3.2 热力学第一定律 课件-2025-2026学年高二下学期物理人教版选择性必修第三册

第三章 热力学定律 第2节 热力学第一定律 情境与思考 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。 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？ 情境与思考 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。 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； 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： ΔU＝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： ΔU＝Q+W 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。 热力学第一定律 2. 物理意义：热力学第一定律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。 3. 表达式： ΔU＝W + Q 4. 推广：上式也适用于系统对外做功、向外界散热和内能减少的情况。 物理量 符号 意义 符号 意义 W ＋ 外界对系统做功(气体被压缩) － 系统对外界做功(气体膨胀) Q ＋ 物体吸收热量 － 物体放出热量 ΔU ＋ 内能增加 － 内能减少 热力学第一定律 3. 表达式： ΔU＝W + Q 4. 推广：上式也适用于系统对外做功、向外界散热和内能减少的情况。 例1. 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的功是135J，同时向外放热85J，气体内能的变化量是多少？内能是增加了还是减少了？ 解析：膨胀过程中气体对外界做功 系统对外做功：W = -135J 系统向外放热：Q = -85J 根据热力学第一定律：ΔU = W + Q 代入得：ΔU = -135 +(-85) = -220J 内能减少了220J 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. 物理意义：热力学第一定律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。 5 热力学第一定律 3. 表达式： ΔU＝W + Q 5. 判断是否做功的方法： 压缩气体 外界对气体做功(W＞ 0) 气体不自由膨胀 气体对外界做功(W ＜ 0) 气体自由膨胀 气体对外界不做功(W = 0) 6. 几种特殊情况： ①若过程是绝热的，即Q＝0，则ΔU＝W； ②若过程中不做功(单纯传热)，即W＝0，则ΔU＝Q； ③若过程的初末状态系统内能不变，即ΔU＝0，则W＝－Q(或Q＝－W)； ④一定质量的理想气体，温度不变，内能不变，则等温过程ΔU＝0。 4. 推广：上式也适用于物体对外做功、向外界散热和内能减少的情况。 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. 物理意义：热力学第一定律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。 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若过程是绝热的，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），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，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)。 【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。 6 用热力学第一定律解释生活现象 热力学第一定律应用 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0.1m，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。 分析：①确定研究对象：汽缸中的气体。 （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 = 200J 系统向外放热： 气体内能的变化量： ③正确选取W与Q的正负。 ②明确气体状态变化过程。 解析： Q = -25J ΔU1 = W1＋Q1= 200J -25 J = 175J 热力学第一定律应用 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0.1m，这段过程活塞对气体的压力逐渐增大，其做的功相当于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2×103N的境温度，该过程中压缩气体传递给汽缸的热量为25J。 （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， 求此过程气体内能的变化量。 （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 = -900J 系统向外放热： 气体内能的变化量： 解析： Q = -30J ΔU2 = W2＋Q2 = -900J - 30J = -930J p -V图像与坐标轴所围的“面积” 表示做功多少。 气体等压变化 气体非等压变化 Va Vb p V 推动活塞缓慢移动， 活塞发生很小位移Δx时， 可认为外力F = pS不变， ΔW = FΔx = pSΔx = pΔV， 把每一小份做功累积起来， 得到总功。 ★计算气体做功： p S Δx 10 热力学第一定律应用 例3. 【25年1月浙江选考】如图所示，导热良好带有吸管的瓶子，通过瓶塞密闭T1=300K，体积V1=1×103cm3处于状态1的理想气体，管内水面与瓶内水面高度差h=10cm。将瓶子放进T2=303K的恒温水中，瓶塞无摩擦地缓慢上升恰好停在瓶口，h保持不变，气体达到状态2，此时锁定瓶塞，再缓慢地从吸管中吸走部分水后，管内和瓶内水面等高，气体达到状态3。已知从状态2到状态3，气体对外做功1.02J；从状态1到状态3，气体吸收热量4.56J，大气压强p0=1.0×105Pa，水的密度ρ=1.0×103kg/m3；忽略表面张力和水蒸气对压强的影响。 (1)从状态2到状态3，气体分子平均速率 (“增大”、“不变”、“减小”)，单位时间撞击单位面积瓶壁的分子数 (“增大”、“不变”、“减小”)； (2)求气体在状态3的体积V3； (3)求从状态1到状态3气体内能的改变量ΔU。 不变 减小 1.0201×103cm3 2.53J 探索热的本质 同学们，下课！ Lavf58.29.100 Packed by Bilibili XCoder v2.0.2 $