新教材同步輔導(dǎo)2023年高中物理第三章熱力學(xué)定律3.2熱力學(xué)第一定律課件新人教版選擇性必修第三冊

第三章熱力學(xué)定律學(xué)習(xí)目標1.能以系統(tǒng)為研究對象,進一步理解做功和傳熱在改變物體的內(nèi)能上是等效的,用綜合分析的方法推導(dǎo)出熱力學(xué)第一定律,理解各個物理量正負號的含義,培養(yǎng)推理能力和分析綜合能力.2.通過對內(nèi)燃機工作過程的分析,知道熱力學(xué)第一定律在實際生活中的應(yīng)用,會利用熱力學(xué)第一定律解釋和計算能量的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移問題,培養(yǎng)應(yīng)用物理知識解決實際問題的能力.2

熱力學(xué)第一定律知識點一

熱力學(xué)第一定律1.改變系統(tǒng)內(nèi)能的方式有哪些?這些方式有什么異同?答案:改變系統(tǒng)內(nèi)能的方式有兩種:做功和傳熱.不同點:做功是其他形式的能與內(nèi)能之間的轉(zhuǎn)化,傳熱是內(nèi)能的轉(zhuǎn)移.相同點:做功和傳熱在改變系統(tǒng)的內(nèi)能上是等效的.2.一個絕熱的熱力學(xué)系統(tǒng),外界對系統(tǒng)做功10J,系統(tǒng)的內(nèi)能如何變化?變化多少?答案:系統(tǒng)內(nèi)能增加,增加10J.3.單純對一個熱力學(xué)系統(tǒng)傳熱10J,系統(tǒng)的內(nèi)能如何變化?變化多少?答案:系統(tǒng)內(nèi)能增加,增加10J.4.如果外界對一個熱力學(xué)系統(tǒng)做功10J,同時給它傳熱10J,那么系統(tǒng)內(nèi)能如何變化?變化多少?答案:系統(tǒng)內(nèi)能增加,增加20J.5.熱力學(xué)第一定律:一個熱力學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)能變化量等于

與

的和.表達式為

.外界向它傳遞的熱量外界對它所做的功ΔU=Q+W知識點二熱力學(xué)第一定律的應(yīng)用1.某個熱力學(xué)系統(tǒng),如果外界對系統(tǒng)做功30J,系統(tǒng)向外界放熱10J,系統(tǒng)內(nèi)能如何變化?變化多少?答案:系統(tǒng)內(nèi)能增加,增加20J.2.對于公式ΔU=Q+W,ΔU為系統(tǒng)內(nèi)能的變化量,當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)能增加時,ΔU取

;當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)能減小時,ΔU取

;當(dāng)系統(tǒng)從外界吸收熱量時,Q取

;當(dāng)系統(tǒng)向外界放出熱量時,Q取

;當(dāng)外界對系統(tǒng)做功時,W取

;當(dāng)系統(tǒng)對外界做功時,W取

.(均選填“正值”或“負值”)正值負值正值負值正值負值小試身手判斷下列說法的正誤并和同學(xué)交流(正確的打“√”,錯誤的打“×”).1.做功和傳熱在改變物體的內(nèi)能上是不等效的.()2.熱量和功由過程決定,而內(nèi)能由物體狀態(tài)決定.()3.外界對系統(tǒng)做功,系統(tǒng)的內(nèi)能一定增加.()4.系統(tǒng)內(nèi)能增加,一定是因為系統(tǒng)從外界吸收了熱量.()5.物體吸收熱量,同時對外做功,其內(nèi)能可能不變.()6.系統(tǒng)內(nèi)能減少,一定是因為系統(tǒng)對外界做功了.()×√××√×探究一熱力學(xué)第一定律問題情境如圖所示的汽缸中用活塞封閉一定質(zhì)量的氣體,汽缸與活塞之間的摩擦不計.1.快速推動活塞對汽缸內(nèi)氣體做功50J,氣體內(nèi)能改變多少?答案:快速推動活塞對汽缸內(nèi)氣體做功,氣體與外界沒有熱交換,即Q=0,故氣體內(nèi)能增加50J.答案:氣體體積不變,外界對其做功W=0,氣體吸收熱量Q=50J,內(nèi)能增加50J.2.若保持氣體體積不變,外界對汽缸傳遞50J的熱量,則氣體內(nèi)能改變多少?3.如果發(fā)現(xiàn)氣體的內(nèi)能增加50J,那么僅根據(jù)這一點你能確定內(nèi)能變化的原因嗎?為什么?這說明什么?答案:不能確定氣體內(nèi)能變化的原因;因為無論外界對氣體做功50J,還是外界給氣體傳遞50J的熱量,氣體內(nèi)能都可以增加50J.這說明做功和傳熱在改變物體內(nèi)能上是等效的.答案:外界對氣體做功,故W=50J,氣體向外界放熱,Q=-30J,代入ΔU=Q+W可得ΔU=20J.這說明氣體的內(nèi)能增加了20J.4.如果推動活塞對氣體做功50J,同時氣體通過汽缸向外界放熱30J,請根據(jù)熱力學(xué)第一定律計算后說明:氣體的內(nèi)能是如何變化的?變化了多少?過程建構(gòu)1.對ΔU=Q+W的理解.(1)熱力學(xué)第一定律不僅反映了做功和傳熱這兩種方式在改變系統(tǒng)內(nèi)能方面是等效的,而且給出了內(nèi)能的變化量與做功和傳熱之間的定量關(guān)系.(2)熱力學(xué)第一定律將單純的絕熱過程和單純的傳熱過程中內(nèi)能改變的定量表達推廣到一般情況,既有做功又有傳熱的過程.

