3.1 热力学第一定律（课件PPT）-【优化指导】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册（教科版2019）

热力学定律 第1节　热力学第一定律 第三章 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 物理观念 科学思维 科学态度与责任 1.了解焦耳的两个代表性实验。 2．知道热力学第一定律。 1.会应用热力学第一定律分析解释生活中的物理现象。 2．会应用热力学第一定律进行定量计算。 　　通过有关史实，了解热力学第一定律，体会科学探索中的挫折和失败对科学发现的意义。 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 一、焦耳的实验 1．绝热过程：系统与外界之间没有____交换，只是通过外界____的方式与外界交换能量的过程。 2．代表性实验 (1)过程：重物下落带动叶片搅拌容器中的水，引起水温上升。 现象：只要重力做功相等，水温升高相等，________的变化相同。 结论：热力学绝热过程中，系统____________等于外界对系统________。 表达式：ΔU＝W 必备知识 自主学习 热量 做功 系统内能 内能的增加量 所做的功 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 (2)过程：重物下落带动发电机发电，通过电流的热效应使容器中的水温升高。 现象：只要产生的____相等，系统升高的____相等，系统内能的变化相同。 结论：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。 (3)表达式：ΔU＝Q 必备知识 自主学习 电热 温度 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 二、热力学第一定律 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____与外界对系统所做的__之和。 2．表达式：ΔU＝______。 三、第一类永动机不可能制成 1．第一类永动机：不需要任何动力和____，能持续不断地________的机器。 2．第一类永动机不可制成的原因：违背了__________定律。 必备知识 自主学习 热量 功 Q＋W 燃料 对外做功 热力学第一 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 ⁠ 英国物理学家焦耳通过实验，发现做功和热传递都能改变系统的内能，请思考：(对的画“√”，错的画“×”) (1)外界对系统做功，系统的内能一定增加。(　　　　) (2)系统内能增加，一定是系统从外界吸收了热量。(　　　　) (3)系统内能减少，一定是系统对外界做了功。(　　　　) 必备知识 自主学习 × × × 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 【知识拓展】 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。 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。 必备知识 自主学习 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 ⁠ 关键能力 互动探究 　　 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 ⁠ 关键能力 互动探究 [问题设计] 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？ 提示：压缩气体，内能增大，给气体加热内能也是增大。两者叠加所以就更明显。 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 ⁠ 关键能力 互动探究 1．焦耳实验的意义 做功与传热在改变系统内能方面是等价的。 2．改变内能的两种方式 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 ⁠ 关键能力 互动探究 【例1】 如图所示是焦耳研究热与功之间关系的两个典型实验，那么从焦耳的这两个实验中可得出的结论是(　　) C 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 ⁠ 关键能力 互动探究 A．系统状态的改变只能通过传热来实现 B．机械能守恒 C．在各种不同的绝热过程中，系统状态的改变与做功方式无关，仅与做功数量有关 D．在各种不同的绝热过程中，系统状态的改变不仅与做功方式有关，还与做功数量有关 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 ⁠ 关键能力 互动探究 [练1] 礼花喷射器原理如图。通过扭动气阀可释放压缩气罐内气体产生冲击，将纸管里填充的礼花彩条喷向高处，营造气氛。在喷出礼花彩条的过程中，罐内气体(　　) A．温度保持不变 B．内能减少 C．分子热运动加剧 D．通过热传递方式改变自身的内能 B 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 ⁠ 关键能力 互动探究 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．若在此高空，关闭加热装置后： 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 ⁠ 关键能力 互动探究 [问题设计] (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？ 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 ⁠ 关键能力 互动探究 1．