3.1 热力学第一定律 课件-2024-2025学年高二下学期物理粤教版（2019）选择性必修第三册

3.1 热力学第一定律 第三章　热力学定律 1.理解分子势能与分子间距离的变化关系曲线 2.知道什么是内能，知道物体的内能跟温度和体积有关 3.知道做功与内能改变的数量关系，知道热传递的热量与内能变化的关系 4.知道做功和热传递是改变内能的两种方式，且对改变系统内能是等效的 5.掌握热力学第一定律及其表达式 学习目标 一、物体的内能 物理学中，我们把物体内所有分子做热运动的动能和分子势能的总和叫做物体的内能。 内能 = 分子动能 + 分子势能 ①物质的量 ②温度 ③体积 总分子数 热运动的平均动能 分子间距（势能） 思考：内能的决定因素有哪些？ 二、改变物体能能的两种方式内能 两手摩擦发热 机械能 内能 转化 生活中做功改变物体内能的例子： 做功 钻木取火 锯木材锯子发热 1.做功 气体做功使内能改变的实验： 机械能 内能 转化 做功 机械能 内能 转化 做功 内能增加 内能减少 做功改变物体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. 绝热过程：不与外界发生热交换的过程. 在绝热过程中，外界对物体做多少功，就有多少其他形式的能转化为内能，物体的内能就增加多少； 在绝热过程中，物体对外界做多少功，就有多少内能转化为其他形式的能，物体的内能就减少多少. 做功并不是改变内能的唯一方式 2.热传递 淬火的过程内能如何改变： 1.铁的温度降低，内能减少。 2.水的温度升高，内能增加。 3. 如果是单纯由热传递引起内能变化时， 系统从外界吸收多少热量，系统的内能就增加多少； 系统向外界放出多少热量，系统的内能就减少多少. 热传递：高温物体总是自发把它的内能传递给低温物体。 热量：热传递过程中物体内能变化的量称为热量，它是一个过程量。 改变内能的两种方式的对比 改变内能的两种方式：做功、热传递 1.做功和热传递在改变内能上的区别： ①做功是其它形式的能与内能之间的转化，例如：摩擦生热、热机 ②热传递是不同物体之间内能的转移，例如：烧水、烤火、淬火 2.做功和热传递在改变系统的内能上效果相同 其它形式的能 内能 转化 内能 转移 内能 例1.如图所示，用F表示分子间的作用力，用Ep表示分子间的分子势能，在两个分子间的距离由10r0变为r0的过程中 (　　) A.F不断增大，Ep不断减小 B.F先增大后减小，Ep不断减小 C.Ep先增大后减小，F不断减小 D.Ep和F都先增大后减小 B 例题精析 解析：在两个分子间的距离由10r0变为r0的过程中，分子力先增大后减小为0，表现为引力，分子力做正功，分子势能一直在减小，故B正确. 例2.(多选)下列说法正确的是 (　　) A.一个物体的机械能可能为零、但内能不可能为零 B.质量相同、温度也相同的物体内能不一定相同 C.温度越高、运动速度越大的物体，其内能一定越大 D.对于一定量的理想气体来说，温度不变，体积变大，则压强变小，内能变小 解析：物体的机械能由动能和势能组成，动能和势能都可能为0，所以机械能也可能为0，内能由分子动能和分子势能组成，分子动能不可能为零，所以内能不可能为零，A正确；质量相同、温度也相同的物体，分子平均动能相同，但内能还与物质的量，物体状态等因素有关，B正确；温度越高、运动速度越大的物体，其内能不一定大，因为内能还与物体物质的量和体积有关，C错误；一定量的理想气体的内能只与温度有关，温度不变，内能不变，D错误. 答案：AB 例3.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.今对活塞施以一竖直向下的压力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，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 解析：由题目可知，压力F对绝热容器中的理想气体做正功，所以理想气体内能增大，温度T升高，体积V减小，再根据理想气体状态方程=c，可知压强p增大，故C正确. 答案：C 一个物体，如果它和外界不发生热传递，则外界对物体所做的功W等于物体内能的增加量∆U；如果外界对物体没有做功，则物体吸收的热量Q等于物体内能的增加量∆U；如果外界同时对物体做功和进行热传递，则物体内能的增加量∆U就等于物体吸收的热量Q和外界对物体做的功W之和。