3.1 热力学第一定律 （课件）-【步步高】2023-2024学年高二物理选择性必修第三册（粤教版2019）

DISANZHANG 第三章 第一节　热力学第一定律 学习目标 1.掌握内能的概念，知道分子动能和分子势能的影响因素(重点)。 2.知道做功和热传递是改变物体内能的两种方式，明确两种方式的区别。 3.理解热力学第一定律，并能运用热力学第一定律分析和解决相关问题(重点)。 2 一、物体的内能 二、改变物体内能的两种方式 课时对点练 三、热力学第一定律及其应用 内容索引 3 一 物体的内能 4 1.分子势能 (1)概念：由于分子间存在相互作用力，分子间具有由它们的_________决定的势能。 (2)两分子间的势能与分子间距离的关系如图所示(取无穷远处分子间势能为零)。 ①当r>r0时，分子力表现为_____，若r增大，需克服 引力做功，分子势能______。 ②当r<r0时，分子力表现为_____，若r减小，需克服 斥力做功，分子势能______。 ③当r＝r0时，即分子间距离等于平衡距离时，分子间的作用力为零，分子势能______。 相对位置 引力 增大 斥力 增大 最小 2.分子动能：物体内部的分子由于做_______而具有分子动能。 3.内能：物体中所有分子的______和_________的总和，叫作物体的内能。 (1)宏观上，物体的内能由物体的物质的量、温度和体积共同决定，同时受物态变化的影响。 (2)微观上，物体的内能由物体所含的分子总数、分子的平均动能和分子势能决定。 热运动 动能 分子势能 物体运动得越快，其内能就越大吗？内能可以为零吗？ 讨论与交流 答案　物体运动得越快，物体动能越大，但分子的动能不一定大，分子的平均动能只与温度有关，与宏观物体运动的快慢无关；物体内的分子始终处在永不停息的热运动中，物体的内能不可以为零。 　(2022·江苏徐州市高二期中)关于质量相同的100 ℃的水和100 ℃的水蒸气，下列说法中正确的是 A.分子平均动能不相同，分子势能相同，内能相同 B.分子平均动能相同，分子势能不相同，内能相同 C.分子平均动能相同，分子势能不相同，内能不相同 D.分子平均动能不相同，分子势能相同，内能不相同 例1 √ 质量相同的100 ℃的水和100 ℃的水蒸气的分子数相同；温度是分子平均动能的标志，所以100 ℃的水分子平均动能等于100 ℃的水蒸气的分子平均动能。相同质量的水和水蒸气的体积不同，故分子势能不相同，故内能不相同，故A、B、D错误，C正确。 　(多选)(2022·吉林长春市高二期末)两分子间的斥力和引力的合力F与分子间距离r的关系如图中曲线所示，曲线与r轴交点的横坐标为r0。相距很远的两分子在分子力作用下，由静止开始相互接近。若两分子相距无穷远时分子势能为零，下列说法正确的是 A.在r>r0阶段，F做正功，分子动能增大，势能减小 B.在r<r0阶段，F做负功，分子动能减小，势能也减小 C.在r＝r0时，分子势能最小，动能为零 D.在r＝r0时，分子势能小于零 例2 √ √ r0为分子间的平衡距离，在r>r0阶段，分子力表现 为引力，相互靠近时F做正功，分子动能增加，势 能减小，故A正确； 在r<r0阶段，分子力表现为斥力，相互靠近时F做负功，分子动能减小，势能增加，故B错误； 由以上分析可知，当在r＝r0时，分子势能最小，动能最大，故C错误； 由于两分子相距无穷远时分子势能为零，在r>r0阶段，相互靠近时F做正功，势能减小，故在r＝r0时，分子势能小于零，故D正确。 二 改变物体内能的两种方式 12 在焦耳的许多实验中，有两个最具有代表性：一个实验是重物下落时带动叶片转动，搅拌容器中的水，水由于摩擦而温度上升；另一个实验是通过电流的热效应给液体加热。焦耳的这两个实验说明改变内能有哪两种方式？ 答案　做功和热传递 1.做功与内能变化的关系 如果物体和外界不发生热传递，外界对物体做功，物体的内能_____，物体对外界做功，物体的内能______。 2.热传递与内能变化的关系 (1)热传递过程中物体______变化的量称为热量。 (2)在单纯热传递的过程中，物体从外界吸收热量，物体的内能______，物体向外界放热，物体的内能______。 梳理与总结 增加 减少 内能 增加 减小 3.