热力学第一定律中各物理量的正、负号及含义 物理量 符号 意义 符号 意义 W ＋ 外界对系统做功 － 系统对外界做功 Q ＋ 物体吸热 － 物体放热 ΔU ＋ 内能增加 － 内能减少 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 ⁠ 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 ⁠ 关键能力 互动探究 2．判断气体是否做功的方法 一般情况下看气体的体积是否变化。 (1)若气体体积增大，表明气体对外界做功，W<0。 (2)若气体体积减小，表明外界对气体做功，W>0。 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 ⁠ 关键能力 互动探究 【例2】 一定量的气体从外界吸收了2.6×105 J的热量，内能增加了4.2×105 J。 (1)是气体对外界做了功，还是外界对气体做了功？做了多少焦耳的功？ (2)如果气体吸收的热量仍为2.6×105 J不变，但是内能只增加了1.6×105 J，计算结果W＝－1.0×105 J，是负值，怎样解释这个结果？ (3)在热力学第一定律ΔU＝W＋Q中，W、Q和ΔU为正值、负值各代表什么物理意义。 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 ⁠ 关键能力 互动探究 答案：(1)外界对气体做了1.6×105 J的功 (2)说明气体对外界做功 (3)在公式ΔU＝W＋Q中，ΔU>0，物体内能增加；ΔU<0，物体内能减少；Q>0，物体吸热；Q<0，物体放热；W>0，外界对物体做功；W<0，物体对外界做功 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 ⁠ 关键能力 互动探究 [练2] 空调机中的压缩机在一次压缩过程中，对被压缩的气体做了1.0×103 J的功，同时气体的内能增加了0.6×103 J。该过程中，气体是吸热还是放热？吸收或放出的热量是多少？ 答案：放热　放出的热量为0.4×103 J 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 ⁠ 关键能力 互动探究 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 ⁠ 关键能力 互动探究 [问题设计] (1)快速推动活塞对汽缸内气体做功10 J，气体内能改变了多少？ (2)若保持气体体积不变，汽缸向外界传递10 J的热量，气体内能改变了多少？ (3)若推动活塞对汽缸内气体做功10 J的同时，汽缸向外界传递10 J的热量，气体的内能改变了多少？ 提示：(1)内能增加了10 J　(2)减少了10 J　(3)没改变 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 ⁠ 关键能力 互动探究 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)根据方程ΔU＝W＋Q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。 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 ⁠ 关键能力 互动探究 【例3】 如图所示为某款汽车的悬挂气压减震装置示意图，其内部结构主要由活塞、活塞杆与导热良好的圆柱形汽缸组成，汽缸内密闭气柱的长度可以在30 mm～120 mm范围内变化。已知汽缸内密闭空气柱的长度为l0＝60 mm时，压强为8p0(p0为大气压强)。若不考虑气体温度的变化，整个装置密封完好，不计活塞与汽缸之间的摩擦，密闭气体可视为理想气体，求： (1)汽缸内气体膨胀时，内能如何变化？是吸热还是放热？ (2)汽缸内气体压强的最大变化范围。 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 ⁠ 关键能力 互动探究 [练3] 如图所示，上端封闭、下端开口的玻璃管竖直放置，管长55 cm，其中有一段长为6 cm的水银柱，将长为20 cm的空气柱A封闭在管的上部，空气柱B和大气连通。现用一小活塞将管口封住，并将活塞缓慢往上压，当水银柱上升4 cm时停止上压。已知外界大气压恒为76 cmHg，上压过程气体温度保持不变，A、B均为理想气体，求： (1)气体A、B末状态的压强； (2)试分析此过程中B气体是吸热还是放热？ 答案：(1)87.5 cmHg　93.5 cmHg　(2)放热 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 ⁠ 1．关于系统的内能及其变化，下列说法正确的是(　　) A．系统的温度改变时，其内能必定改变 B．系统对外做功，其内能不一定改变；向系统传递热量，其内能不一定改变 C．对系统做功，系统内能必定改变；系统向外传出一定热量，其内能必定改变 D．若系统与外界不发生热交换，则系统的内能必定不改变 素养训练 学业评价 B 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 ⁠ 2．下列现象中，通过传热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 素养训练 学业评价 B 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 ⁠ 3．如图所示的实验装置中，把浸有乙醚的一小块棉花放在厚玻璃筒内底部，当很快向下压活塞时，由于被压缩的气体骤然变热，温度升高达到乙醚的燃点，使浸有乙醚的棉花燃烧起来，此实验的目的是要说明对物体(　　) A．做功可以增加物体的热量 B．做功可以改变物体的内能 C．做功一定会升高物体的温度 D．做功一定可以使物态发生变化 素养训练 学业评价 B 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 ⁠ 4．(多选)一定质量的理想气体被质量为m的绝热活塞封闭在竖直放置的绝热汽缸中，活塞的面积为S，与汽缸底部相距L，温度为T0。