即 上式表示功、热量和内能改变量间的定量关系，在物理学中叫作热力学第一定律。 三、热力学第一定律及其应用 ∆U=Q+W Q —物体从外界吸收的热量 W — 外界对物体做的功 定律中各量的正、负号及含义 物理量 符号 意义 符号 意义 W ＋ 外界对物体做功 － 物体对外界做功 Q ＋ 物体吸收热量 － 物体放出热量 ΔU ＋ 内能增加 － 内能减少 ΔU = W + Q 如图所示，设密封在容器内的理想气体在保持压强p不变的情况下， 体积从V1膨胀到V2，气体向外推动活塞，外界对气体做负功，W<0， 由盖-吕萨克定律可知， 气体温度升高，内能增加， ∆U>0。 由热力学第一定律可知，Q=∆U-W>0。 即理想气体在等压膨胀过程中从外界吸热，气体吸收的热量一部分用来增加内能，另一部分转化为对外所做的功。 相反，如果在保持压强p不变的情况下，理想气体被压缩，体积从V₁压缩到V₂，外界对气体做正功，W>0， 由盖-吕萨克定律可知，<， 气体温度降低，内能减小，∆U<0。 由热力学第一定律可知，Q=∆U-W<0， 即气体对外界放热，放出的热量等于外界对气体所做的功与气体内能减小量之和。 例4.一定质量的理想气体，在某一状态变化过程中，气体对外界做功4 J，气体内能减少12 J，则在该过程中（ ） A．气体放热8 J　　　　　 B．气体吸热8 J C．气体吸热16 J D．气体放热16 J 解析：根据热力学第一定律可知ΔU＝Q＋W， 所以Q＝ΔU－W＝－12 J－(－4 J)＝－8 J，A正确。 A 例题5. (多选)一定质量的理想气体从状态A经过状态B变化到状态C，其V-­T图像如图所示。下列说法正确的是（ ） A．A→B的过程中，气体对外界做功 B．A→B的过程中，气体放出热量 C．B→C的过程中，气体压强不变 D．A→B→C的过程中，气体内能增加 解析：由题图可知，从A到B的过程中，气体的体积减小，则外界对气体做功，A错误；从A到B过程中，理想气体的温度不变，则内能不变，根据热力学第一定律可知，气体放出热量，B正确；从B到C的过程中，是一个常数，气体发生的是等压变化，气体的温度降低，内能减少，C正确，D错误。 答案：BC 1.下列现象中，哪些是通过热传递的方式改变物体内能的（ ） A．打开电灯开关，灯丝的温度升高，内能增加 B．夏天喝冰镇汽水来解暑 C．冬天搓搓手，会感觉到手变得暖和起来 D．太阳能热水器在阳光照射下，水的温度逐渐升高 BD 课堂检测 2．关于热传递，下列说法正确的是 ( ) A．热传递的实质是温度的传递 B．物体间存在温度差，才能发生热传递 C．热传递可以在任何情况下进行 D．物体内能发生改变，一定是吸收或放出了热量 B 3．(多选)下列关于热量的说法，正确的是 ( ) CD A．温度高的物体含有的热量多 B．内能多的物体含有的热量多 C．热量、功和内能的单位相同 D．热量和功都是过程量，而内能是一个状态量 4.下图为某种椅子与其升降部分的结构示意图，M、N两筒间密闭了一定质量的气体，M可沿N的内壁上下滑动，设筒内气体不与外界发生热交换，在M向下滑动的过程中(　　) A．外界对气体做功，气体内能增大 B．外界对气体做功，气体内能减小 C．气体对外界做功，气体内能增大 D．气体对外界做功，气体内能减小 A 5.如图，绝热容器中间用隔板隔开，左侧装有气体，右侧为真空．现将隔板抽掉，使左侧气体自由膨胀直至达到平衡，则在此过程中(不计气体的分子势能)(　　) A．气体对外界做功，温度降低，内能减少 B．气体对外界做功，温度不变，内能减少 C．气体不做功，温度不变，内能不变 D．气体不做功，温度不变，内能减少 C 6.一定质量的理想气体，从某一状态开始，经过一系列变化后又回一开始的状态，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 7.空气压缩机在一次压缩中，空气向外界传递的热量2.0 ×105J，同时空气的内能增加了1.5 ×105J. 这时，在压缩空气的过程中，外界对空气做了多少功？ 解：由热力学第一定律ΔU = Q + W 知： W= ΔU－Q = +1.5 ×105J -（- 2.0 ×105J） = +3.5 ×105J>0 所以此过程中外界对空气做了3.5 ×105J的功 . $$