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

3.2 热力学第一定律 教师： 日期： 月 日 物理雾里悟理 做功和传热这两种方法是等价的。也就是说，一定数量的功与确定数量的热相对应。 焦耳的实验 ΔU=W 单纯地对系统做功做功： 单纯地对系统传热： △U＝Q 当外界既对系统做功又对系统传热时，内能的变化量就应该是： △U＝Q+ W 因此，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。 新课导入 物理雾里悟理 1、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. 2. 表达式： ΔU＝ Q + W W —— 外界对物体做的功 —— W＞0，表示外界对系统做功； W＜0，表示系统对外界做功； Q —— 物体吸收的热量 —— Q＞0，表示系统吸热； Q＜0，表示系统放热； ΔU —— 物体内能的增加量 —— ΔU＞0，表示系统内能增加； ΔU＜0，表示系统内能减少。 3. 物理意义：热力学第一定律反映了功、热量跟系统内能改变之间的定量关系. 一、热力学第一定律 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 气体被压缩 气体膨胀 物理雾里悟理 几种特殊情况： (1)若过程是绝热的，即Q＝0，则ΔU＝W，系统内能的增加量等于外界对物体做的功。 (2)若过程中不做功（单纯传热），即W＝0，则ΔU＝Q，系统内能的增加量等于物体从外界吸收的热量。 (3)若过程的始末状态系统的内能不变，即ΔU＝0，则W＝－Q (或Q＝－W )，外界对系统做的功等于系统放出的热量(或系统吸收的热量等于系统对外界做的功)。 (4)对于理想气体，温度变化，内能一定变化，等温过程ΔU＝0。 【特别提醒】 (1)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。 (2)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。 (3)外界对理想气体做功或理想气体对外界做功时，若恒压膨胀，即压强不变时，功的计算公式为W=P∆V（P为理想气体的压强、∆V为理想气体体积的变化量）。 一、热力学第一定律 物理雾里悟理 你能行！！ 1、一定量的气体，从外界吸收热量2.7×105J,内能增加4.3×105J.在这一过程中，是气体对外做功，还是外界对气体做功？做了多少功？ Q=+2.7×105J ΔU=+4.3×105J ﹀ ΔU＝W + Q 得： W=1.6×105J ＞0 即外界对气体做功 物理雾里悟理 二、理想气体做功的计算 P V Va Vb 气体等压变化对外界做功 P -V 图下方(与坐标轴所围的面积)的“面积” 表示做功多少。 W=PΔV 非等压变化 推动活塞缓慢移动， 外力F =pS 活塞发生很小位移Δx， ΔW=FΔx =pSΔx =pΔV p S Δx V p O V2 V1 物理雾里悟理 2、用隔板将一绝热汽缸分成两部分，隔板左侧充有理想气体，隔板右侧与绝热活塞之间是真空.现将隔板抽开，气体会自发扩散至整个汽缸.待气体达到稳定后，缓慢推压活塞，将气体压回到原来的体积.假设整个系统不漏气.下列说法正确的是 （ ） A.气体自发扩散前后内能相同 B.气体在被压缩的过程中内能增大 C.在自发扩散过程中，气体对外界做功 D.气体在被压缩的过程中，外界对气体做功 E.气体在被压缩的过程中，气体分子的平均动能不变 ABD 你能行！！ ★★★气体的自由膨胀不做功。 物理雾里悟理 3、如图3.2-1，一台四冲程内燃机，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2x 103 N的恒力使活塞移动相同距离所做的功(图3.2-2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25 J。 (1)求上述压缩过程中气体内能的变化量。 (2)燃烧后的高压气体对活塞做功，气体推动活塞移动0.1 m,其做的功相当于9x103N的恒力使活塞移动相同距离所做的功(图3.2-2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。 你能行！！ 解：(1)压缩过程活塞对气体做的功W1= F1l1= 2x103x0.1 J= 200 J 气体内能的变化量ΔU1=W1+Q1=200J-25J=175J (2)气体膨胀过程中气体对外界所做的功W2=F2l2=-9x103 x0.1J=-900J 气体内能的变化量ΔU2= W2+ Q2=- 900J- 30J=- 930J 汽缸内气体在压缩过程中内能增加了175 J,在膨胀做功过程中气体内能减少了930 J。 物理雾里悟理 气体实验定律和热力学第一定律的综合应用 热力学第一定律与理想气体状态方程结合问题的分析思路： (1)利用体积的变化分析做功情况．气体体积增大，气体对外界做功；气体体积减小，外界对气体做功． (2)利用温度的变化分析理想气体内能的变化．一定质量的理想气体的内能仅与温度有关，温度升高，内能增加；温度降低，内能减小． (3)利用热力学第一定律判断是吸热还是放热． 由热力学第一定律ΔU＝W＋Q，则Q＝ΔU－W，若已知气体的做功情况和内能的变化情况，即可判断气体状态变化是吸热过程还是放热过程 物理雾里悟理 4、某汽车的四冲程内燃机利用奥托循环进行工作，该循环可视为由两个绝热过程和两个等容过程组成如图所示为一定质量的理想气体所经历的奥托循环，则该气体（ ） A.在 a→b 的过程中，外界对其做的功全部用于增加内能 B.在状态 a 和 c 时气体分子的平均动能可能相等 C.在 b→c 的过程中，气体温度不变 D.在一次循环过程中气体吸收的热量小于放出的热量 a→b 过程为绝热压缩过程，外界对其做正功，根据热力学第一定律，外界对其做的功全部用于增加内能，故 A 正确；由 A 的分析可知，状态 b 的温度比 a 的温度高，由状态 b 到 c 的过程是等容过程，压强增大，温度升高，所以 c 状态的温度大于 a 状态的温度，故气体分子的平均动能不可能相等，故 BC 错误；在 b→c 的过程中，气体吸收热量，从 c→d 是绝热过程，气体对外做功，从 d→a 是等容过程，温度降低，气体放热，在一次循环过程中，气体内能变化为零，而图像中 abcd 的面积为气体对外做功，所以气体吸收的热量大于放出的热量，故 D 错误。 解析： A 你能行！！ 物理雾里悟理 5、气闸舱是载人航天器中供航天员进入太空或由太空返回用的气密性装置，其原理图如图所示。座舱A与气闸舱B之间装有阀门K，座舱A中充满空气，气闸舱B内为真空。航天员从太空返回气闸舱时，打开阀门K，A中的气体进入B中，最终达到平衡。假设此过程中系统与外界没有热交换，舱内气体可视为理想气体，下列说法正确的是（　 ） A.气体并没有对外做功，气体内能不变 B.气体温度不变，体积增大，压强减小 C.气体体积膨胀，对外做功，内能减小 D.气体体积变大，气体分子单位时间对气缸壁单位面积碰撞的次数将变少 ABD 气体自由扩散，没有对外做功，又因为整个系统与外界没有热交换，根据热力学第一定律可知内能不变，故A正确；因为内能不变，故温度不变，平均动能不变，因为B闸舱 内为真空，对于座舱 A中充满的空气，根据玻意耳定律可知，扩散后压强减小，体积增大，所以气体的密集程度减小，根据气体压强的微观意义可知，气体分子单位时间对气缸壁单位面积碰撞的次数将变少，故C、D正确。 解析： 你能行！！ 物理雾里悟理 对于"热是什么"，历史上有两种不同的观点。一种是热的物质说（热质说），另一种是热的运动说（热动说）。 热动说：培根、玻意耳、笛卡儿、胡克、牛顿、伯努利、罗蒙诺索夫等人根据摩擦生热等现象，认为热是粒子运动的表现，物体由于粒子的剧烈运动而发热。但在他们的时代，这种观点缺乏足够的实验证据。 