高二 粵教版 物理 選擇性必修3第三章《第一節(jié) 熱力學第一定律》課件

第一節(jié)

熱力學第一定律高二—粵教版—物理—選擇性必修3第三章1．物體由大量分子組成；2．分子總在不停地做無規(guī)則運動，運動的劇烈程度與物質(zhì)的溫度有關(guān)。3．分子間存在相互作用的引力和斥力；基礎(chǔ)知識回顧物體的內(nèi)能物體內(nèi)部的分子由于作熱運動，所以具有分子動能。布朗運動微觀示意圖油膜法測量分子直徑彈弓發(fā)生彈性形變，有彈力的作用，具有彈性勢能工人在高空作業(yè)有重力的作用，具有重力勢能那么，在物體內(nèi)部的分子也具有勢能嗎？點電荷相互之間有電場力的作用，具有電勢能物體的內(nèi)能分子之間存在作用力，當分子間距大于r0時，分子力表現(xiàn)為引力；當分子間距小于r0時，分子力表現(xiàn)為斥力。當分子間距改變，分子力做功，會引起能量的變化。

所以，分子間具有由他們相對位置決定的勢能，稱為分子勢能。物體的內(nèi)能若取無窮遠處分子勢能為0。

當分子間距從無限遠到平衡位置r0時，分子力表現(xiàn)為引力。分子間距減少，分子力作正功，分子勢能減少；當分子間距為平衡位置r0時，分子間作用力為零，分子勢能最小。當分子間距小于r0時，分子間作用力表現(xiàn)為斥力。當分子間距減少，分子力作負功，分子勢能增大；

綜上可得兩分子間勢能與分子間距的關(guān)系圖像。物體的內(nèi)能分子力F分子勢能Ep圖象隨分子間距離的變化情況r<r0F隨r增大而減小,表現(xiàn)為斥力r增大,F做正功,Ep減少r>r0r增大,F先增大后減小,表現(xiàn)為引力r增大,F做負功,Ep增大r=r0F引=F斥,F=0Ep最小,但不為零r>10r0引力和斥力都很微弱,F=0Ep=0物體的內(nèi)能

我們把物體的機械運動的動能和勢能總和稱為機械能。類似的，物體中所有分子的動能和分子勢能的總和，叫做物體的內(nèi)能。內(nèi)能溫度溫度上升，分子動能增加體積體積變化，分子間距變化，分子勢能變化那么，可以用什么方式可以使物體內(nèi)能發(fā)生變化呢？改變物體內(nèi)能的兩種方式——熱傳遞生活中，如把金屬勺子放在熱湯中，勺子溫度升高，內(nèi)能增大；食物放入冰箱，溫度下降，內(nèi)能減少；在太陽光的照射下，太陽能熱水器中的水溫度升高，內(nèi)能增大。這些例子，都是通過熱傳遞來改變物體內(nèi)能。熱傳遞可以改變物體內(nèi)能，熱傳遞過程中物體內(nèi)能變化的量稱為熱量。

