第3章 1.热力学第一定律-【金版教程】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册创新导学案word（教科版2019）

学科网书城围 品牌书店·知名教辅·正版资源 b.ZXXk.c0m○ 您身边的互联网+教辅专家 I SAN ZHANG 第三章 热力学定律 1.热力学第一定律 [核心素养定位]1.了解焦耳的两个最具代表性的实验，知道两个实验中功、热量与内能变化 量之间的定量关系。2.知道改变物体内能的两种方式（做功与热传递）的实质及等效性，了解热 力学第一定律的推导过程。3理解热力学第一定律，能应用热力学第一定律分析和解决实际 问题。4知道什么是第一类永动机及其不可能制成的原因。 课前自主学习 一热力学第一定律 1.焦耳的实验 (1)桨叶搅拌实验 ①绝热过程：系统与外界之间没有supl01)热量的交换，只是通过外界sp1O2)做功的方式 与外界交换能量的过程。 ②实验过程：重物下落时带动搅拌器转动，叶片与水之间，以及水与水之间因摩擦而生热。 ③实验现象：只要重力做功相等，水温升高都spl03相签，即系统内能的变化spl04)相 回。 ④结论：在热力学系统的绝热过程中，系统内能的增加量△U等于supl05)外界对supl06 系统所做的功W。 表达式：△U=spl07)亚 注：如果系统对外界做功，这时W取负值，△也为负值，表示内能减少。 (2)功电热转换实验 ①实验过程：下落的重物带动发电机转动发电，产生的电流通过浸没在水中的电阻丝，电流 的热效应使容器中的水温升高。 ②实验现象：只要产生的电热相等，系统升高的温度都splO8)相篷，即系统内能的变化！ spl(O9)相同。 学科网书城 品牌书店·知名教辅·正版资源 b.2XXk.com● 您身边的互联网+教辅专家 ③结论：在外界没有对系统做功的过程中，系统内能的增加量△U等于系统splI0)丛外星 所吸收的热量Q。 表达式：△U=swpl1)O 注：如果系统向外界放热，这时Q取负值，△U也为负值，表示内能减少。 2.热力学第一定律 ()内容：在系统跟外界同时发生做功和热传递的过程中，系统内能的增加量△U等于系统) sp12)从外界所吸收的热量Q与spl13)外界对spl4)系统所做的功W之和。 (2)表达式：△U=spl15O+W 二第一类永动机不可能制成 1.第一类永动机：不需任何动力和spl01)燃料，能特续不断地spl02)对外做功的机器。 2.第一类永动机不可能制成的原因：违背了splO3)热力学第二定律。 和课前检测 1.判一判 (1)在绝热过程中，做功方式不同会直接影响系统状态变化的最终结果。() (2)对物体做功，其内能必定改变；物体向外传出一定热量，其内能必定改变。() (3)气体从外界吸收热量，Q取正值，气体对外界做功，W取负值。() (4物体的内能大，说明外界对系统做功多，或系统从外界吸收的热量多。() (⑤)第一类永动机一定可以制成，只是时间早晚的问题。() 提示：(1)×(2)×(3)√(4)×(5)× 2.想一想 一个氢气球从手中松脱后，随着上升的高度增大，会不新膨胀，温度也会降低。假设一段时 间内氢气球内气体对外做功W,放出热量Q,则氢气球内气体的内能变化了多少？ 提示：根据热力学第一定律，氢气球的内能变化量△U=一W一Q,即氢气球内气体的内能减 小了W+Q。 课堂探究评价 探究功与内能的改变 仔细观察下列图片，认真参与“师生互动”。 学科网书城 品牌书店·知名教辅·正版资源 b.2 xxk.com● 您身边的互联网+教辅专家 桨叶境拌实验 师生互动 活动1：手冷的时候，可以哈气取暖，也可以搓手取暖，这说明要改变物体的内能，有哪些 方式？ 提示：做功和热传递。 活动2：如图所示是焦耳做的桨叶搅拌实验，用绝热性能良好的材料将装水的容器包好，容 器中安装由叶片组成的搅拌器，图中水温的升高是由什么引起的？ 提示：重物下落时带动搅拌器转动，叶片与水之间，以及水与水之间因摩擦而生热。 活动3：在该实验过程中，系统与外界之间没有热量的交换，只是通过外界做功的方式与外 界交换能量，这种过程称为绝热过程。实验发现，改变重物质量和重物下落的高度，只要重 力做功相等，水温升高都相等，即系统内能的变化是相同的。这说明什么？ 