3.1 热力学第一定律(2课时) 课件-2025-2026学年高二下学期物理教科版选择性必修第三册

该高中物理课件围绕热力学第一定律展开，通过空气压缩引火仪实验导入，从现象引出做功改变内能，结合焦耳桨叶搅拌、电流热效应实验建立功与热的关系，区分做功与热传递实质，形成从具体到抽象的学习支架。 其亮点在于以科学探究为核心，通过实验现象与焦耳实验培养科学思维，结合理想气体状态分析强化能量观念，如等压膨胀例题。采用问题链引导思考，总结综合解题思路，帮助学生深化物理观念，提升科学推理能力，为教师提供结构化资源，便于实施探究式教学。

第1节 热力学第一定律 第三章 热力学定律 问题：在空气压缩引火仪底部放置少量的硝化棉，迅速下压筒中的活塞，会有什么现象？你能解释这个现象吗？ 解释：当迅速压下活塞时，活塞压缩筒内空气做功，使筒内空气的内能增大，温度升高，达到硝化棉的燃点使其燃烧。 结论：做功可以改变物体的内能。 19世纪30年代，人们逐渐认识到，为了使系统的热力学状态发生变化，既可以向它传热，也可以对它做功。 从1840年开始，英国物理学家焦耳进行了多种多样的实验，以求精确测定外界对系统做功和传热对于系统状态的影响，以及功与热的相互关系。这项研究工作为热力学第一定律和能量守恒定律的建立奠定了坚实的实验基础。 焦耳 焦耳的代表性实验一：桨叶搅拌实验 用绝热性能良好的材料将装水的容器包好，容器中安装由叶片组成的搅拌器，重物下落时带动叶片搅拌器转动，引起水温上升。 系统与外界之间没有热量的交换，只是通过外界做功的方式与外界交换能量，这样的过程叫做绝热过程。 实验表明：只要重力所做的功相同，水温升高都是相等，即系统内能的变化是相同的。 焦耳的实验 在热力学系统的绝热过程中，系统内能的增加量ΔU等于外界对系统所做的功W，即ΔU＝W. 焦耳的代表性实验二：利用电流的热效应给水加热 焦耳的实验 下落的重物带动发电机转动发电，产生的电流通过浸没在水中的电阻丝，电流的热效应使容器中的水温升高。 实验表明：对同一个系统，只要产生的电热相等，系统升高的温度都相同，即系统的内能的变化是相同的。 在外界没有对系统做功的过程中，系统内能的增加量ΔU等于系统从外界吸收的热量Q，即ΔU＝Q. 做功和热传递都可以改变物体的内能，二者是等效的。那么，做功和热传递有什么区别？ 做功的实质是内能与其他形式的能之间的转化。 热传递的实质是不同物体（或同一物体不同部分）之间内能的转移。 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？ 改变内能的两种方式 做功W 热传递Q 1、内容：一个热力学系统的内能变化量ΔU 等于系统从外界吸收的热量Q与外界对系统所做的功W之和. 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. 3、表达式： ΔU ：系统内能的增加量 W： 外界对系统做的功 Q： 系统从外界吸收的热量 ΔU＝W + Q 热力学第一定律 【例1】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= 200 J 系统向外放热： Q1 =－25J 气体内能的变化量：ΔU1= W1＋Q1= 200 J －25 J = 175 J ③正确选取W与Q的正负。 ②明确气体状态变化过程。 分析： 解析： 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。 ①确定研究对象：汽缸中的气体。 ③正确选取W与Q的正负。 ②明确气体状态变化过程。 分析： 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= － 900 J 系统向外放热： Q2 = － 30J 气体内能的变化量：ΔU2= W2＋Q2= － 900 J － 30J = － 930 J 4、定律中各量的正、负号及含义 ΔU = W + Q 物理量 符号 意义 符号 意义 W ＋ － Q ＋ － ΔU ＋ － 外界对物体做功 物体对外界做功 物体吸收热量 物体放出热量 内能增加 内能减少 热力学第一定律 5、几种特殊情况 (1)若过程是绝热的，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)若过程中不做功，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)若过程的始末状态物体的内能不变，即ΔU＝0，则W＝－Q(或Q＝－W)，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)。 