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

第三章 热力学定律 第2节 热力学第一定律 02 主题二、外界对气体W外 01 主题一、热力学第一定律 目录 CONTENTS 03 主题三、热力学第一定律的应用 第2节 热力学第一定律 04 主题四、第一类永动机 新课引入：要让物体的内能增加20J，有什么方法？ 对物体做20J功 对物体传20J热 → 做功与热传递等效 对物体传10J热，再对物体做10J功 …… 如何计算物体的内能变化∆U ？ ∆U= W+Q 热力学第一定律 一定的功与确定数量的热量相对应 第一部分 热力学第一定律 1.内容： 气体膨胀W为___. 注意： 正 气体放热Q为___. 负 ①压缩气体W为___， 正 负 一、热力学第一定律 注意 : 做功与热传递在改变系统内能方面是等效的。 2.公式： W+Q 一系统内能增量ΔU等于外界对它所做功W与外界向它传递热量Q之和。 ΔU＝ ②气体吸热Q为___， W外+Q吸 ΔU＝ 【典例1】一定量的气体，在膨胀过程中做了135J的功，同时向外放热85J，则气体的内能变化量是多少？ 解:ΔU＝W外 + Q吸 ＝ -135 + (-85) ＝ -220J 内能减少了220J 【典例2】一定量的气体，在膨胀过程中做了W的功，同时向外放热Q，则气体内能变化量是多少？ 解:ΔU＝W外 + Q吸 ＝ -W + (-Q) ＝ -(W+Q) 内能减少了(W+Q) 典例分析： 【典例3】给旱区送水的消防车停在水平地面上，在缓慢放水的过程中，若车胎不漏气，胎内气体温度不变，不计分子势能，则胎内气体( ) A.从外界吸热 B.对外界放热 C.对外界做负功 D.内能增加 A 典例分析： 【典例4】如图所示，某同学将空的薄金属筒开口向下压入水中．设水温均匀且恒定，筒内空气无泄漏，不计气体分子间相互作用，则被淹没的金属筒在缓慢下降过程中，筒内空气体积减小(　　) A．从外界吸热 B．内能增大 C．向外界放热 D．内能减小 C 典例分析： 【典例5】如图所示，一定质量的理想气体从状态A经等压过程缓慢到状态B.此过程中，气体压强P＝1.5×105 Pa，吸收的热量Q＝7.0×102J , 求此过程中气体内能的增量 B A 解: A到B，等压过程 W外=-F外L PS =-PΔV W外=-P(VB-VA) VA TA = VB TB 得：ΔU＝4.0×102 J ΔU＝W外 + Q吸 得:VB＝8x10-3m3 典例分析： mg P0S =-PSL W外= -3x102 J 第二部分 外界对气体W外 二、外界对气体W外 2.若系统V不变， 1.若系统V增大，则W外 3.W外= F外Δh。 =PΔV =PSΔh W气 PS mg P0S ②P-V图与横轴的面积表示W气的绝对值 P V Va Vb <0 . 则W外= 0． 若V减小， 则W外＞0. ①若活塞匀速:Ｗ外=W气 【典例6】如图所示，一个质量为20 kg的绝热汽缸竖直放置，绝热活塞的质量为5 kg，横截面积为0.1 m2，处于静止状态时被封闭气体的高度为50 cm。现在活塞上方加一15 kg的物体，待稳定后，被封闭气体的高度变为40cm。求在这一过程中气体的内能增加了多少？