提示：在热力学系统的绝热过程中，系统内能的增加量等于外界对系统所做的功。 活动4：若系统内能的增加量用△U表示，外界对系统做的功用W表示，如何用公式表示活 动3的结论？ 提示：△U=W(绝热过程) 活动5：如果系统对外界做功，W与△U应如何取值？系统内能如何变化？ 提示：如果系统对外界做功，这时W取负值，△U也为负值，表示内能减少。 得出结论 1.绝热过程：系统与外界之间没有热量的交换，只是通过外界做功的方式与外界交换能量， 这种过程称为绝热过程。一般来说，如果一个热力学过程的状态变化发生得极快、经历时间 很短，系统与外界交换的热量就很少，即系统与外界米不及交换热量，这样的过程若不计传 递的热，可以看成绝热过程。 2.内能与内能的改变 3 学科网书城 品牌书店·知名教辅·正版资源 b.ZXxk.c0m○ 您身边的互联网+教辅专家 (1)物体的内能是指物体中所有分子的热运动的动能和分子势能的总和。一定质量的物体的内 能，在微观上由分子热运动剧烈程度和相互作用力决定，在宏观上体现为与物体温度和体积 有关，因此物体的内能是一个状态量。 (②)当物体温度变化时，分子热运动剧烈程度发生改变，分子平均动能变化。当物体体积变化 时，分子间距离变化，分子势能发生变化。物体的内能变化只由初、末状态决定，与中间的 具体过程及方式无关。 3.做功与内能的改变的关系 (①)做功改变系统内能的过程是其他形式的能（如机械能）与内能相互转化的过程。 (2)在绝热过程中，外界对系统做多少功，就有多少其他形式的能转化为内能，系统的内能就 增加多少；系统对外界做多少功，就有多少内能转化为其他形式的能，系统的内能就减少多 少。 4.功和内能的区别与联系 (①)功是过程量，内能是状态量。 (2)在绝热过程中，做功一定能引起内能的变化。 (③)系统的内能大，并不意味着做功多。在绝热过程中，只有内能变化较大时，对应着做功较 多。 实践提升 例1如图所示，对于图片中所描述的物理过程，下列分析中正确的是() A.图甲，空气压缩引火仪内的空气被快速压缩，引火仪内空气的内能减少 B.图乙，瓶子内的空气推动塞子跳起，瓶内空气的内能增大 C.图丙，试管内的水蒸气推动塞子冲出去，水蒸气的内能减少 D.图丁，气缸内的气体推动活塞快速向下运动时，气缸内气体的内能增大 题中几个情境有什么共同点？ 提示：过程极短，与外界交换热量较少，即与外界来不及交换热量，可认为过程绝热。 4 学科网书城 品牌书店·知名教辅·正版资源 b.2XXk.com● 您身边的互联网+教辅专家 [规范解答]图甲，空气压缩引火仪内的空气被快速压缩，可认为过程绝热，活塞对引火仪 内空气做功，引火仪内空气的内能增加，故A错误：图乙，瓶子内的空气推动塞子跳起，可 认为过程绝热，瓶内空气对活塞做功，瓶内空气的内能减少，故B错误：图丙，试管内的水 蒸气推动塞子冲出去，可认为过程绝热，水蒸气对塞子做功，水蒸气的内能减少，故C正确： 图丁，气缸内的气体推动活塞快速向下运动时，可认为过程绝热，气体对活塞做功，气缸内 气体的内能减少，故D错误。 [答案]C 规律点拨 分析绝热过程的方法 (①)在绝热的情况下，若外界对系统做功，系统内能增加，△U为正值：若系统对外界做功， 系统内能减少，△U为负值。此过程做功的多少为内能转化的量度。 (②)在绝热过程中，内能和其他形式的能一样也是状态量，气体的初、末状态确定了，即在初 未状态的内能也相应地确定了，内能的变化△U也确定了。而功是能量转化的量度，所以△U =W。这也是判断绝热过程的一种方法。 [变式训练]地面附近有一正在上升的空气团，它与外界的热交换忽略不计。已知大气压强 随高度增加而降低，则该空气团在上升过程中（不计空气团内分子间的势能(） A.体积减小，温度降低 B.体积减小，温度不变 C,体积增大，温度降低 D.体积减小，温度升高 答案C 解析空气团在上升过程中，与外界的热交换忽略不计，外界压强逐渐减小，则在压强差的 作用下，空气团体积逐渐增大，对外界做功，根据△=W,所以空气团内能逐渐减小，温 度逐渐降低，故选C。 探究热与内能的改变 仔细观察下列图片，认真参与“师生互动”。 5 学科网书城画 品牌书店·知名教辅·正版资源 b.ZxXk.com● 您身边的互联网+教辅专家 发电机 电热妈 功电热转换实验 师生互动 活动1：焦耳的另一个代表性实验是利用电流的热效应给水加热，如图所示。