做功和热传递改变物体内能上的异同 (1)______和_______是改变物体内能的两种方式，二者对于改变物体的内能来说是______的。 (2)做功的实质是内能与其他形式的能之间的______，而热传递则是不同物体(或同一物体不同部分)之间内能的______。 做功 热传递 等效 转化 转移 如图所示，用隔板将一绝热气缸分成两部分，隔板左侧充有理想气体，右侧与绝热活塞之间是真空的。现将隔板抽开，气体会自发扩散至整个气缸。待气体达到稳定后，缓慢推压活塞，将气体压回到原来的体积。假设整个系统不漏气，则气体自发扩散前后内能 变化了吗？为什么？气体在被压缩的过程中内能 如何变化？为什么？ 讨论与交流 答案　气体向真空扩散过程中不对外做功，且又因为气缸绝热，可知气体自发扩散前后内能不变； 气体在被压缩的过程中活塞对气体做功，因气缸绝热，则气体内能增大。 　(多选)某汽车后备箱内安装有撑起箱盖的装置，它主要由气缸和活塞组成。开箱时，密闭于气缸内的压缩气体膨胀，将箱盖顶起，如图所示。在此过程中，若缸内气体与外界无热量交换，忽略气体分子间的相互作用，则缸内气体 A.对外做正功，分子的平均动能减小 B.对外做正功，内能增大 C.对外做负功，分子的平均动能增大 D.对外做正功，内能减小 例3 √ √ 气体膨胀，气体对外做正功，又因为气体与外界无热量交换，由此可知气体内能减小，B错误，D正确； 因忽略气体分子间的相互作用，没有分子势能，所以分子平均动能减小，A正确，C错误。 三 热力学第一定律及其应用 19 气缸内有一定质量的气体，压缩气体的同时给气缸加热。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？ 答案　给气缸加热，即向气缸内传热，气缸内气体的内能会增加，压缩气体，外界对气体做功，也会使气缸内气体的内能增加，所以两种方式同时作用时，气体内能的变化比单一方式更明显。 1.内容：如果外界同时对物体做功和进行热传递，物体内能的增量ΔU等于物体吸收的_______和外界对物体做的功W之和。 2.表达式：ΔU＝_______。 梳理与总结 热量Q Q＋W 3.应用： (1)Q的正负：外界对系统传递热量时，Q取____值；系统向外界传递热量时，Q取____值。(均选填“正”或“负”) (2)W的正负：外界对系统做功时，W取____值；系统对外界做功时，W取____值。(均选填“正”或“负”) (3)ΔU的正负：当系统内能增加时，ΔU取____值；当系统内能减小时，ΔU取____值。(均选填“正”或“负”) 正 正 正 负 负 负 如图，在气缸内活塞左边封闭着一定量的空气，压强与大气压相同。把气缸和活塞固定，使气缸内空气升高一定的温度，空气吸收的热量为Q1。如果让活塞可以自由滑动(活塞与气缸间无摩擦、不漏气)，也使气 缸内空气温度升高相同温度，其吸收的热量为Q2。Q1和 Q2哪个大些？为什么？ 讨论与交流 答案　活塞与气缸都固定不动时，气体的体积不变，没有做功过程发生，气体吸收的热量Q1全部用于增加气体的内能，即Q1＝ΔU。如果活塞可以自由滑动，温度升高，气体膨胀，会推动活塞向外运动，对外做功，当气体升高相同温度时，气体内能的增加量与前一个过程是相同的，也是Q1，根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q2，由于W<0，所以Q2>Q1。 　(2022·汕头市高二期末)如图，肠粉店师傅把一勺刚出炉、热气腾腾的卤汁倒入一小塑料袋中，然后快速打结，袋中密封了一定质量的空气(视为理想气体)。一小段时间后，塑料袋会鼓起来。下列表述正确的是 A.外界对气体做正功 B.气体从袋外吸热 C.相比原来，袋内气体内能减少 D.相比原来，袋内气体压强增大 例4 √ 一小段时间后，塑料袋会鼓起来，可知气体的体 积变大，外界对气体做负功，A错误； 一小段时间后，热气腾腾的卤汁使得气体温度升 高，由于气体的温度高于外界温度，可知气体向 袋外放热，B错误； 一小段时间后，热气腾腾的卤汁使得气体温度升高，可知相比原来，袋内气体内能增大，C错误； 倒入热气腾腾的卤汁前，气体压强等于外界大气压强，一小段时间后，塑料袋会鼓起来，说明气体压强大于外界大气压强，故相比原来，袋内气体压强增大，D正确。 