(p0＝1.01×105 Pa，g取10 m/s2) 解：ΔU＝W外 ＝(m塞g＋m物g+p0S)Δh ＝1 030 J m塞g P0S PS m物g ＝F外L 典例分析： =PS·L 【典例7】如图所示,一定质量的理想气体封闭在绝热容器中,在变力F的作用下缓慢由A到B,已知气体的P-V图像如图所示，求外界对气体做的功? PS 解:W外= =(mg+P0S+F)L =2×106J A B P0S L F外L F =PΔV 0 P/×105Pa V/m3 2 4 6 86 4 2 A B 典例分析： mg 第三部分 热力学第一定律的应用 三、热力学第一定律的应用(ΔU＝W外 + Q吸) Q＝0，不发生热传递。 1.绝热过程: ΔU只与做功有关 , 2.等温过程: ΔU＝0，气体内能不变， W外与Q吸等值异号, 3.等容过程: W＝0，气体不做功 , ΔU只与热传递有关 , 4.等压过程: 等压膨胀: 等压压缩: 注意：不管什么过程，都遵循热力学第一定律。 则ΔU＝W， 分绝热膨胀和绝热压缩. 分等温膨胀和等温压缩. 则W＝-Q， 则ΔU＝Q， 分升温升压和降温降压 T升高,U增加,对外做功,气体吸热 T降低,U减少,对内做功,气体放热。 4.物体温度升高内能一定增大( ) 5.气体温度升高内能一定增大( ) 【典例8】判断下列说法的正误 1.物体吸收热量温度一定升高( ) 2.气体吸收热量温度一定升高( ) 3.理想气体吸收热量温度一定升高( ) 7.气体等温压缩内能一定增加( ) 8.气体等温膨胀对外做功内能可能减小( ) 6.理想气体温度升高内能一定增大( ) 典例分析： 【例9】如图，一台四冲程内燃机，活塞在压缩冲程某段时间内移动的距离为0.1 m，这段过程活塞对气体的压力逐渐增大，其做的功相当于2×103N的恒力使活塞移动相同距离所做的功（图甲）。内燃机工作时汽缸温度高于环境温度，该过程中压缩气体传递给汽缸的热量为25J。(1)求上述压缩过程中气体内能的变化量。 W1= F1L1= 解:(1)压缩 系统放热： ΔU1= W1＋Q1 = 175 J 典例分析：教材例题 2×10²×0.1 J =200 J Q1=-25J 【例9】(2) 燃烧后的高压气体对活塞做功，气体推动活塞移动0.1m，其做的功相当于9×103N的恒力使活塞移动相同距离所做的功（图乙），该做功过程气体传递给汽缸的热量为30J，求此做功过程气体内能的变化量。 W2= F2L2 (2)膨胀: 系统放热： ΔU2= W2＋Q2 = -930 J 典例分析：教材例题 =-9×10²×0.1 J =-900 J Q2=-30J 能不能发明一种不烧任何燃料的机器，却能持续对外做功？ 第四部分 永动机 达芬奇设计 经典设计方案 四、永动机 1.第一类永动机: 不消耗任何燃料能持续转动的机器 磁动力设计方案 这些设想全部失败，永动机的失败促使人们思考原因 四、永动机 1.第一类永动机: 不消耗任何燃料能持续转动的机器 一位德国的青年医生罗伯特·迈尔（1814—1878）开始钻研这个问题。当时，迈尔在一艘远洋轮船上担任船医。他发现，当船在热带航行时，从病人静脉中抽出来的血液，要比在欧洲时更红一些。这是为什么呢？迈尔想，大约是热带气温高，人体消耗的热量少，于是血液从人体中吸收的养料也比较少；养料在血液中氧化减少，所以静脉中含氧比较多，于是颜色就红一些。迈尔从中得到启发，懂得养料中的化学能，可以转化为热能。他认为，有多少化学能，就只能转化为多少热能，转化时能量不会增多，也不会减少。 