)做的功等于物体放出(或吸收)的热量。 2．热力学第一定律 关键能力·情境探究达成 学习效果·随堂评估自测 课时分层作业 【典例1】　(2022·江苏徐州高二期末)如图所示，一台四冲程内燃机，活塞在压缩冲程的某段时间内移动的距离为0.1 m，这段过程中活塞对气体的压力逐渐增大，其做的功相当于2×103 N的恒力使活塞移动相同距离所做的功，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，则压缩冲程气体内能的变化量为________J。做功冲程，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9×103 N的恒力使活塞移动相同距离所做的功，若做功冲程气体内能的减少量为930 J，则该做功冲程气体传递给汽缸的热量为________J。 175　 30 2．热力学第一定律 关键能力·情境探究达成 学习效果·随堂评估自测 课时分层作业 [解析]　压缩冲程中，外界对气体做功，W1＝F1s＝2×103×0.1 J＝200 J，气体向外放热，Q1＝－25 J，可得气体内能的变化量为ΔU1＝W1＋Q1＝175 J。做功冲程，气体对外界做功，W2＝－F2s＝－9×103×0.1 J＝－900 J，气体内能的减少量为ΔU2＝W2＋Q2＝－930 J，解得Q2＝－30 J，所以气体传递给汽缸的热量为30 J。 2．热力学第一定律 关键能力·情境探究达成 学习效果·随堂评估自测 课时分层作业 规律方法　应用热力学第一定律解题的思路与步骤 (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)特别注意物理量的正负号及其物理意义。 2．热力学第一定律 关键能力·情境探究达成 学习效果·随堂评估自测 课时分层作业 [跟进训练] 1．一定质量的理想气体在某一过程中，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 B　[由符号法则可知，外界对气体做功，W取正值，气体内能减少，ΔU为负值，代入热力学第一定律表达式得Q＝－2×105 J，故选项B正确。] √ 2．热力学第一定律 关键能力·情境探究达成 学习效果·随堂评估自测 课时分层作业 如图所示，一定质量的理想气体由a状态变化到b状态。 知识点二　热力学第一定律的应用 2．热力学第一定律 关键能力·情境探究达成 学习效果·随堂评估自测 课时分层作业 【问题】 (1)在变化过程中是气体对外做功，还是外界对气体做功？ (2)在变化过程中气体吸热，还是向外放热？气体的内能增加了，还是减少了？ 提示：(1)由题图可知，气体的变化为等压膨胀，气体对外做功。 (2)由日常经验可知，理想气体在等压膨胀过程中需要从外界吸收热量。由盖-吕萨克定律可知，理想气体在等压膨胀过程中温度升高，内能一定增加。 2．热力学第一定律 关键能力·情境探究达成 学习效果·随堂评估自测 课时分层作业 1．热力学第一定律与理想气体状态方程结合问题的分析思路 (1)利用体积的变化分析做功情况。气体体积增大，气体对外界做功；气体体积减小，外界对气体做功。 (2)利用温度的变化分析理想气体内能的变化。一定质量的理想气体的内能仅与温度有关，温度升高，内能增加；温度降低，内能减小。 2．利用热力学第一定律判断是吸热还是放热 由热力学第一定律ΔU＝Q＋W可得Q＝ΔU－W，若已知气体的做功情况和内能的变化情况，即可判断气体的状态变化是吸热过程还是放热过程。 2．热力学第一定律 关键能力·情境探究达成 学习效果·随堂评估自测 课时分层作业 3．几种特殊情况 (1)若过程是绝热的，即Q＝0，则W＝ΔU，外界对物体做的功(或物体对外界做的功)等于物体内能的增加量(或减少量)。 (2)若过程中不做功，即W＝0，则Q＝ΔU，物体吸收(或放出)的热量等于物体内能的增加量(或减少量)。 