判断是否做功的方法 一般情况下外界对物体做功与否，需看物体的体积是否变化。 (1)若物体体积增大，表明物体对外界做功，W<0。 (2)若物体体积减小，表明外界对物体做功，W>0。 总结提升 　(2022·甘肃舟曲市高二期末)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 例5 √ 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。 应用热力学第一定律解题的一般步骤 (1)根据符号法则写出各已知量(W、Q、ΔU)的正负； (2)根据ΔU＝W＋Q列方程求出未知量； (3)再根据未知量结果的正负来确定吸放热情况、做功情况或内能变化情况。 总结提升 四 课时对点练 考点一　物体的内能 1.(2022·上海师大附中期末)关于物体的内能，下列叙述正确的是 A.温度高的物体比温度低的物体内能大 B.物体的内能不可能为零 C.内能相同的物体，它们的分子平均动能一定相同 D.内能不相同的物体，它们的分子平均动能一定不相同 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 基础对点练 √ 温度高低只反映分子平均动能的大小，由于物体的内能跟物体的物质的量、体积、温度和物态有关，所以温度高的物体不一定比温度低的物体内能大，A错误； 内能是物体内所有分子无规则热运动的动能和分子势能的总和，分子在永不停息地做无规则运动，所以内能永不为零，B正确； 内能相同的物体，它们的温度可能不相同，所以它们的分子平均动能可能不相同，C错误； 内能不同的两个物体，它们的温度可以相同，即它们的分子平均动能可以相同，D错误。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 2.(2022·黑龙江齐齐哈尔市高二期中)关于物体的内能和分子势能，下列说法中正确的是 A.物体的速度增大，则分子的动能增加，内能也一定增加 B.物体温度不变，内能可能变大 C.物体的内能与温度有关，与物体的体积无关 D.把物体举得越高，分子势能越大 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 物体的速度增大，是物体的动能增大，增加的是物体的机械能，分子动能的变化只与物体的温度有关，故A错误； 物体内部所有分子热运动的动能和分子势能的总和叫作物体的内能，分子热运动的平均动能由温度决定，分子势能与物体的体积有关，当发生物态变化时，物体的温度不变，只是分子的平均动能不变，但分子势能可能变大，物体的内能可能增大，故B正确； 物体的内能由物体的物质的量、温度、物体的体积共同决定，同时会受物态变化的影响，故C错误； 把物体举得越高，物体的重力势能越大，故D错误。 3.(2022·梅州市高二月考)分子势能Ep随分子间距离r变化的图像如图所示，取r趋近于无穷大时Ep为零。若甲分子固定在坐标原点O处，乙分子从r3处由静止释放，下列说法正确的是 A.分子力对乙先做负功后做正功 B.当两个分子相距为r＝r1时，乙分子的速度最大 C.当两个分子相距为r＝r2时，它们之间的分子力 表现为0 D.当两个分子相距为r＝r1时，它们之间的分子力表现为引力 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 r2处是平衡位置，r3处分子力为引力，所以乙分子 从r3处由静止释放，分子力先做正功，运动到r2处 速度最大，动能最大，分子势能最小，后做负功， 动能减小，势能增大，故A、B错误； 当两个分子相距为r＝r2时，它们之间的分子力为零，故C正确； 当两个分子相距为r＝r1时，它们之间的分子力表现为斥力，故D错误。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 考点二　改变物体内能的两种方式 4.下列现象中，通过热传递的方法来改变物体内能的是 A.打开电灯开关，灯丝的温度升高，内能增加 B.太阳能热水器在阳光照射下，水的温度逐渐升高 C.用磨刀石磨刀时，刀片的温度升高，内能增加 D.