图中水温升高 是由什么引起的？ 提示：下落的重物带动发电机转动发电，产生的电流通过浸没在水中的电阻丝，电流的热效 应使容器中的水温升高。 活动2：实验发现，不管电流大小和通电时间如何变化，只要产生的电热相等，系统升高的 温度都相等，即系统内能的变化是相同的。这说明什么？ 提示：在外界没有对系统做功的过程中，系统内能的增加量等于系统从外界所吸收的热量。 活动3：如果系统内能的增加量用△0表示，系统从外界所吸收的热量用Q表示，如何用公 式表示活动2的结论？ 提示：△U=Q(外界没有对系统做功的过程)。 活动4：如果系统向外界放热，Q与△U应如何取值？系统内能如何变化？ 提示：如果系统向外界放热，这时Q取负值，△U也为负值，表示内能减少。 得 出 结论 1.热传递与内能的改变的关系 (1)热传递改变系统内能的过程是不同物体（或一个物体的不同部分）之间内能转移的过程。 (②)在单纯的热传递过程中，外界向系统传递多少热量，系统的内能就增加多少：系统向外界 传递多少热量，系统的内能就减少多少。 2.热量和温度的区别与联系 热量是系统的内能变化的量度，而温度是系统内分子热运动的平均动能的标志。热传递的前 提条件是两个系统之间要有温度差，传递的是热量而不是温度。 3.内能和温度的区别与联系 6 学科网书城 品牌书店·知名教辅·正版资源 b.2XXk.com● 您身边的互联网+教辅专家 从宏观看，温度表示的是物体的冷热程度；从微观看，温度反映了分子热运动的剧烈程度， 是分子平均动能的标志。物体的温度升高，内能不一定增加，但理想气体的温度升高，内能 一定增加。 4.热量和内能的区别与联系 ()内能是由系统的状态决定的，状态确定，系统的内能也随之确定，要使系统的内能发生变 化，可以通过热传递或做功两种方式来完成。 (②)热量是热传递过程中的特征物理量，和功一样，热量只是反映物体在状态变化过程中所转 移的能量，是用来衡量物体内能变化的，离开过程，毫无意义。因此不能说一个系统中含有 “多少热量”。 5.改变内能的两种方式的比较 比较项目 做功 热传递 外界对系统做功，系统的内能增加：系 系统吸收热量，内能增加：系统放出热 内能变化 统对外界做功，系统的内能减少 量，内能减少 不同物体或一个物体不同部分之间内 物理实质 其他形式的能与内能之间的转化 能的转移 相互联系 做一定量的功和传递相同量的热量在改变内能的效果上是相同的 实 践提升 例2（多选）一铜块和一铁块，质量相等，铜块的温度T1比铁块的温度T2高，当它们接触在 一起时，如果不和外界交换能量，则() A.从两者开始接触到热平衡的整个过程中，铜块内能的减少量等于铁块内能的增加量 B.在两者达到热平衡以前的任意一段时间内，钥块内能的减少量不等于铁块内能的增加量 C.在两者达到热平衡以前的任意一段时间内，钥块内能的减少量都等于铁块内能的增加量 D.达到热平衡时，铜块的温度比铁块的低 如果不和外界发生能量交换，两者的内能之和变化吗？ 提示：不变。 [规范解答]由于T>T2,所以当它们接触在一起时，热量从铜块传向铁块，直至两者达到热 平衡，若不和外界交换能量，则两者的内能之和保持不变，则整个过程中的任意一段时间内， 铜块内能的减少量都等于铁块内能的增加量，达到热平衡时，两者温度相同，故A、C正确， 7 学科网书城 品牌书店·知名教辅·正版资源 zxx con 您身边的互联网+教辅专家 B、D错误。 [答案]AC 规律点拨 热传递方向与物体内能的大小无关 发生热传递时，可能误认为热量是从内能大的物体传到内能小的物体上。为此要明确以下两 点： (1)热传递与物体内能的大小无关，只与两个物体(或一个物体的两部分)的温度差有关，热量 总是从高温物体自发地传递到低温物体。 (2)热传递过程中，热量可以由内能大的物体传递到内能小的物体上，也可以由内能小的物体 传递到内能大的物体上。 [变式训练2](多选)下列所述现象中属于利用热传递的方式改变物体内能的是() A.冬天，用手去拿室外的铁块，手感到冷 B.冬天，通过嘴哈气给手取暖 C.夏天，在地面上晒小麦 D.