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

2.热力学第一定律 第三章 热力学定律 人教版选择性必修第三册 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？ 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。 学习目标 物理观念 建立热力学第一定律的核心概念，理解其表达式。 科学思维 明确内能、热量、做功的定量关系，能从能量守恒角度分析热力学过程，深化“宏观—微观”关联认知。 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；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。 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 1. 热力学第一定律 2. 热力学第一定律的应用 3. 课堂总结 4. 练习与应用 学习内容 第2节 热力学第一定律 一、热力学第一定律 第2节 热力学第一定律 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。 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： △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） 如果物体在跟外界同时发生做功和热传递的过程中，内能的变化ΔU与热量Q及做的功W之间又有什么关系呢？ 一、热力学第一定律 1.热力学第一定律：一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的热量与对它所做的功的和。 2.表达式： ΔU＝ Q + W 热传递的热量 做功 内能的改变量 3.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. ΔU=U2-U1 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的功是135 J，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？请你通过这个例子总结功和热量取正、负值的物理意义。 解： 气体对外界做功 系统对外做功：W=-135J 系统向外放热：Q=-85J ΔU = W + Q 代入得： ΔU =-135+（-85）= -220J 内能变化了220J，减少 思考与讨论： 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 定律中各量的正、负号及含义 4、判断是否做功的方法 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． 一、热力学第一定律 5.几种特殊情况 (1)绝热过程：物体不吸（放）热，即Q＝0，则ΔU＝W，物体内能的增加量等于外界对物体做的功。 (2)等容过程：物体不做功，即W＝0，则ΔU＝Q，物体内能的增加量等于物体从外界吸收的热量。 (3)等温过程：物体的内能不变，即ΔU＝0，则W＝－Q，外界对物体做的功等于物体放出的热量(或物体吸收的热量等于物体对外界做的功)。 【特别提醒】 (1)对于理想气体，温度变化，内能一定变化，等温过程ΔU＝0。 (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。 一、热力学第一定律 例1. 被压瘪但尚未破裂的乒乓球放在热水里泡一会儿，就会重新鼓起来，这一过程乒乓球内的气体( ) A. 吸热，对外做功，内能不变 B. 吸热，对外做功，内能增加 C. 温度升高，对外做功，内能不变 D. 压强增大，单位体积内分子数增大 B 二、热力学第一定律的应用 第2节 热力学第一定律 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)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 二、热力学第一定律的应用 小试牛刀：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× 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 9 × 103N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。 二、热力学第一定律的应用 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。 （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 解析： 二、热力学第一定律的应用 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。 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。 解析： （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 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 计算对气体做功 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 二、热力学第一定律的应用 例2.20mol氧气由状态1变化到状态2所经历的过程如图所示 (1)沿1→3→2折线； (2)沿1→2直线.试分别求出这两个过程中外界对气体做功.氧气视为理想气体. 10 20 30 40 50 V/L p/×105Pa 5 10 20 0 15 1 3 2 解 (1)1→3，不做功 3→2，做功为 W32=20×105×40×10-3J =8×104J 总功W132= 8×104J (2) 由面积求： W1→2 =(5+20)×105×40×10-3J/2 =5×104J 三、课堂总结 第2节 热力学第一定律 三、课堂总结 热力学第一定律 热力学第一定律 表述：一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的和 数学表达式：ΔU= Q +W 热力学第一定律的应用 ΔU =0，则 W =- Q W=0，则ΔU = Q Q =0，则ΔU = W 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 W=PΔV P V Va Vb 四、练习与应用 第2节 热力学第一定律 四、练习与应用 1.夏天，从湖底形成的气泡在缓慢上升到湖面的过程中没有破裂，如图所示.若越接近水面，湖内水的温度越高，大气压强没有变化，将气泡内气体看作理想气体.则气泡上升过程中，下列说法正确的是( ) A.气泡内气体不对外界做功 B.气泡内每个气体分子的动能都变大 C.气泡内气体从外界吸收热量 D.气泡内气体的压强可能不变 C 四、练习与应用 2.（多选）如图是“筒式二冲程柴油锤”的工作简图。压缩冲程：气缸锤座压在水泥桩顶上，柱塞从一定高度释放落入气缸内，压缩气缸内的空气，并点燃气缸内的柴油。做功冲程：柴油被点燃，通过高压气体将水泥桩压入泥土，同时柱塞被反推到气缸外。柱塞和气缸密封良好，则（　　） A．在压缩冲程，气缸内气体发生等温变化 B．在压缩冲程，柱塞对气缸内气体做正功 C．在做功冲程，气缸内气体压强保持不变 D．在做功冲程，气缸内气体对柱塞做正功 BD 四、练习与应用 3.如图所示，内壁光滑的绝热汽缸竖直固定在水平面上，用质量为m的绝热活塞把缸内空间分成两部分.两部分中封闭有相同质量和温度的同种理想气体，活塞用销钉K固定，已知P部分的气体体积小于Q部分的气体体积，活塞能上、下自由移动.现拔掉销钉，活塞移动一小段距离后再将其固定.下列说法正确的是( ) A.两部分气体内能之和增大 B.两部分气体内能之和不变 C.两部分气体温度都升高 D.两部分气体温度都降低 A 四、练习与应用 4．如图所示，一定质量的理想气体在状态A时压强为1.5 × 105Pa，经历A→B→C→A的过程，已知B→C过程中气体做功数值是C→A过程中气体做功数值的3倍，下列说法中正确的是（    ） A．C→A的过程中外界对气体做功300J B．B→C的过程中气体对外界做功600J C．整个过程中气体从外界吸收600J的热量 D．整个过程中气体从外界吸收450J的热量 AC $