ΔU = W + Q 热力学第一定律 6、理想气体内能的判断 理想气体：在任何温度、任何压强下都遵从气体实验定律的气体。 1、忽略分子势能，只有分子动能 2、内能看温度，做功看体积 3、温度不变，内能不变 △U=0 温度升高，内能增加 △U>0 温度降低，内能减小 △U<0 4、气体体积不变→外界对气体不做功 W=0 气体体积减小→外界对气体做功 W＞0 气体体积增大→气体对外界做功 W＜0 ΔU＝W + Q 13 【例2】如图所示，密封在容器内的理想气体在保持压强p不变的情况下，体积从V1膨胀到V2，气体向外推动活塞。请问气体的内能变化情况？从外界吸热还是放热？ 首先，理想气体的内能只与温度有关，与体积无关。气体发生等压变化，由盖-吕萨克定律： 可得，气体体积增大，温度升高，内能变大。又由热力学第一定律： 可得，气体体积增大，对外界做功，W小于0；内能变大，ΔU大于0；所以Q必须大于0，气体从外界吸收热量，一部分用来增加内能，另一部分转化为对外所做的功。 + + － 【例3】如图所示，某同学将空的玻璃瓶开口向下缓缓压入水中。设水温均匀且恒定，瓶内空气无泄漏，不计空气分子间的相互作用，则被淹没的玻璃瓶在下降的过程中，气体是吸热还是放热，为什么？ 解：在玻璃瓶下降的过程中，瓶内气体的压强随着水深度变大而变大，气体温度不变，体积减少。由玻意耳定律： 可得，气体内能不变，ΔU等于0。压强变大，体积减少，外界对气体做功，W大于0，由热力学第一定律： 可得，Q小于0，气体对外界放出热量，且放出热量Q与外界做功W相等。 + － 0 1.（大书P65）如图所示，密封的矿泉水瓶中，距瓶口越近水的温度越高。一开口向下、导热良好的小瓶置于矿泉水瓶中，小瓶中封闭一段空气。挤压矿泉水瓶，小瓶下沉到底部；松开后，小瓶缓慢上浮。上浮过程中，小瓶内气体 (　 ) A.内能减少 B.对外界做正功 C.增加的内能大于吸收的热量 D.增加的内能等于吸收的热量 √ 解析:小瓶内的空气可视为理想气体，在小瓶缓慢上浮的过程中，瓶内空气的温度随水温升高，内能增加，故A错误；同时，瓶内空气的压强减小，由理想气体的状态方程=C，可知体积增大，气体对外界做正功，故B正确；根据热力学第一定律ΔU=W+Q，由于ΔU>0，W<0，则Q>0，可见气体吸收的热量大于增加的内能，故C、D错误。 2．(2025·四川高考)如图1所示，用活塞将一定质量的理想气体密封在导热气缸内，活塞稳定在a处。将气缸置于恒温冷水中，如图2所示，活塞自发从a处缓慢下降并停在b处，然后保持气缸不动，用外力将活塞缓慢提升回a处。不计活塞与气缸壁之间的摩擦。则(　 ) A．活塞从a到b的过程中，气缸内气体压强升高 B．活塞从a到b的过程中，气缸内气体内能不变 C．活塞从b到a的过程中，气缸内气体压强升高 D．活塞从b到a的过程中，气缸内气体内能不变 √ 3.(大书P67)如图，一绝热气缸中理想气体被轻弹簧连接的绝热活塞分成a、b两部分，活塞与缸壁间密封良好且没有摩擦。初始时活塞静止，缓慢倒置气缸后 (　 ) A.a的压强减小 B.b的温度降低 C.b的所有分子速率均减小 D.弹簧的弹力一定增大 √ 4.(2017·全国卷Ⅱ)如图，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 √ √ √ 5.如图所示，一个内壁光滑的圆柱形汽缸，高度为L、底面积为S，缸内有一个质量为m的活塞，封闭了一定质量的理想气体。温度为热力学温标T0时，用绳子系住汽缸底，将汽缸倒过来悬挂起来，汽缸处于竖直状态，缸内气体高为L0。已知重力加速度为g，大气压强为p0，不计活塞厚度及活塞与缸体的摩擦，求： (1)采用缓慢升温的方法使活塞与汽缸脱离，缸内气体的温度至少要升高到多少？ (2)从开始升温到活塞刚要脱离汽缸，缸内气体压力对活塞做功多少？ (3)当活塞刚要脱离汽缸时，缸内气体的内能增加量为ΔU，则气体在活塞下移的过程中吸收的热量为多少？ 解析：(1)气体等压变化：＝ ，解得：T＝ (2)对活塞，由平衡条件得：mg＋pS＝p0S 气体做功：W＝Fl＝pSl＝pS(LL0) 解得：W＝(p0S mg)(L L0) (3)由热力学第一定律得：ΔU＝ ＋Q， 气体吸收的热量：Q＝ΔU＋(p0S mg)(L L0) 20 热力学第一定律 表述：一个热力学系统的内能变化量ΔU 等于系统从外界吸收的热量Q与外界对系统所做的功W之和. 数学表达式：ΔU= Q +W 定律中各量的正、负号及含义 W=0，则ΔU = Q Q =0，则ΔU = W ΔU =0，则 W = Q 热力学第一定律与气体实验定律的综合问题 求解热力学第一定律与气体实验定律的综合问题的思路 [典例]　(2024·湖北高考)如图所示，在竖直放置、开口向上的圆柱形容器内用质量为m的活塞密封一部分理想气体，活塞横截面积为S，能无摩擦地滑动。初始时容器内气体的温度为T0，气柱的高度为h。当容器内气体从外界吸收一定热量后，活塞缓慢上升h再次平衡。已知容器内气体内能变化量ΔU与温度变化量ΔT的关系式为ΔU=CΔT，C为已知常数，大气压强恒为p0，重力加速度大小为g，所有温度为热力学温度。求: (1)再次平衡时容器内气体的温度。 (2)此过程中容器内气体吸收的热量。 (1)再次平衡时容器内气体的温度。 [解析] 由题意可知，气体进行等压变化，则由盖-吕萨克定律得 即 解得T1T0 (2)此过程中容器内气体吸收的热量。 [解析]此过程中气体内能增加ΔU=CΔT=CT0 气体对外界做的功W=pSΔh=h(p0S+mg) 根据热力学第一定律可知，此过程中容器内气体吸收的热量Q=ΔU+W=h(p0S+mg)+CT0 1.(2024·北京高考)一个气泡从恒温水槽的底部缓慢上浮，将气泡内的气体视为理想气体，且气体分子个数不变，外界大气压不变。在上浮过程中气泡内气体 (　 ) A.内能变大 B.压强变大 C.体积不变 D.从水中吸热 √ 2. (小书P224)如图，一封闭着理想气体的绝热气缸置于水平地面上，用轻弹簧连接的两绝热活塞将气缸分为f、g、h三部分，活塞与气缸壁间没有摩擦。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 √ √ ， Vf >Vg， ，联立可得Tf >Tg ， ， ，联立可得Tf >Th 热力学第一定律与气体状态变化图像的综合问题 3、如图所示，一定质量的理想气体由a状态变化到b状态，下列说法正确的有(　　) A．外界对气体做功 B．气体对外界做功 C．气体向外界放热 D．气体从外界吸热 [由图可看出从a到b气体体积增大温度升高，内能增大，气体对外界做功，气体从外界吸收热量，故B、D正确．] √ √ 4、带有活塞的汽缸内封闭一定量的理想气体，气体开始处于状态a，然后经过过程ab到达状态b或经过过程ac到达状态c，b、c状态温度相同，如图所示，设气体在状态b和状态c的压强分别为和，在过程ab和ac中吸收的热量分别为和，则（　　） A．， B．， C．， D．， √ 5、如图所示，一定质量的理想气体分别经历a→b和a→c两个过程，其中a→b为等温过程，状态b、c的体积相同，则（　　） A．状态a的内能大于状态b B．状态a的温度高于状态c C．a→c过程中气体吸收热量 D．a→c过程中外界对气体做正功 √ 6、(2024山东)一定质量理想气体经历如图所示的循环过程，a→b过程是等压过程，b→c过程中气体与外界无热量交换，c→a过程是等温过程。下列说法正确的是（　　） A．a→b过程，气体从外界吸收的热量全部用于对外做功 B．b→c过程，气体对外做功，内能增加 C．a→b→c过程，气体从外界吸收的热量全部用于对外做功 D．a→b过程，气体从外界吸收的热量等于c→a过程放出的热量 √ C 32 理想气体做功分析与计算 (1)体积增大，气体对外界做功；体积减小，外界对气体做功。 (2)等压变化利用W=pΔV计算。 (3) p-V图像中图线与V轴所围面积表示做功绝对值大小。 P V 0 EV录屏3.9.5软件录制 Lavf56.38.102 本视频由湖南一唯信息科技开发的EV录屏软件录制，www.ieway.cn $