熱力學定律-教學設計

第十四講熱力學定律【教學目的】（正文內容均采用宋體11號字，標題加粗）1、知道熱力學第零定律、第一定律、第二定律。2、熟練運動熱力學第一定律計算有關問題【學習目標】（學生填寫，老師不用考慮）1、這節(jié)課，我可以掌握的內容是：2、這節(jié)課，我有困難掌握的內容可能是：3、我可能有的疑問是：=1\*GB3①=2\*GB3②=3\*GB3③【課堂精講】（請老師填寫）熱力學第一定律：(1)學法精講熱力學第一定律是能量轉化和守恒定律在熱現(xiàn)象過程中，內能和其他形式的能相互轉化的數(shù)量關系。它的內容是：系統(tǒng)的內能增量等于系統(tǒng)從外界吸收的熱量和外界對系統(tǒng)做功的和。設系統(tǒng)的內能變化量為，系統(tǒng)對外界做功為W，系統(tǒng)吸收外界的熱量為Q，則有：Q=+W在使用這個定律時要注意三個量的符號處理：系統(tǒng)對外界做正功，W取正值，系統(tǒng)對外界做負功W取負值，如果系統(tǒng)的體積不變，則W=0；系統(tǒng)從外界吸熱，Q取正值，系統(tǒng)對外界放熱，Q取負值；系統(tǒng)的內能增加，取正值，系統(tǒng)的內能減小，取負值。熱力學第一定律在理想氣體特殊變化過程的應用1．等容過程：氣體等容變化中，。外界對氣體做功為零，根據(jù)熱力學第一定律Q=+W有：上式說明理想氣體在等容變化過程中，吸收的熱量全部用來使理想氣體的內能增加或者放出的熱量是以減少理想氣體的內能為代價的。又因為、所以有==由上式得=，對于單原子分子，=3；對于雙原子分子，=5；對于多原子分子，=6。 的意義是1摩爾的理想氣體定容升溫1開時需要吸收的熱量，叫做理想氣體的定容摩爾熱容。2．等壓過程：氣體等壓過程變化中，有=。根據(jù)熱力學第一定律Q=+W，氣體等壓膨脹，從外界吸收的熱量，一部分用來增加內能，另一部分用來對外做功。因為=將這三個表達式代入熱力學第一定律中得=+R上式中叫做理想氣體定壓摩爾熱容；上式表明1摩爾理想氣體等壓升溫1開比等容升溫1開要多吸收焦耳的熱量，這是因為1摩爾理想氣體等壓膨脹溫度升高1開時要對外做功焦耳的緣故。3．等溫過程：氣體在等溫變化過程中，有P2V2=P1V1，理想氣體在等溫變化過程中內能不變=0，因此，即氣體等溫膨脹，吸收的熱量全部用來對外做功。4．絕熱過程氣體始終不和外界交換熱量的過程，如用隔熱材料制成容器，或者過程進行很快來不及和外界交換熱量，都可看作絕熱過程。根據(jù)熱力學第一定律有理想氣體絕熱過程中P、V、T同時變化，仍然服從=，且要服從絕熱過程方程PVn=C式中n稱為比熱容比，其定義式為根據(jù)絕熱過程方程在P—V圖上畫出理想氣體絕熱過程對應的曲線稱為絕熱曲線，如圖所示，由于>1，絕熱曲線比等溫線陡。5．自由膨脹過程氣體向真空的膨脹過程叫做氣體的自由膨脹過程，由于沒有外界阻力，所以外界不對氣體做功，即W=0，又由于過程進行的極快，氣體來不及與外界交換熱量，可看成絕熱過程，即Q=0，這樣，根據(jù)熱力學第一定律可知，氣體絕熱自由膨脹后其內能不變。6．循環(huán)過程系統(tǒng)經(jīng)過一系列的變化又回到原來狀態(tài)的整個變化過程，稱為循環(huán)過程。系統(tǒng)的循環(huán)過程可在P—V圖上用一閉合圖線表示出來。如果在P—V圖上所示的循環(huán)過程是順時針方向進行的，稱為正循環(huán)，反之稱為逆循環(huán)。如圖所示，ABC過程中外界對系統(tǒng)做負功W<0，CDA過程外界對系統(tǒng)做正功W>0。循環(huán)過程中外界對系統(tǒng)的總功大小等于P—V圖中循環(huán)圖形包圍的面積。正循環(huán)時，外界對系統(tǒng)做的總功小于零；逆循環(huán)時，外界對系統(tǒng)做的總功大于零。