(3)對公式ΔU=Q+W中ΔU、Q、W符號的規(guī)定.項目WQΔU正號外界對系統(tǒng)做功系統(tǒng)吸收熱量內(nèi)能增加負號系統(tǒng)對外界做功系統(tǒng)放出熱量內(nèi)能減少2.應(yīng)用ΔU=Q+W時的三種特殊情況:(1)若過程是絕熱的,即Q=0,則ΔU=W,系統(tǒng)內(nèi)能的變化量等于外界對系統(tǒng)做的功.(2)若過程中不做功,即W=0,則ΔU=Q,系統(tǒng)內(nèi)能的變化量等于系統(tǒng)從外界吸收的熱量.(3)若過程的始末狀態(tài)物體的內(nèi)能不變,即ΔU=0,則W=-Q(或Q=-W),外界對系統(tǒng)做的功等于系統(tǒng)放出的熱量(或系統(tǒng)吸收的熱量等于系統(tǒng)對外界做的功).【典例1】一定質(zhì)量的氣體,在被壓縮的過程中外界對氣體做功300J,但這一過程中氣體的內(nèi)能減少了300J,氣體在此過程中是吸熱還是放熱?吸收或放出多少熱量?解析:由題意知W=300J,ΔU=-300J,根據(jù)熱力學(xué)第一定律可得Q=ΔU-W=-300J-300J=-600J,Q為負值表示氣體放熱,因此氣體放出600J的熱量.答案:放熱

600J應(yīng)用熱力學(xué)第一定律解題的思路探究二熱力學(xué)第一定律的應(yīng)用問題情境如圖所示,一定質(zhì)量的理想氣體從狀態(tài)A依次經(jīng)過狀態(tài)B、C和D后再回到狀態(tài)A.其中,A→B和C→D為等溫過程,B→C和D→A為絕熱過程.1.A→B過程中,氣體的內(nèi)能如何變化?結(jié)合理想氣體的特點,你認為理想氣體的內(nèi)能與什么因素有關(guān)?答案:A→B過程中溫度不變,分子的平均動能不變,理想氣體分子勢能為0,故氣體內(nèi)能不變;一定質(zhì)量的理想氣體其內(nèi)能由溫度決定,溫度升高,內(nèi)能增加,溫度降低,內(nèi)能減少.2.A→B、C→D過程中,氣體對外界做功還是外界對氣體做功?答案:A→B過程,氣體向外膨脹,體積增大,氣體對外界做功;C→D過程中,氣體被壓縮,體積減小,外界對氣體做功.3.若氣體在A→B過程中吸收63kJ的熱量,在C→D過程中放出38kJ的熱量,則氣體完成一次循環(huán)對外做的功為多少?答案:氣體在A→B過程中吸收63kJ的熱量,在C→D過程中放出38kJ的熱量,B→C和D→A為絕熱過程,故一次循環(huán)吸收的熱量為Q=(63-38)kJ=25kJ;一次循環(huán)回到初始狀態(tài)溫度不變,則ΔU=0;根據(jù)ΔU=Q+W可得W=-Q=-25kJ,即氣體對外做功25kJ.過程建構(gòu)1.判斷外界對氣體是否做功的方法.一般情況下外界對氣體做功與否,需看氣體的體積是否變化.(1)若氣體體積增大,則表明氣體對外界做功,W<0.(氣體對真空膨脹W=0)(2)若氣體體積減小,則表明外界對氣體做功,W>0.(3)氣體壓強不變時,相當(dāng)于恒力做功,做功的數(shù)值W=pSΔl=pΔV;也可以借助p-V圖像求氣體做的功,如圖所示,氣體在A→B過程中對外做的功可以用圖線AB下方的陰影部分的面積表示.2.幾種常見的氣體變化過程.(1)絕熱過程:過程是絕熱的,即Q=0,W=ΔU,外界對氣體做的功等于氣體內(nèi)能的變化量.(2)等容過程:在該過程中氣體不做功,即W=0,則Q=ΔU,氣體吸收的熱量等于氣體內(nèi)能的變化量.(3)等溫過程:在過程的始末狀態(tài),理想氣體的內(nèi)能相等,即ΔU=0,則W+Q=0或W=-Q,表示氣體吸收的熱量全部用來對外做功或外界對氣體所做的功全部轉(zhuǎn)換為熱量放出.【典例2】(2023·廣東惠州)(多選)一定質(zhì)量的理想氣體從狀態(tài)a變化到狀態(tài)b,其過程如p-V圖中從a到b的直線所示.在此過程中