1814年，年仅27岁的迈尔大胆地写了一篇论文《关于非生物界各种力的意见》，明确地提出能量“无不生有，有不变无”，认为各种形式的能量可以互相转化，但是转化前后的总能量是守恒的。 四、永动机 迈尔把论文寄给了当时的学术界享有盛誉的德国《物理学和化学年鉴》杂志。这家杂志的主编波根道夫对这位“无名小卒”的来稿理也不理，不仅不发表，连原稿都没有退还给他。 迈尔并不灰心，坚信真理在他手中。迈尔又写了几篇论文，更加明确地论述了能量守恒的原理。这些论文寄出去以后，仍如石沉大海，毫无回音。迈尔没办法，他把自己仅有的一点积蓄拿出来，在一家杂志上自费发表了论文。 谁知论文的发表，给迈尔招来了灾难。当时那些科学界的权威们满脑子是“热素”、“燃素”之类神秘的“素”，把迈尔的理论视为“邪说异端”。于是，有人造谣说迈尔患了精神病，才写出那样胡说八道的文章，竟然把迈尔关进了疯人院！ 四、永动机 无独有偶。在英国，一位名叫焦耳的青年酿酒商人，利用业余时间，对电流通过电阻时产生的发热现象，进行了认真的研究。1840年，年仅22岁的焦耳发表了论文《论伏打电所产生的热》，提出了他经过多次实验发现的一条定律：当电流通过导体时，导体在一定时间内产生的热量同导体的电阻和电流强度平方的乘积成正比。在这里，焦耳不仅指出了电能会转化为热能，而且以精确的数学公式表明了转换规律。 过了3年，焦耳又发表了论文《论磁电的热量效应和热的机械值》，清楚地指出：“那里消耗了机械力，总能得到相当的热。”焦耳以自己精确的实验为依据，说明“使一磅水增加1°F的热量等于把770磅物体提高1英尺的机械功。” 四、永动机 焦耳的论文同样被当时的科学界权威们嗤之以鼻，不予理睬。然而，焦耳是个勇往直前的年青人，他坚持做了大量的实验，以精确的数据有力地说明各种能量在转化时确实是守恒的。这些精确的实验，是无法抹煞的！经过整整10年的奋战，焦耳接二连三地发表了一系列论文，这才逐渐引起了各国科学界的重视。 与此同时，许多不同国籍的科学家各自独立地进行着这方面的研究:丹麦28岁的科学家柯尔丁（1815—1888），通过对摩擦生热现象的研究，写成了关于能量守恒定律的论文，送给哥本哈根科学院。 1847年，德国年仅26岁的军医赫尔曼·赫尔姆霍茨（1821—1894）写了论文《论力的守恒》，阐述能量守恒的思想。他的论文寄到《物理学和化学年鉴》杂志，同样被主编波根道夫所压制，没有发表。后来，赫尔姆霍茨自费印刷了这篇论文。 四、永动机 (1)说明各种形式的能可以___________。 能量既不会凭空_____，也不会凭空_____，它只能从一种形式_______为另一种形式，或者从一个物体_______到别的物体，在转化和转移的过程中，能量的总量____________。 (2)各种物理现象可以用______________联系在一起。 2.能量守恒定律: 产生 消失 转化 转移 保持不变 相互转化 能量守恒定律 (3)宣告第一类永动机不可能制成。 ①意义: ②重要性: 四、永动机 (1)是一个普遍适用的定律 比机械能守恒定律应用更广 (1)是一个普遍适用的定律 ②重要性: 比机械能守恒定律应用更广 (2)将各种现象联系在一起 力学、热学、电学、光学、化学、生物学 (3)指导着人们的生产、科研 泡利和费米利用能量守恒预言了中微子的存在; (4)19世纪自然科学三大发现之一(恩格斯) 另外两大学说：细胞学说；生物进化论 宣告了第一类永动机造不成 四、能量守恒定律 【例10】(多选)下列说法正确的是（ ） A.系统从外界吸收热量5 J，内能可能增加5 J。 