现接通电热丝给气体缓慢加热，活塞缓慢向上移动距离L后停止加热，整个过程中，气体吸收的热量为Q，大气压强为p0，重力加速度为g。则(　　) A．初始时，气体压强p1＝p0 B．停止加热时，气体的温度T＝2T0 C．该过程中，气体内能增加量ΔU＝Q－mgL D．该过程中，气体内能增加量ΔU＝Q－mgL－p0SL 素养训练 学业评价 BD 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 ⁠ 素养训练 学业评价 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 ⁠ 素养训练 学业评价 问题交流 A级 B级 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 解析 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 谢谢观看 返回导航 物理 选择性必修 第三册 （J）　 探究点一___改变内能的方式 汽缸内有一定质量的气体，压缩气体的同时给汽缸加热。 焦耳通过多次实验，最后得到的结论是：在各种不同的绝热过程中，系统状态的改变与做功方式无关，仅与做功数量有关，C正确。 高压气体膨胀对外做功，气体内能转化为礼花的机械能，气体内能减少，温度降低，分子热运动减慢，A、C错误，B正确；气体对外做功，内能减少，这是通过做功的方式改变自身的内能，D错误。 探究点二___热力学第一定律 提示：(1)根据＝C可知，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＝W＋Q可知，Q<0，即氦气对外放热。 (1)根据ΔU＝W＋Q得W＝ΔU－Q，将Q＝2.6×105 J，ΔU＝4.2×105 J代入式中得：W＝1.6×105 J>0，说明外界对气体做了1.6×105 J的功。 (2)如果吸收的热量Q＝2.6×105 J，内能增加了1.6×105 J，即ΔU＝1.6×105 J，则W＝－1.0×105 J，说明气体对外界做功。 (3)在公式ΔU＝W＋Q中，ΔU>0，物体内能增加；ΔU<0，物体内能减少；Q>0，物体吸热；Q<0，物体放热；W>0，外界对物体做功；W<0，物体对外界做功。 对气体，此过程由热力学第一定律 ΔU＝Q＋W 所以 Q＝ΔU－W＝0.6×103－1.0×103＝－0.4×103 J 负号表示放热，所以此过程放出的热量为0.4×103 J。 探究点三___热力学第一定律的应用 答案：(1)内能不变，吸热　(2)4p0≤p≤16p0 (1)理想气体的内能由温度决定，因为气体温度不变，故气柱的内能不变，即ΔU＝0；当气体体积膨胀时，气体对外做功，即W<0，根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W 可知Q>0 即气体从外界吸热。 (2)汽缸内气体做等温变化，气柱长度最长时，压强取最小值p1，根据玻意耳定律可得 8p0l0S＝p1l1S 解得p1＝4p0 气柱长度最短时，压强取最大值p2，根据玻意耳定律可得8p0l0S＝p2l2S 解得p2＝16p0 则汽缸内气体压强p的变化范围为 4p0≤p≤16p0。 (1)气体A的初态的压强为pA： pA＋p柱＝p0 末态时气柱的长度为lA′ lA′＝lA－Δl 气体A发生等温变化 pA lAS＝pA′lA′S 解得pA′＝87.5 cmHg 气体B的末态压强为pB′，解得 pB′＝pA′＋p柱＝93.5 cmHg。 (2)气体B的初态：压强为p0，气体柱的长度为 lB＝L－lA－l柱＝29 cm 气体B发生等温变化 pB lBS＝pB′lB′S 解得lB′＝23.6 cm lB′＜lB，气体B的变化是等温压缩 等温变化，内能不变ΔU＝0，压缩体积减小，外界对气体做功W＞0 由热力学第一定律ΔU＝W＋Q可知Q＜0时，气体B要放热。 系统的温度改变时，其内能不一定改变，A错误；根据热力学第一定律可知，系统对外做功，其内能不一定改变；向系统传递热量或系统向外传出一定热量，其内能不一定改变，B正确，C错误；若系统与外界不发生热交换，如果存在系统与外界做功，则系统的内能发生变化，D错误。 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传热方式进行的，B正确；用磨刀石磨刀时，刀片温度升高，是通过摩擦力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。 当用力压活塞时，活塞压缩玻璃筒内的空气，对空气做功，空气的内能增加，温度升高，当达到乙醚着火点时，筒内棉花就会燃烧起来，此实验说明了外界对物体做功，物体的内能增加，B正确。 对处于平衡状态的活塞进行受力分析，受到大气压力、重力和气体向上压力，则有mg＋p0S－p1S＝0，解得p1＝＋p0，A错误；活塞缓慢上升过程中气体压强不变，根据盖­吕萨克定律有＝，解得T＝2T0，B正确；气体对外做功W＝p1SL＝mgL＋p0SL，根据热力学第一定律可得ΔU＝Q－mgL－p0SL，D正确，C错误。 5．(2024·湖北卷)如图所示，在竖直放置、开口向上的圆柱形容器内用质量为m的活塞密封一部分理想气体，活塞横截面积为S，能无摩擦地滑动。初始时容器内气体的温度为T0，气柱的高度为h。当容器内气体从外界吸收一定热量后，活塞缓慢上升h再次平衡。已知容器内气体内能变化量ΔU与温度变化量ΔT的关系式为ΔU＝CΔT，C为已知常量，大气压强恒为p0，重力加速度大小为g，所有温度为热力学温度。求： (1)再次平衡时容器内气体的温度； (2)此过程中容器内气体吸收的热量。 答案：(1)T0　(2)(CT0＋mgh＋p0Sh) (1)设容器内气体初、末状态体积分别为V0、V，末状态温度为T，由盖－吕萨克定律得 ＝ 其中V0＝Sh，V＝S(h＋) 联立解得T＝T0。 (2)设此过程中容器内气体吸收的热量为Q，外界对气体做的功为W，由热力学第一定律得ΔU＝Q ＋W 其中ΔU＝C(T－T0) W＝－(mg ＋p0S)h 联立解得Q＝(CT0＋mgh＋p0Sh)。 $$