热质说认为，热是一种流质，名为热质，可以渗入一切物体，不生不灭，没有质量。一个物体是冷还是热，取决于其中所含热质的多少。热质说可以解释当时观察到的大部分热学现象：物体温度的变化是因为吸收、放出了热质，传热是热质的流动与传播，热膨胀是由于热质粒子之间的排斥，等等。但是，热质说无法解释伦福德的炮筒镗孔实验。 伦福德进行了反复的观察和实验，终于在1798 年公布了他的研究成果。他明确指出：在这些实验中被激发出来的热，除了把它看作“运动”之外，似乎很难看作其他任何东西。 到了19 世纪40 年代，英国物理学家焦耳以定量的实验为热动说的胜利画上了句号。 与伦福德同时代的英国化学家戴维，也通过实验否定了热质说。 科学漫步 物理雾里悟理 课堂总结 1、热力学第一定律： ΔU = W + Q 2、应用 ΔU =0，则 W =- Q W=0，则ΔU = Q Q =0，则ΔU = W 3、方法总结：应用热力学第一定律解题的一般步骤 (1)首先应明确研究对象是哪个物体或者是哪个热力学系统。 (2)分别列出物体或系统吸收或放出的热量；外界对物体或系统所做的功或物体或系统对外所做的功。 (3)根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W 列出方程进行求解。 (4)特别应注意的就是物理量的正负号及其物理意义。 物理雾里悟理 Lavf58.29.100 $$双手摩擦手会发热，水加热会沸腾。热是人类生活中一种常见的现象。然而热究竟是什么？自古代以来就有两种不同的说法。第一种认为热是一种物质，即热之说，认为热量是渗透到物体空隙中一种无重量的流体，热量的多少决定了热量的多少。古希腊时期的德莫克里特和伊璧鸠鲁以及古罗马的卢克莱修的著作中出现了热是物质的这种说法，即热把空气一起带来，没有热也就没有空气，空气和热混合在一起。17世纪又得到哲学家伽桑狄的支持，他认为构成万物的要素是不可分割的原子，热和冷都是热原子和冷原子引起的。而化学家布莱克则把热设想为一种没有重量的流体，像水一样的实体，可以自由地从物体流进流出，称为热速即热质。布尔哈夫则认为热是钻进物体内部的高度可塑性粒子没有重量而彼此相互排斥。热质说能简单的解释当时的大部分热现象，例如两个不同温度的物体混合后达到一个共同的温度，这一现象被解释为热质的交换和平均，介质中的热传导被解释为热质的流动。物体受热膨胀是热质粒子间的相互排斥、摩擦或碰撞的热现象是由于前热被挤压出来以及物质的比热变小的结果等等。热智对上述现象的直观解释是，大多数人相信热质说是正确的。在热质说的指导下，热学研究取得了很大的成功。化学家布莱克、拉瓦锡、拉普拉斯创立的量热学就是建立在热质学的基础上。法国卡诺以热质说证明了卡诺定理。他认为热机在两个热源之间工作，是因为热质从高温热源流到了低温热源时，所做的功与温度差成正比。就如同水从高处落向低热量在物体中的传播给出了热传导的经验定律，建立了热传导方程，Q表示在时间T内在S面上传递的热量，DT比DX表示单位厚度上温度的变化，K是由导热物质所决定的导热系数。瓦特对蒸汽机的改进正是受到了这一观点的影响。但是18世纪末，热质说受到了挑战，美国物理学家本杰明汤姆逊是第一个对热质说产生怀疑的人。1798年，汤姆逊在研制大炮的过程中，发现了用刀切削黄铜或在炮身上钻孔时会产生大量的热，以至于将铜都融化了。他开始怀疑黄铜中怎么还有那么多热纸，他还用很顿的钻头钻炮筒。半小时后，炮筒从60华氏度升温到130华氏度，金属碎屑只有五十多克，只相当于炮筒质量的948分之1。这部分碎屑怎么能够放出这么大的前热？于是汤姆逊推测，热可能不是一种物质，而是一种运动。英国化学家汉弗莱戴维对汤姆逊关于热的观点极为赞同。1799年，戴维用两块冰块相互摩擦，冰融化了。他认为冰中不可能还有这么多的热质。冰之所以融化，是因为热运动摩擦的机械运动变成了热运动，热质不存在。然而，汤姆逊和戴维的实验并未能结束热质说的历史。直到19世纪40至50年代能量守恒及转换定律发现之后，特别是分子运动理论的建立，人们才彻底抛弃了热。