打击铁钉，铁钉的温度升高，内能增加 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 打开电灯开关，灯丝的温度升高，是通过电流做功的方法来改变物体内能的，A错误； 太阳能热水器中水的内能增加是以热传递方式进行的，B正确； 用磨刀石磨刀时，刀片温度升高，是通过做功的方法来改变物体内能的，C错误； 打击铁钉，铁钉温度升高，是通过做功的方法来改变物体内能的，D错误。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 5.(2022·广西桂林市高二期中)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。现对活塞施加一竖直向下的压力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，压强减小，内能增加 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 向下压活塞，活塞对气体做功，气体的内能增加，温度升高，气体的体积减小，可得出气体的压强增大，故选项C正确。 6.(多选)(2022·中山市高二期末)自热锅因其便于加热和方便携带，越来越受到人们的欢迎。自热锅内有一个发热包，遇水发生化学反应而产生大量热量，不需要明火，温度可超过100 ℃，能在15分钟内迅速加热食品。自热锅的盖子上有一个透气孔，如果透气孔堵塞，容易造成小型爆炸。对于这种现象，下列说法正确的是 A.自热锅爆炸前，锅内气体温度升高 B.自热锅爆炸前，锅内气体内能增加 C.自热锅爆炸时，锅内气体温度降低 D.自热锅爆炸时，锅内气体内能增加 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 √ √ √ 自热锅内有一个发热包，遇水发生化学反应而产生大量热量，可知自热锅爆炸前，锅内气体温度升高，锅内气体内能增加，A、B正确； 自热锅爆炸时，由于时间极短，锅内气体对外做功，且来不及与外界发生热传递，锅内气体内能减小，锅内气体温度降低，C正确，D错误。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 考点三　热力学第一定律及其应用 7.(多选)对一定质量的理想气体，下列说法正确的是 A.若经历等温膨胀过程，气体压强减小，放出热量 B.若经历等容升温过程，气体压强增大，吸收热量 C.若经历绝热压缩过程，气体压强增大，内能增加 D.若经历等压降温过程，气体对外界做功，吸收热量 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 经历等温膨胀过程，温度不变，内能不变，体积增大，气体对外做功，故一定吸收热量，A错误； 经历等容升温过程，气体对外不做功，吸收热量，温度升高，内能增大，且压强增大，B正确； 经历绝热压缩过程，外界对气体做功，内能增大，该过程温度升高，体积减小，故压强增大，C正确； 经历等压降温过程，体积减小，外界对气体做功，内能减小，放出热量，D错误。 8.(多选)(2023·广州市高二期中)现在越来越多的人开始注意呼吸道的清洁卫生。有一款瓶罐式鼻腔喷雾器，它通常借用瓶内气压将生理盐水送入鼻孔，借助于生理盐水自身的杀菌作用及水流的冲击力，将鼻腔内污垢排出，从而使鼻腔恢复正常的生理环境，达到保护鼻腔的目的。瓶内气囊中的气体可看作理想气体，以下说法正确的是 A.向外喷雾时，因为气体对外做功，罐身温度略降 B.向外喷雾时，因为气体向外散热，罐身温度略降 C.使用后放置一小段时间，罐内气体内能较使用前减少 D.使用后放置一小段时间，罐内气体内能与使用前相同 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 √ √ 向外喷雾时，瓶内液体减少，瓶内气体体积增大，气体对外做功，气体内能减少，故而气体吸热，罐身温度略降，A正确，B错误； 使用后放置一小段时间，罐内外温度相同，罐内气体内能与使用前相同，C错误，D正确。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 9.(2022·潮州市高二期末)如图，内壁光滑的气缸竖直放置在水平桌面上，气缸内封闭一定质量的气体。