2．热力学第一定律 关键能力·情境探究达成 学习效果·随堂评估自测 课时分层作业 4．气体状态变化时做功多少的计算 (1)若为等压变化，W＝p·SΔx＝pΔV。 (2)如图所示，若已知气体的p-V图像，在p-V图像中图线与V轴围成的面积表示功的大小。 2．热力学第一定律 关键能力·情境探究达成 学习效果·随堂评估自测 课时分层作业 【典例2】　如图甲所示，质量为m＝2 kg的绝热活塞将一定质量的理想气体封闭在上端开口直立的圆筒形绝热的汽缸中，活塞横截面积S＝5×10-4 m2，可沿汽缸无摩擦滑动且不漏气，开始活塞处于A位置时汽缸内气体的内能为U0＝90 J，现通过电热丝缓慢加热气体，直到活塞缓慢到达位置B，在此过程中，缸内气体的V-T图像如图乙所示。已知大气压强p0＝1.0×105 Pa， g取10 m/s2，一定质量理想气体的 内能与其热力学温度成正比，求： 2．热力学第一定律 关键能力·情境探究达成 学习效果·随堂评估自测 课时分层作业 (1)汽缸内气体的压强和活塞处于B位置时汽缸内气体的热力学温度； [解析]　活塞从A位置缓慢到达B位置，活塞受力平衡，气体发生等压变化，以活塞为研究对象有pS＝p0S＋mg，解得p＝p0＋＝1.4×105 Pa，由盖-吕萨克定律有＝，代入数据解得TB＝450 K。 [答案]　1.4×105 Pa　450 K 2．热力学第一定律 关键能力·情境探究达成 学习效果·随堂评估自测 课时分层作业 (2)活塞由A位置缓慢到达B位置，汽缸内气体变化过程中从电热丝吸收的总热量。 [解析]　由气体的内能与热力学温度成正比得＝，解得UB＝135 J，外界对气体做功W＝－p(VB－VA)＝－28 J，由热力学第一定律得ΔU＝UB－U0＝Q＋W＝45 J，可得气体变化过程中从电热丝吸收的总热量为Q＝73 J。 [答案]　73 J 2．热力学第一定律 关键能力·情境探究达成 学习效果·随堂评估自测 课时分层作业 有关气体问题的易错点：(1)不能正确地分析气体的状态参量，特别是压强参量；(2)对于多过程的问题不能恰当地选取两个状态列方程；(3)对于两部分气体不能正确地建立起它们之间状态参量的关系；(4)不能挖掘关键词语的隐含条件，如“绝热”“导热”“缓慢”的含义等，例如，在某些特定条件下，气体自由膨胀(外界为真空)时，气体没有克服外力做功；(5)不能根据气体体积的变化判断做功的正负，从而不能应用热力学第一定律正确地求解。 2．热力学第一定律 关键能力·情境探究达成 学习效果·随堂评估自测 课时分层作业 [跟进训练] 2．(2022·山东淄博高二下期末)一定质量的理想气体经历了如图所示的A→B→C→D→A循环，该过程中每个状态均可视为平衡态，各状态参数如图所示。对此气体，下列说法正确的是(　　) A．A→B的过程中，气体向外界放热，内能不变 B．B→C的过程中，气体的压强增大，气体从外界吸热 C．C→D的过程中，气体的压强不变，气体从外界吸热 D．D→A的过程中，气体的压强不变，分子的平均动能减小，单位体积内的分子数不变 √ 2．热力学第一定律 关键能力·情境探究达成 学习效果·随堂评估自测 课时分层作业 B　[A→B的过程中温度不变，内能不变，体积膨胀对外界做功，由热力学第一定律得气体从外界吸热，故A错误；B→C的过程中体积不变，单位体积内的分子数不变，温度升高，分子的内能增大，压强增大，由热力学第一定律得气体从外界吸热，故B正确；C→D过程的直线过原点，压强不变，温度降低，内能减小，体积减小，外界对气体做功，气体放热才可能内能减小，故C错误；D→A的过程中气体的体积不变，单位体积内的分子数不变，温度减小，压强也减小，温度是分子平均动能的标志，故分子的平均动能减小，故D错误。] 2．热力学第一定律 关键能力·情境探究达成 学习效果·随堂评估自测 课时分层作业 学习效果·随堂评估自测 02 2．