由于系統(tǒng)在循環(huán)過程中回到原狀態(tài)，所以=0，根據(jù)熱力學第一定律有 式中Q1表示循環(huán)過程中系統(tǒng)從外界吸收熱量的總和，Q2表示在循環(huán)過程中系統(tǒng)向外界放出熱量的總和，W總表示外界對系統(tǒng)做的總功。(2)例題精講：（2022年華約自主招生）如圖所示，絕熱容器的氣體被絕熱光滑密封活塞分為兩部分A、B，已知初始狀態(tài)下A、B兩部分體積、壓強、溫度均相等，A中有一電熱絲對A部分氣體加熱一段時間，穩(wěn)定后（）A．A氣體壓強增加，體積增大，溫度不變B．B氣體的溫度升高，B中分子運動加劇C．B氣體的體積減小，壓強增大D．A氣體的內能變化量等于B氣體的內能變化量【難易程度】容易(3)例題精講：如圖所示，兩個截面相同的圓柱形容器，右邊容器高為Ｈ，上端封閉，左邊容器上端是一個可以在容器內無摩擦滑動的活塞。兩容器由裝有閥門的極細管道相連難受，容器、活塞和細管都是絕熱的。開始時，閥門關閉，左邊容器中裝有熱力學溫度為Ｔ0的單原子理想氣體，平衡是活塞到容器底的距離為Ｈ，右邊容器內為真空?，F(xiàn)將閥門緩慢打開，活塞便緩慢下降，直至系統(tǒng)達到平衡，求此時左邊容器中活塞的高度和缸內氣體的溫度。提示：一摩爾單原子理想氣體的內能為（３／２）ＲＴ，其中Ｒ為摩爾氣體常量，Ｔ為氣體的熱力學溫度。（4）通關檢測:（2022清華保送生測試）A、B、C為三個氣體系統(tǒng)，當A與C熱平衡時，有pAVA-napAVA-pCVC=0；B與C熱平衡時，有pBVB-nbpBVB-pCVC=0。試運用熱力學第零定律求A、B、C的狀態(tài)方程。（5）通關檢測:（2022北京大學）如圖所示，一定量的理想氣體，從狀態(tài)A出發(fā)，經(jīng)圖中AB、BC、CA狀態(tài)變化后回到A狀態(tài)，其中AB為等溫變化，BC為等壓變化，CA為等體積變化，求：（1）三個過程中哪個過程氣體對外做功的絕對值最大？（2）哪個過程氣體內能增加，哪個過程減少？（3）哪個過程氣體與外界交換的熱量的絕對值最大？哪個過程最小？【課后鞏固】（請老師填寫，屬于學生課后的練習作業(yè)）結合精選練習引導學生自主學習、獨立思考，進一步理解知識點之間的銜接，構建完整的知識網(wǎng)絡。學生通過鞏固性的練習，進一步消化課程內容，從而達到熟練掌握的目的。給出題目考查的知識點難易度、能力層次和答案解析。1（2022上海交通大學）對于一定質量的理想氣體，下列過程違反熱力學第一定律的是在恒定溫度下，氣體絕熱膨脹氣體從外界吸收熱量而溫度保持不變在絕熱的條件下，體積不變而溫度升高氣體對外做功的同時向外界放熱【難易程度】容易2、如圖所示，兩根位于同一水平面內的平行的直長金屬導軌，處于恒定磁場中，磁場方向與導軌所在平面垂直．一質量為m的均勻導體細桿，放在導軌上，并與導軌垂直，可沿導軌無摩擦地滑動，細桿與導軌的電阻均可忽略不計．導軌的左端與一根阻值為R0的電阻絲相連，電阻絲置于一絕熱容器中，電阻絲的熱容量不計．容器與一水平放置的開口細管相通，細管內有一截面為S的小液柱（質量不計），液柱將1mol氣體（可視為理想氣體）封閉在容器中．已知溫度升高1K時，該氣體的內能的增加量為（R為普適氣體常量），大氣壓強為p0，現(xiàn)令細桿沿導軌方向以初速v0向右運動，試求達到平衡時細管中液柱的位移．v0Rv0R0【參考答案】（請老師填寫，所有課后習題參考答案附在學案最后面）2解析：導體細桿運動時，切割磁感應線，在回路中產(chǎn)生感應電動勢與感應電流，細桿將受到安培力的作用，安培力的方向與細桿的運動方向相反，使細桿減速，隨著速度的減小，感應電流和安培力也減小，最后桿將停止運動，感應電流消失．在運動過程中，電阻絲上產(chǎn)生的焦耳熱，全部被容器中的氣體吸收．根據(jù)能量守恒定律可知，桿從v0減速至停止運動的過程中，電阻絲上的焦耳熱Q應等于桿的初動能，即 (1)容器中的氣體吸收此熱量后，設其溫度升高T，則內能的增加量為 (2)在溫度升高