習慣上我們所說的“物體吸熱（或放熱）多少”，實際上是指熱傳遞使物體的內(nèi)能增加（或減少）多少。

比如說，柴火燒水，水吸熱后內(nèi)能增加沸騰。燒開后熄滅柴火，開水對外放熱，內(nèi)能減少，溫度下降，一段時間后會與外界溫度一致。改變物體內(nèi)能的兩種方式——熱傳遞改變物體內(nèi)能的兩種方式——做功對物體做功，可以改變物體內(nèi)能。我們可以通過實驗來研究做功如何改變物體內(nèi)能如何知道物體的內(nèi)能發(fā)生改變？一定質(zhì)量的氣體，分子數(shù)目不變。氣體分子間距離很大，分子間作用力忽略不計，氣體分子勢能為零。所以氣體內(nèi)能僅與溫度有關(guān)。實驗中，推動活塞即對氣體做功，測量氣體的溫度的變化，就可以研究做功與氣體內(nèi)能的變化的關(guān)系。一定質(zhì)量的氣體分子動能分子勢能物體內(nèi)能分子數(shù)目控制變量實驗：研究活塞對氣體做功與氣體內(nèi)能變化的關(guān)系℃℃改變物體內(nèi)能的兩種方式——做功迅速壓縮氣體迅速壓縮氣體的目的是：使過程中筒內(nèi)氣體與外界幾乎沒有熱傳遞發(fā)生（絕熱過程）。實驗過程：首先推動活塞，迅速壓縮氣體，對氣體做功。然后釋放活塞，氣體推動活塞做功。用電子溫度計測量氣體的溫度的變化，研究做功與氣體內(nèi)能的變化的關(guān)系。實驗視頻活塞迅速壓縮氣體過程實驗現(xiàn)象與分析：迅速壓縮氣體，對氣體做功，筒內(nèi)氣體與外界幾乎沒有熱傳遞發(fā)生，所以做功可以使物體內(nèi)能增大。實驗中筒內(nèi)氣體溫度上升，氣體分子動能增大，氣體分子勢能為零，所以筒內(nèi)氣體內(nèi)能增大。1、氣體內(nèi)能的變化情況分析2、氣體內(nèi)能增加，說明什么？℃℃氣體迅速膨脹過程實驗現(xiàn)象與分析：實驗中筒內(nèi)氣體溫度下降，氣體分子動能減少，氣體分子勢能為零，所以筒內(nèi)氣體內(nèi)能減少。1、氣體內(nèi)能的變化情況分析℃℃氣體膨脹向外做功，氣體內(nèi)能減少，所以做功可以使物體內(nèi)能減少。2、氣體內(nèi)能減少，說明什么？改變物體內(nèi)能的兩種方式氣體被壓縮外界對氣體做功氣體溫度上升，內(nèi)能增加。氣體膨脹氣體對外界做功氣體溫度下降，內(nèi)能減少。結(jié)論：在絕熱過程中，外界對物體做功，物體內(nèi)能增大。物體對外界做功，內(nèi)能減少。改變物體內(nèi)能的兩種方式思考與討論：做功和熱傳遞都可以改變物體的內(nèi)能，兩者是等效的嗎？做功和熱傳遞又有什么區(qū)別呢？在實際中，我們可以用加熱（熱傳遞）的方法使一根鐵棒升溫，同時也可以用摩擦生熱（做功）的方法使鐵棒上升相同的溫度。所以，對于改變物體內(nèi)能來說，兩者是等價的。但是從能量轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的角度，兩者有所區(qū)別。做功是內(nèi)能與其他形式的能之間的轉(zhuǎn)化，而熱傳遞則是不同物體或部分之間內(nèi)能的轉(zhuǎn)移。綜上所述，物體內(nèi)能的改變，可以通過熱傳遞和做功兩種方式實現(xiàn)。實驗2.緩慢壓縮筒內(nèi)氣體壓縮氣體做功，可使其內(nèi)能增大；而由于壓縮過程比較緩慢，氣體同時與外界進行熱傳遞，把內(nèi)能又轉(zhuǎn)移到周圍的環(huán)境中，于是緩慢壓縮的過程中，筒內(nèi)氣體的內(nèi)能幾乎沒有變化。2.同是壓縮氣體做功，為什么緩慢壓縮氣體的時候，氣體的內(nèi)能幾乎不變？實驗3.緩慢壓縮筒內(nèi)氣體1.氣體內(nèi)能的變化情況分析實驗中筒內(nèi)氣體溫度幾乎不變，氣體分子動能不變，分子勢能為零，所以筒內(nèi)氣體內(nèi)能幾乎不變。那么，通過做功和熱傳遞，物體內(nèi)能會變化，它們之間存在著什么樣的定量關(guān)系呢？熱力學第一定律及其應用若一個物體不與外界發(fā)生熱傳遞，它的內(nèi)能變化等于什么？若一個物體，外界對其沒有做功，它的內(nèi)能變化等于什么？綜上，若一個物體既與外界發(fā)生熱傳遞，同時外界又對其做功，它的內(nèi)能變化等于什么？ΔU1=WΔU2=QΔU=ΔU1+ΔU2=Q+W熱力學第一定律及其應用討論和交流：根據(jù)熱力學第一定律的物理意義，如何規(guī)定Q，W和ΔU的符號，才能全面反映功，熱量和內(nèi)能改變量間的定量關(guān)系呢？熱力學第一定律：一個物體的內(nèi)能增量等于外界向它傳遞的熱量與外界對它所做的功的和。ΔU=Q+W熱力學第一定律及其應用符號WQΔU+-ΔU=Q+W問題1：外界對物體做功，外界對物體傳遞熱量（吸熱），物體內(nèi)能如何變化？問題2：物體對外界做功，物體對外界傳遞熱量（放熱），物體內(nèi)能如何變化？內(nèi)能增加內(nèi)能減少物體吸收熱量物體放出熱量外界對物體做功物體對外界做功熱力學第一定律及其應用