冬天，两手相互搓动取暖 答案 ABC 解析冬天，用手去拿室外的铁块使手变冷、通过嘴哈气给手取暖，夏天，在地面上晒小麦， 都是通过热传递改变物体的内能；冬天，两手相互搓动取暖是通过做功改变物体内能，故A、 B、C正确，D错误。 探究热力学第一定律及其应用 仔细观察下列图片，认真参与“师生互动”。 $$l _ { 4 }$$ $$v _ { n }$$ 甲 乙 丙 师 生 互 动 E 活动1：如图甲，绝热气缸中有一定质量的气体，用外力压缩气体对气体做功W，使它从状 8 学科网书城 品牌书店·知名教辅·正版资源 b.ZXXk.com● 您身边的互联网+教辅专家 态1变到状态2，气体内能的变化量△山是多少？ 提示：由于没有热量交换，所以△U=W。 活动2：如图乙，同一绝热气缸，接着从状态2开始，保特气体体积不变，将气体加热至状 态3，传递的热量为Q,此过程气体内能的变化量△2是多少？ 提示：由于只有热量传递，所以△U2=Q。 活动3：内能的变化量只与始末状态有关，那么从状态1到状态3，气体的内能变化量△U是 一个确定的值吗？是多少？ 提示：因为内能的变化量只与始末状态有关，所以从状态1到状态3，气体的内能变化量△U 是一个确定的值，即△U=△U1十△U2=Q十W。 活动4：在改变系统的内能方面，做功和热传递是等价的。如图丙，压缩气缸中的气体，同 时给气体加热，气体从状态A变到状态B,相应的内能变化量为△U,则△U与外界做的功 W和气体吸收的热量Q有什么关系？ 提示：国为做功和热传递是等价的，我们可以假设气体吸收的热量Q导致的内能的变化改由 外界做功酽完成，则严=Q。对于假设的过程，气体和外界没有热交换，外界做的总功为W 十酽，它等于气体内能的变化量△U,即△U=W+酽，结合上式可得△U=Q+也可以假 设整个过程只有热传递) 活动5：所谓永动机，即不需要任何动力和燃料，能持续不断地对外做功的机器。人们也把 这一类永动机叫作“第一类永动机”。根据热力学第一定律分析这种“永动机”为什么不能 实现？ 提示：根据热力学第一定律，物体对外做功，即W0:物体做功后回到原来的状态，即△U =0:则物体一定要从外界吸收热量，即Q>0。可见，要使物体既对外做功又不必吸收热量 的第一类永动机是不可能制成的，因为它违背了热力学第一定律。 得 出 结论 对热力学第一定律的理解 ()热力学第一定律不仅反映了做功和热传递这两种改变内能的方式是等价的，而且给出了内 能的变化量与做功和热传递之间的定量关系，此定律是标量式，应用时单位统一为国际单位 制中的焦耳。 (2)对公式△U=Q+W中物理量符号的规定 9 学科网书城围 品牌书店·知名教辅·正版资源 b.ZXXk.com● 您身边的互联网+教辅专家 符号 W g △U 十 外界对系统做功 系统从外界吸热 系统内能增加 系统对外界做功 系统向外界放热 系统内能减少 3)几种特殊情况 ①若过程是绝热的，即Q=0,则外界对系统所做的功等于系统内能的变化量。 ②若过程中不做功，即W=0,则系统吸收的热量等于系统内能的变化量。 ③若过程中系统的始末状态的内能相同，则外界对系统做的功和系统吸收的热量之和一定为 零。 实践提升 例3(1)一定质量的气体从外界吸收了2.6×105J的热量，内能增加了4.2×105J,是气体对 外界做了功，还是外界对气体做了功？做了多少功？ (2)一定质量的气体，从外界吸收3.5×105J的热量，同时气体对外界做功2.3×105J,则气体 的内能怎样变化？ 气体内能的变化由什么决定？ 提示：由热传递情况和做功情况共同决定。 [规范解答(1)根据热力学第一定律表达式中的符号的含义，知Q=2.6×10J,△=4.2× 105J 由AU=W+Q,得W=△U-Q=4.2×10J-2.6×103J=1.6×105J W为正值，说明是外界对气体做了功，且做了1.6×105J的功。 (2)2=3.5×105J,W=-2.3×105J 则△0=Q+W=1.2×10J AU为正值，说明气体的内能增加了12×105J. [答案](1)外界对气体做了功1.6×105J(2)增加了1.2×105J 规律点拨 1,应用热力学第一定律时的注意事项 ()应用热力学第一定律时，要明确研究的对象是哪个物体或者是哪个热力学系统。 (②)应用热力学第一定律计算时，要依照符号规则代入数据，对结果的正、负也同样依照规则 来解释其意义。 10