气体从状态A(活塞在A处)变为状态B(活塞在B处)时，气体吸收热量280 J，气体的内能增加160 J，则下列说法正确的是 A.外界对气体做功120 J B.气体对外界做功120 J C.外界对气体做功440 J D.气体对外界做功440 J √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 由题意知Q＝280 J，ΔU＝160 J，由热力学第一定律可知ΔU＝W＋Q，解得W＝－120 J，即气体对外界做功120 J，故B正确，A、C、D错误。 10.(多选)(2022·肇庆市高二月考)天然气水合物是20世纪科学考察中发现的一种新的矿产资源。它是水和天然气在高压和低温条件下混合时产生的一种固态物质，外貌极像冰雪或固体酒精，点火即可燃烧，有“可燃冰”、“固体瓦斯”之称，开采时只需将固体的“天然气水合物”升温减压就可释放出大量的甲烷气体，可燃冰的形成过程可简化为把甲烷气体压缩到低温的“容器”中，开采时通过升温再把甲烷气体从“容器”中释放出来，甲烷可视为理想气体，以下说法中正确的是 A.在可燃冰开采时甲烷气体对外做功，内能变小 B.在可燃冰开采时甲烷气体对外做功，又从外界吸热，内能变大 C.在可燃冰形成时外界对气体做功，内能变大 D.在可燃冰形成时外界对气体做功，气体又对外放热，内能变小 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 能力综合练 √ 由题意可知，可燃冰在开采过程中要对其加热升温，气体体积变大对外做功，同时内能变大，则气体从外界吸热，故A错误，B正确； 可燃冰形成条件是低温压缩，所以形成可燃冰过程中外界对气体做功，同时内能减少，则气体对外放热，故C错误，D正确。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 11.甲、乙两图分别表示两个分子之间分子力和分子势能随分子间距离变化的图像。由图像判断以下说法中正确的是 A.当分子间距离为r0时，分子力和 分子势能均最小且为零 B.当分子间距离r>r0时，分子力随 分子间距离的增大而增大 C.当分子间距离r>r0时，分子势能随分子间距离的增大而减小 D.当分子间距离r<r0时，随着分子间距离逐渐减小，分子力和分子势能 都增大 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 √ 当分子间距离为r0时，分子力为0，分子势能最小但不为0，所以A错误； 当分子间距离r>r0时，由图像可知随分子间距离的增大，分子力先增大后减小，所以B错误； 当分子间距离r>r0时，分子力为引力，随着分子间距离增大，分子引力做负功，则分子势能随分子间距离的增大而增大，所以C错误； 当分子间距离r<r0时，分子力为斥力，随着分子间距离逐渐减小，分子力增大，分子斥力做负功，则分子势能也增大，所以D正确。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 12.(2022·山东济南市期中)如图所示，内壁光滑的绝热气缸固定在水平面上，由于其右端有挡板，厚度不计的绝热活塞不能离开气缸，气缸内封闭着一定质量的理想气体，活塞距气缸右端的距离为0.2 m。现对封闭气体加热，活塞缓慢移动，一段时间后停止加热，此时封闭气体的压强变为2×105 Pa。已知活塞的横截面积为0.04 m2，外部大气压强为1×105 Pa，加热过程中封闭气体吸收的热量为2 000 J，则封闭气体的内能变化量为 A.400 J B.1 200 J C.2 000 J D.2 800 J 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 √ 由题意可知，气体先发生等压变化，到活塞运动到挡板处再发生等容变化，等压变化过程中，气体对外做功，则 W＝－p0Sx＝－1×105×0.04×0.2 J＝－800 J， 由热力学第一定律可知，封闭气体的内能变化量为 ΔU＝W＋Q＝(－800＋2 000) J＝1 200 J， 故B正确。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 $$