2. 热力学第一定律（培优教学课件）物理人教版选择性必修第三册

第三章 热力学定律 选择性必修三•人教版 2.热力学第一定律 冷热变化是最早引起人们关注的自然现象之一。春夏秋冬，温暑凉寒，何时何处不与冷热相关？人类不但掌握了精确的测温控温方法，还可以人工产生高热和深冷，在高热和深冷的“世界”里不断发现新的科学奇迹。可以说，现代科技的每一项成功——不论是试管婴儿的诞生，还是探索原子世界的奥秘；不论是杂交水稻的培育，还是驾驶“神舟”遨游太空，都离不开“冷热”的学问。 导入新课 汽缸内有一定质量的气体，压缩气体的同时给汽缸加热。那么，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？ 物理观念 理解热力学系统的概念。 科学思维 能以系统为研究对象，用综合分析的方法推导出热力学第一定律。 科学探究 能运用热力学第一定律解释和计算能量的转化、转移问题。 科学态度 与责任 联系生活中热力学第一定律的应用，体会理论指导实践的思想；关注热学原理在新能源、节能减排中的应用，增强社会责任感 学习目标 重点难点 重点 1.热力学第一定律的内容、表达式∆U = Q + W 及其物理意义 2.运用热力学第一定律分析实际热力学过程问题 难点 准确理解∆U、 Q 、 W 的符号法则及物理含义 一、热力学第一定律 2.热力学第一定律 一、热力学第一定律 一方面表明，以不同的方式对系统做功时，只要系统始末两个状态是确定的，做功的数量就是确定的； 单纯地对系统做功： ΔU=W 一、热力学第一定律 另一方面也向我们表明，为了改变系统的状态，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。 单纯地对系统传热：△U＝Q 一、热力学第一定律 改变内能的两种方式 做功 热传递 对内 对外 吸热 放热 内能增加 内能增加 内能减少 内能减少 （外界对物体做功） （物体对外界做功） （物体从外界吸热） （物体对外界放热） 一、热力学第一定律 1.内容：一个热力学系统的内能变化量等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的和。 2.公式： 3.物理意义：不仅反映了做功与传热在改变系统内能方面是等效的，而且给出了功、热量跟系统内能改变之间的定量关系。 ΔU=W+Q ΔU ：物体内能的变化量 W： 外界对物体做的功 Q： 物体吸收的热量 ΔU=U2-U1 一、热力学第一定律 4.定律中各量的正、负号及含义 物理量 符号 意义 符号 意义 W + - Q + - ΔU + - 外界对物体做功 物体吸收热量 内能增加 物体对外界做功 物体放出热量 内能减少 ΔU= Q +W 一、热力学第一定律 一定质量的气体，膨胀过程中是外界对气体做功还是气体对外界做功？如果膨胀时气体对外做功是135J，同时向外放热85J，气体内能变化量是多少？内能是增加了还是减少了？请你通过这个例子总结功和热量取正、负值的物理意义。 一、热力学第一定律 5、气体状态变化的几种特殊情况 (1)绝热过程：Q＝0，则ΔU＝W，系统内能的增加(或减少)量等于外界对系统(或系统对外界)做的功. (2)等容过程：W＝0，则ΔU＝Q，系统内能的增加量(或减少量)等于系统从外界吸收(或系统向外界放出)的热量. (3)等温过程：一定质量理想气体的内能不变，即ΔU＝0，则W＝－Q(或Q＝－W)，外界对系统做的功等于系统向外界放出的热量(或系统从外界吸收的热量等于系统对外界做的功). 一、热力学第一定律 一般情况下外界对系统做功与否，需要看物体的体积是否变化。 1.若系统体积增大，表明系统对外界做功，W ＜ 0； 2.若系统体积减小，表明外界对系统做功，Ｗ ＞ 0． P V Va Vb 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 一、热力学第一定律 例1 (1)一定质量的气体，从外界吸收3.5×105 J的热量，同时气体对外界做功2.5×105 J，则气体的内能是增加还是减少？改变量是多少？ (2)一定质量的气体，外界对其做功1.6×105 J，内能增加了4.2×105 J，此过程中气体是吸热还是放热？吸收或放出的热量是多少？ 一、热力学第一定律 解析(1)由题意知，Q=3.5×105 J，W=-2.5×105 J， 则根据热力学第一定律有ΔU=Q+W=1.0×105 J ΔU为正值，说明气体的内能增加， 增加量为1.0×105 J。 (2)由题意知，ΔU=4.2×105 J，W=1.6×105 J， 则根据热力学第一定律有Q=ΔU-W=2.6×105 J Q为正值，说明此过程中气体从外界吸热，吸收的热量为2.6×105 J。 二、热力学第一定律的应用 2.热力学第一定律 二、热力学第一定律的应用 例2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。 ⑴求上述压缩过程中气体内能的变化量。 ⑵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。 二、热力学第一定律的应用 解析（1）压缩过程活塞（外界）对气体（系统）做功，W是正值： W1= F1l1= 2×10²×0.1 J = 200 J 系统向外放热：Q=-25J 气体内能的变化量：ΔU1= W1＋Q1= 200 J -25 J = 175 J （2）气体膨胀过程中气体（系统）对外界所做功，W是负值： W2= F2L2=-9×10²×0.1 J =-900 J 系统向外放热：Q=-30J 气体内能的变化量：ΔU2= W2＋Q2=-900 J - 30J =-930 J 二、热力学第一定律的应用 1.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ΔU=W+Q列方程求出未知量； (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。 二、热力学第一定律的应用 例3(多选)航天服是保障航天员的生命活动和正常工作的个人密闭装备，可防护空间的真空、高低温、太阳辐射和微流星等环境因素对人体的危害。航天员穿着航天服，从地面到达太空时内部气体将急剧膨胀，若航天服内气体的温度不变，视为理想气体并将航天服视为封闭系统。则关于航天服内的气体，下列说法正确的是 A.体积增大，内能减小 B.压强减小，内能不变 C.对外界做功，吸收热量 D.压强减小，分子平均动能增大 二、热力学第一定律的应用 【解析】由于航天服内气体视为理想气体，温度决定内能，温度不变，内能不变，温度是分子热运动平均动能的标志，故分子平均动能也不变。由于航天服内气体体积增大，气体对外界做功，温度不变，由热力学第一定律ΔU=Q+W，可知由于W<0，ΔU=0，则Q>0，所以航天服内气体将吸收热量，又由等温变化有p1V1=p2V2可知体积变大，则压强减小。综上所述，B、C正确，A、D错误。 二、热力学第一定律的应用 【总结提升】等压变化过程，功用公式W=pΔV计算 等压变化过程中，气体压强不变，气体对活塞的压力F=pS，为恒力，由恒力做功的公式W=Fx可得W=pSx=pΔV，即气体做的功与气体的压强p和气体体积的变化量ΔV有关。 二、热力学第一定律的应用 2.判断气体内能的变化：由于理想气体分子间距离较大，忽略其分子势能，只考虑其分子动能，故温度升高，分子动能增大，内能增大；反之内能减小。 3.判断是否做功及做功正负的方法 一般情况下外界对气体做功与否，需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。 4.判断吸热还是放热 气体在变化过程是吸热还是放热要结合内能变化和气体做功情况，由热力学第一定律ΔU=W+Q综合判断。 三、课堂总结 2.热力学第一定律 热力学第一定律 ΔU= Q+ W 当系统内能增加时，ΔU > 0 外界对系统做功时，W > 0 系统从外界吸收热量，Q > 0 各值的正负 四、练习与应用 5.液体 2.热力学第一定律 四、练习与应用 1　(多选)一定质量的理想气体从状态a变化到状态b，其过程如p-T图像上从a到b的线段所示．在此过程中 (　　) A．气体一直对外做功 B．气体的内能一直增加 C．