例1.如圖所示，密封在容器內(nèi)的理想氣體在保持壓強p不變的情況下，體積從V1膨脹到V2，氣體向外推動活塞。請問氣體的內(nèi)能變化情況是什么樣的呢？熱力學第一定律及其應用

首先，理想氣體的內(nèi)能只與溫度有關(guān)，與體積無關(guān)。氣體發(fā)生等壓變化，由蓋-呂薩克定律：

可得，氣體體積增大，溫度升高，內(nèi)能變大。又由熱力學第一定律：

可得，氣體體積增大，對外界做功，W小于0；內(nèi)能變大，ΔU大于0;所以Q必須大于0，氣體從外界吸收熱量。++?熱力學第一定律及其應用

例2.如圖所示，某同學將空的玻璃瓶開口向下緩緩壓入水中。設水溫均勻且恒定，瓶內(nèi)空氣無泄漏，不計空氣分子間的相互作用，則被淹沒的玻璃瓶在下降的過程中，氣體是吸熱還是放熱，為什么？熱力學第一定律及其應用

答：在玻璃瓶下降的過程中，瓶內(nèi)氣體的壓強隨著水深度變大而變大，氣體溫度不變，體積減少。由玻意耳定律：

可得，氣體內(nèi)能不變，ΔU等于0。壓強變大，體積減少，外界對氣體做功，W大于0，由熱力學第一定律：

可得，Q小于0，氣體對外界放出熱量，且放出熱量Q與外界做功W相等。+?0例3.一定質(zhì)量的理想氣體從狀態(tài)A經(jīng)等壓過程到狀態(tài)B，如圖所示。在這個過程中，氣體壓強

p=1×105Pa，吸收的熱量Q=

7.0×102J，求此過程中氣體內(nèi)能的增量。理想氣體從狀態(tài)A經(jīng)等壓過程到狀態(tài)B，由蓋呂薩克定律可得解得：在該過程中，外界對氣體做功為：根據(jù)熱力學第一定律：解得：課堂小結(jié)內(nèi)能改變內(nèi)能的方式熱力學第一定律：做功熱傳遞熱力學第一定律分子勢能分子動能ΔU=Q+WW>0,外界對物體做功W<0,物體對外界做功Q>0,物體吸熱Q<0,物體放熱課程到此結(jié)束，謝謝！第一節(jié)

熱力學第一定律答疑高二—粵教版—物理—選擇性必修3第三章1.物體的內(nèi)能不變，能否說明外界既沒有對物體做功，也沒有發(fā)生熱傳遞？答：不能，內(nèi)能不變，有可能是外界對物體做的功等于物體放出的熱量或者物體吸收的熱量等于物體對外界做的功。這都會使物體內(nèi)能不變。2．物體內(nèi)能大，能不能理解為物體內(nèi)部存儲的熱量多？答：不能，像做功一樣，熱量的概念只有在涉及能量的轉(zhuǎn)移時才有意義。我們不能說物體具有多少熱量，只能說某一過程中物體吸收或放出多少熱量。3.如果用Q表示物體吸收的能量，用W表示物體對外界所做的功，ΔU表示物體內(nèi)能的增加，那么熱力學第一定律可以表達為Q=W+ΔU。怎樣解釋這個表達式的物理意義?答：系統(tǒng)從外界吸收的熱量Q等于系統(tǒng)對外界做的功與系統(tǒng)內(nèi)能增量之和。這種表述是從熱機的效率角度考慮，外界傳遞給系統(tǒng)的熱量，一部分用來增加系統(tǒng)的內(nèi)能，另一部分就是系統(tǒng)對外所做的功。4．把一空的礦泉水瓶擰緊后放入冰箱，經(jīng)過一段時間取出，可以觀察到什么現(xiàn)象？此過程瓶內(nèi)氣體的內(nèi)能如何變化？（不計分子勢能）答：我們可以觀察到瓶子變癟，因為水瓶放入冰箱后，瓶內(nèi)氣體溫度降低。而氣體壓強始終與大氣壓相等，幾乎不變，所以體積減少。此過程瓶內(nèi)氣體溫度降低，內(nèi)能減少，而且體積減少，外界對氣體做功。由熱力學第一定律:ΔU=Q+W，過程中氣體放熱。5.如圖所示，用隔板將一絕熱氣缸分成兩部分，隔板左側(cè)充有理想氣體