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

第1节　热力学第一定律 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。 [对应学生用书P55] 一、焦耳的实验 1．绝热过程：系统与外界之间没有热量交换，只是通过外界做功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，系统内能的变化相同。 结论：热力学绝热过程中，系统内能的增加量等于外界对系统所做的功。 表达式：ΔU＝W (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：只要产生的电热相等，系统升高的温度相等，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 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热量与外界对系统所做的功之和。 2．表达式：ΔU＝Q＋W。 三、第一类永动机不可能制成 1．第一类永动机：不需要任何动力和燃料，能持续不断地对外做功的机器。 2．第一类永动机不可制成的原因：违背了热力学第一定律。 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。(　　×　　) 【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。 备课札记 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 [对应学生用书P56] 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。 [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。 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 【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(　　) 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 C　解析：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。 [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　解析：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 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？ 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．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 注意：(1)外界对系统做功时气体被压缩； (2)系统对外界做功时气体膨胀。 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。 【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。 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 解析：(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。 [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 解析：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 [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 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。 【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。 答案：(1)内能不变，吸热　(2)4p0≤p≤16p0 解析：(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。 [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 解析：(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。 [对应学生用书P59] 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 B　解析：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。 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 B　解析：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。 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 B　解析：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。 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 BD　解析：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) 解析：(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)。 [课时梯级训练(12)见P166] 学科网（北京）股份有限公司 $$