气体一直从外界吸热 D．气体吸收的热量等于其对外做的功 四、练习与应用 【答案】BC 四、练习与应用 2.如图所示，密闭导热汽缸被活塞分成左、右两室，起初左室气体压强小于右室，现让活塞缓慢移动直至两室气体压强相等，期间环境温度始终不变，则此过程中(　　) A．左室气体吸热，右室气体放热 B．左室气体放热，右室气体吸热 C．左、右室气体均吸热 D．左、右室气体均放热 四、练习与应用 【答案】B 【解析】对于左室气体压强变大，体积减小，W左>0，对于右室气体压强变小，体积增大，W右<0.环境温度始终不变，ΔU＝0，根据热力学第一定律可得ΔU＝W左＋Q左，ΔU＝W右＋Q右，可得Q左<0，Q右>0，即左室气体放热，右室气体吸热，B正确． 四、练习与应用 3.小明去西藏旅行时，发现从低海拔地区买的密封包装的零食，到了高海拔地区时出现了鼓包现象．假设食品袋里密封的有一定质量的理想气体，全过程温度保持不变．从低海拔地区到高海拔地区的过程，下列分析不正确的是(　　) A．袋内气体压强增加 B．大气压强减小 C．袋内气体吸收了热量 D．袋内气体分子的平均动能不变 四、练习与应用 【答案】A 【解析】温度不变，根据p1V1＝p2V2，体积增大，压强减小，A错误，符合题意；海拔高度升高，压强减小，B正确，不符合题意；温度不变，气体内能不变，体积增大，气体对外做功，根据热力学第一定律有ΔU＝W＋Q，可知袋内空气从外界吸收热量，C正确，不符合题意；温度不变，袋内气体分子的平均动能不变，D正确，不符合题意． 五、提升训练 2.热力学第一定律 五、提升训练 1.(多选)现在骑自行车成为一种流行的运动，而山地自行车更是受到大众的青睐．山地自行车前轮有气压式减震装置来抵抗颠簸，其原理如图所示．随着骑行时自行车的颠簸，活塞上下振动，在气缸内封闭的气体的作用下，起到延缓震动的目的．如果路面不平，下列关于该减震装置的说法正确的是 　 　 (　　) A．活塞迅速下压时气缸内的气体温度不变 B．活塞迅速下压时气缸内的气体压强增大 C．活塞下压后迅速反弹时气缸内有些气体分子 的速率增大 D．活塞下压后迅速反弹时气缸内气体内能增加 五、提升训练 【答案】BC 【解析】如果活塞迅速下压，活塞对气体做功，气体来不及散热，则由热力学第一定律可知，气体内能增加，温度升高，压强增大，A错误，B正确；活塞下压后迅速反弹时，气体对外做功，来不及吸热，气体内能减少，温度降低，气体分子平均速率减小，但不是每个气体分子的速率都减小，有些分子的速率可能增大，C正确，D错误． 五、提升训练 2.如图所示，长方体容器体积为V0＝3 L，右上方有一开口与外界相连，活塞将导热容器分成左、右两部分，外界温度为27 ℃时，左、右体积之比为1∶2．当外界温度缓慢上升时，活塞就会缓慢移动．设大气压强为p0＝1.0×105 Pa且保持不变，不计活塞与容器间的摩擦，T＝(t＋273)K，求： (1)活塞刚好移动到容器的正中央时，外界的温度； (2)活塞移动到容器正中央的过程中，若左侧容器 中气体的内能增加ΔU＝10 J，左边容器内气体吸收的 热量． 五、提升训练 五、提升训练 (2)活塞移动到容器正中央的过程中，左边容器中气体对外做功，则 由热力学第一定律ΔU＝Q＋W， 可得Q＝ΔU－W＝60 J． 五、提升训练 3.　爆米花酥脆可口、老少皆宜，是许多人喜爱的休闲零食．高压爆米花的原理为：玉米在铁质的密闭容器内被加热，封闭气体被加热成高温高压气体，当打开容器盖后，“嘭”的一声，气体迅速膨胀，压强急 剧减小，玉米粒就“爆炸”成了爆米花．设当地温度为t1＝27 ℃，大气压为p0．已知密闭容器打开盖前的气体压强达到4p0． 五、提升训练 (1)将封闭容器内的气体看成理想气体，求打开盖前容器内气体的温度； (2)假定在一次打开的过程中，容器内的气体膨胀对外界做功15 kJ，并向外释放了20 kJ的热量，则容器内原有气体的内能如何变化？变化了多少？ 五、提升训练 p1＝p0，T1＝300 K，p2＝4p0， 解得T2＝1 200 K，t2＝927 ℃． (2)由热力学第一定律ΔU＝Q＋W， 得ΔU＝－20 kJ－15 kJ＝－35 kJ． 故内能减少35 kJ． $