热力学第一定律 关键能力·情境探究达成 学习效果·随堂评估自测 课时分层作业 26 1．(2022·上海松江二中高二期中)被压瘪但尚未破裂的乒乓球放在热水里泡一会儿，就会重新鼓起来，这一过程乒乓球内的气体(　　) A．吸热，对外做功，内能不变 B．吸热，对外做功，内能增加 C．温度升高，对外做功，内能不变 D．压强增大，单位体积内分子数增大 B　[被压瘪但尚未破裂的乒乓球放在热水里泡一会儿，重新鼓起来，体积增大，则气体对外做功，温度升高，内能增大，由热力学第一定律可知，此过程气体吸热。] 1 2 3 4 √ 2．热力学第一定律 关键能力·情境探究达成 学习效果·随堂评估自测 课时分层作业 2．一定质量的理想气体，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．Q1－Q2＝W2－W1 B．Q1＝Q2 C．W1＝W2 D．Q1>Q2 A　[因为该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，所以内能没有变化，ΔU＝0。根据热力学第一定律可知W1－W2＋Q1－Q2＝ΔU＝0，即Q1－Q2＝W2－W1，故A正确。] √ 1 2 3 4 2．热力学第一定律 关键能力·情境探究达成 学习效果·随堂评估自测 课时分层作业 3．(多选)(2022·全国甲卷)一定质量的理想气体从状态a变化到状态b，其过程如p-T图上从a到b的线段所示。在此过程中(　　) 1 2 3 4 A．气体一直对外做功 B．气体的内能一直增加 C．气体一直从外界吸热 D．气体吸收的热量等于其对外做的功 E．气体吸收的热量等于其内能的增加量 √ √ √ 2．热力学第一定律 关键能力·情境探究达成 学习效果·随堂评估自测 课时分层作业 BCE　[因从a到b的p-T图线的反向延长线过原点，由＝C(C为常数)可知，从a到b气体的体积不变，则从a到b气体不对外做功，A错误；因从a到b气体温度一直升高，可知气体内能一直增加，B正确；因W＝0，ΔU>0，根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q可知，气体一直从外界吸热，且气体吸收的热量等于其内能的增加量，C、E正确，D错误。] 1 2 3 4 2．热力学第一定律 关键能力·情境探究达成 学习效果·随堂评估自测 课时分层作业 4．如图所示是密闭的汽缸，外力推动活塞P压缩气体(可视为理想气体)，对缸内气体做功800 J，同时气体向外界放热200 J，则缸内气体的(　　) 1 2 3 4 A．温度升高，内能增加600 J B．温度升高，内能减少200 J C．温度降低，内能增加600 J D．温度降低，内能减少200 J √ 2．热力学第一定律 关键能力·情境探究达成 学习效果·随堂评估自测 课时分层作业 A　[对一定质量的理想气体，由热力学第一定律ΔU＝W＋Q可知，ΔU＝800 J＋(－200 J)＝600 J，ΔU为正表示内能增加了600 J，对一定质量的理想气体来说，内能等于所有分子动能的和，内能增加，则气体分子的平均动能增加，温度升高，A正确。] 1 2 3 4 2．热力学第一定律 关键能力·情境探究达成 学习效果·随堂评估自测 课时分层作业 回归本节知识，自我完成以下问题： 1．热力学第一定律的表达式是什么？其中各符号的正、负是如何规定的？ 提示：ΔU＝Q＋W。系统从外界吸热，Q为正，向外界放热，Q为负。外界对系统做功，W为正，系统对外界做功，W为负。系统内能增加，ΔU为正，系统内能减少，ΔU为负。 2．热力学第一定律 关键能力·情境探究达成 学习效果·随堂评估自测 课时分层作业 2．物体的内能不变，能否说明外界既没有对物体做功，也没有发生热传递吗？ 提示：不能。因为内能的变化量由做功和热传递共同决定，且这两种方法是等效的。 2．热力学第一定律 关键能力·情境探究达成 学习效果·随堂评估自测 课时分层作业 $$