(

)A.氣體溫度先上升后下降B.氣體內(nèi)能一直增加C.氣體一直對外做功D.氣體吸收的熱量一直全部用于對外做功答案:

BC

【典例3】下圖是用導(dǎo)熱性能良好的材料制成的氣體實驗裝置,開始時封閉的空氣柱長度為22cm,現(xiàn)在用豎直向下的外力F壓縮氣體,使封閉空氣柱長度變?yōu)?cm,人對系統(tǒng)做功100J,大氣壓強p0=1×105Pa,不計活塞重力,活塞的橫截面積S=1cm2.(1)若用足夠長的時間緩慢壓縮氣體,則壓縮后氣體的壓強為多大?(2)若以適當(dāng)?shù)乃俣葔嚎s氣體,氣體向外散失的熱量為20J,則氣體的內(nèi)能增加多少?解析:(1)p0=1×105Pa,緩慢壓縮氣體,氣體溫度不變,由玻意耳定律得p0V0=pV,V0=l0S,V=lS,l0=22cm,l=2cm,代入數(shù)據(jù)解得p=1.1×106Pa.(2)大氣壓力對系統(tǒng)做功W1=p0S(l0-l)=2J,人對系統(tǒng)做功W2=100J,由熱力學(xué)第一定律得ΔU=W1+W2+Q,其中Q=-20J,解得ΔU=82J.答案:(1)1.1×106Pa

(2)82J氣體做功情況、內(nèi)能變化情況及吸、放熱情況的判斷(1)做功情況:根據(jù)氣體體積變化判斷做功情況.氣體膨脹,氣體對外界做功,但氣體向真空自由膨脹時不做功;氣體被壓縮,外界對氣體做功.(2)內(nèi)能變化情況:理想氣體的內(nèi)能和溫度有關(guān).溫度升高,理想氣體的內(nèi)能增加;溫度降低,理想氣體的內(nèi)能減少.(3)吸熱或放熱情況:一般通過熱力學(xué)第一定律ΔU=Q+W分析、判斷.Q>0,氣體從外界吸收熱量;Q<0,氣體向外放出熱量.課堂評價1.(多選)下列過程可能發(fā)生的是(

)A.物體吸收熱量,同時對外做功,內(nèi)能增加B.物體吸收熱量,同時對外做功,內(nèi)能減少C.外界對物體做功,同時物體吸熱,內(nèi)能減少D.外界對物體做功,同時物體放熱,內(nèi)能增加解析:根據(jù)熱力學(xué)第一定律ΔU=Q+W,做功和傳熱都可以改變物體的內(nèi)能,故由此可確定選項A、B、D正確,選項C錯誤.答案:ABD2.水槍是孩子們喜愛的玩具,下圖是常見氣壓式水槍儲水罐的示意圖.從儲水罐充氣口充入氣體,達到一定壓強后,關(guān)閉充氣口,扣動扳機將閥門M打開,水就會從槍口噴出.罐內(nèi)氣體可看作理想氣體,在水不斷噴出的過程中,若罐內(nèi)氣體的溫度不變,則(

)A.罐內(nèi)氣體的壓強變大B.罐內(nèi)氣體對外界不做功C.罐內(nèi)氣體從外界吸熱D.罐內(nèi)氣體的分子平均動能變小答案:C解析:在水不斷噴出的過程中,罐內(nèi)氣體溫度不變,根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程可知,罐內(nèi)氣體的壓強減小,選項A錯誤.罐內(nèi)氣體的體積增大,氣體對外界做功,選項B錯誤.罐內(nèi)氣體可看作理想氣體,氣體溫度不變,其內(nèi)能不變,氣體對外做功,根據(jù)熱力學(xué)第一定律可知,罐內(nèi)氣體從外界吸收熱量,選項C正確.溫度是分子平均動能的標志,溫度不變則分子的平均動能不變,選項D錯誤.3.下圖是密閉的汽缸,汽缸內(nèi)密封一定量的理想氣體.外力推動活塞P壓縮氣體,對缸內(nèi)氣體做功800J,同時氣體向外界放熱200J,則缸內(nèi)氣體的(

)A.溫度升高,內(nèi)能增加600JB.溫度升高,內(nèi)能減少200JC.溫度降低,內(nèi)能增加600JD.溫度降低,內(nèi)能減少200J答案:A解析:由熱力學(xué)第一定律可知,ΔU=Q+W=-200J+800J=600J,內(nèi)能增加600J,則缸內(nèi)氣體溫度一定升高,選項A正確.4.

(2022·廣東潮州)(多選)列車運行的平穩(wěn)性與車廂的振動密切相關(guān),車廂底部安裝的空氣彈簧可以有效減振,空氣彈簧主要由活塞、汽缸及內(nèi)封的一定質(zhì)量的氣體構(gòu)成.上下乘客及劇烈顛簸均能引起車廂振動,上下乘客時汽缸內(nèi)氣體的體積變化緩慢,氣體與外界有充分的熱交換;劇烈顛簸時汽缸內(nèi)氣體的體積變化較快,氣體與外界來不及熱交換.若汽缸內(nèi)氣體視為理想氣體,在氣體