B.用太阳灶烧水是太阳能转化为内能。 C.能量既可以转移又可以转化，故能量的总量是可以变化的。 D.违背能量守恒定律的过程是不可能发生的。 ABD 典例分析：教材例题 课堂小结 热力学第一定律 非4 人 外界对气体的W外 非4 人 永动机 热力学第一定律的应用 内容：一个热力学系统的内能变化量（增量）等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的和. ΔU＝Q+ W外 W外= F外Δh。 =PΔV =PSΔh W气 P V Va Vb 1.绝热过程: 2.等温过程: 3.等容过程: 4.等压过程: 定义：不消耗任何燃料能持续转动的机器。 能量守恒定律否定了永动机的可能性。 【练习1】(2023·全国甲卷)(多选)在一汽缸中用活塞封闭着一定量的理想气体，发生下列缓慢变化过程，气体一定与外界有热量交换的过程是 (　 　) A.气体的体积不变，温度升高 B.气体的体积减小，温度降低 C.气体的体积减小，温度升高 D.气体的体积增大，温度不变 E.气体的体积增大，温度降低 ABD 课堂练习 【练习2】如图所示，用气压式开瓶器开红酒瓶，通过针头向瓶内打几次气，然后便能轻松拔出瓶塞，则 (　　) A.打气后瓶塞拔出前，气体压强减小 B.打气后瓶塞拔出前，气体分子的数密度增大 C.快速拔出瓶塞的过程中，气体吸热，内能增大 D.快速拔出瓶塞的过程中，气体放热，内能减小 B 课堂练习 注意：快速拔出瓶塞，可认为该过程没有发生热传递 【练习3】判断下列说法正确的是（ ） A.运动的物体在阻力作用下会停下来，说明机械能凭空消失了。 B.功和能可以相互转化。 C.第一类永动机不能制成，是因为它违背了能量的转化和守恒定律。 D.某个物体的能量减少，必然有其他物体的能量增加。 CD 课堂练习 【练习4】“第一类永动机”是不可能制成的，这是因为它 (　　) A.不符合能量守恒定律 B.做功产生的热量太少 C.由于有摩擦、热损失等因素的存在 D.找不到合适的材料和合理的设计方案 A 课堂练习 【练习5】(多选)空调市场上有很多变频空调，据专家介绍，变频空调比定频的要节能，因为定频空调开机时就等同于汽车启动时，耗能是正常运行的5~7倍。定频空调在工作时达到设定温度就停机，等温度高了再继续启动，这样的频繁启动，耗电多。而变频空调启动时有一个由低到高的过程，运行过程是通过自动变速来保持室内温度，从开机到关机中间不停机，而是达到设定温度后就降到最小功率运行，所以比较省电。阅读上述介绍后，以下说法合理的是 (　　) A.变频空调节能，运行中不遵守能量守恒定律 B.变频空调运行中做功少，转化能量多 C.变频空调在同样工作条件下运行效率高，省电 D.变频空调与定频空调做同样功时，消耗同样电能 课堂练习 CD 【练习6】某同学取一装有少量水的塑料矿泉水瓶，旋紧瓶盖，双手快速拧搓挤压水瓶。然后迅速拧松瓶盖，瓶盖被顶飞的同时瓶内出现白雾，则 (　　) A.挤压水瓶过程中，瓶内气体分子的平均动能减小 B.挤压水瓶过程中，瓶内气体内能不变 C.瓶盖被顶飞过程中，瓶内气体对外做功 D.瓶盖被顶飞过程中，瓶内气体温度升高 C 课堂练习 【练习7】如图所示，在紫铜管内滴入乙醚；盖紧管塞，用手拉住绳子两端迅速往复拉动，管塞会被冲开。管塞被冲开前 (　　) A.外界对管内气体做功，气体的内能减少 B.气体吸热使内能增加 C.管内气体的内能不变，压强变大 D.管内气体的内能增加，压强变大 D 课堂练习 【练习8】骑自行车既是安全、绿色的出行方式之一，又是比较不错的有氧运动。山地自行车安装了气压式减震装置来抵抗颠簸，从而受到不少人的喜爱，其原理如图所示。如果路面不平，随着骑行时自行车的颠簸，活塞上下振动，下列说法正确的是 (　　) A.活塞迅速下压时，汽缸内的气体对外界做负功 B.活塞迅速下压时，汽缸内的气体温度可能减小 C.活塞迅速下压时，汽缸内的气体的压强变小 D.活塞迅速下压时，汽缸内的气体的内能减小 课堂练习 A 【练习9】空气弹簧安装在列车车厢底部，可以起到有效减震、提升列车运行平稳性的作用。空气弹簧主要由活塞、汽缸及密封在汽缸内的一定质量气体构成。列车上下乘客及剧烈颠簸均会引起车厢震动。上下乘客时汽缸内气体的体积变化较慢，气体与外界有充分的热交换；剧烈颠簸时汽缸内气体的体积变化较快，气体与外界来不及热交换。若外界 温度恒定，汽缸内气体视为理想气体则 (　　) A.乘客上车造成气体压缩的过程中，空气弹簧内气体对外界放热 B.乘客上车造成气体压缩的过程中，空气弹簧内气体对外界做正功 C.剧烈颠簸造成气体压缩的过程中，空气弹簧内气体对外界放热 D.剧烈颠簸造成气体压缩的过程中，空气弹簧内气体分子的平均动能减小 课堂练习 A 【练习9】(2023·新课标卷)(多选)如图，一封闭着理想气体的绝热汽缸置于水平地面上，用轻弹簧连接的两绝热活塞将汽缸分为f、g、h三部分，活塞与汽缸壁间没有摩擦。初始时弹簧处于原长，三部分中气体的温度、体积、压强均相等。现通过电阻丝对f中的气体缓慢加热，停止加热并达到稳定后 (　　) A.h中的气体内能增加 B.f与g中的气体温度相等 C.f与h中的气体温度相等 D.f与h中的气体压强相等 AD 课堂练习 【练习9】解析：当电阻丝对f中的气体缓慢加热时，f中的气体内能增大，温度升高，根据理想气体状态方程可知f中的气体压强增大，会缓慢推动左边活塞，则弹簧被压缩，与此同时弹簧对右边活塞有弹力作用，缓慢向右推动右边活塞，故活塞对h中的气体做正功，因为是绝热过程，由热力学第一定律可知，h中的气体内能增加，A正确；未加热前，三部分中气体的温度、体积、压强均相等，当系统稳定时，活塞受力平衡，可知弹簧处于压缩状态，对左边活塞分析pfS=F弹+pgS，则pf>pg，分别对f、g内的气体分析，根据理想气体状态方程有==，由题意可知，因弹簧被压缩，则Vf>Vg，联立可得Tf>Tg，B错误；在达到稳定过程中，h中的气体体积变小，压强变大，f中的气体体积变大，由于稳定时弹簧保持平衡状态，故稳定时f、h中的气体压强相等，根据理想气体状态方程，对h中的气体分析可知=，联立可得Tf>Th，C错误，D正确。 课堂练习 【练习10】如图所示，一定质量理想气体被活塞封闭在汽缸中，活塞的面积为S，与汽缸底部相距L，汽缸和活塞绝热性能良好，气体的压强、温度与外界大气相同，分别为p0和T0。现接通电热丝加热气体，一段时间后断开，活塞缓慢向右移动距离L后停止，活塞与汽缸间的滑动摩擦力为f，最大静摩擦力等于滑动摩擦力，整个过程中气体吸收的热量为Q，求该过程中：(1)内能的增加量ΔU；(2)最终温度T。 课堂练习 解(1) ΔU＝Q吸+W外 W外= -(f+P0S)L PS P0S f ΔU＝Q-(f+P0S)L = (2)活塞发生移动前气体做等容变化， 向右移动L的过程气体做等压变化 且V2=2V1 得:T=T0 谢 谢 观 看 $$