3.1热力学第一定律 教学设计

《热力学第一定律》教学设计
教学目标：
了解物体的内能，知道改变物体内能的两种方式；
知道热力学第一定律的内容及其应用，了解人类认识热的本质的曲折过程；
会从能量转化和转移的视角描述和解释热学现象，解决实际问题，发展科学思维。
教学重点：
从能量转化和转移视角描述和解释热学现象；
用热力学第一定律解决实际问题。
教学难点：
应用热力学第一定律对理想气体各实验过程中能量转换关系进行分析
教学方法：
演示实验，讨论与交流、练习、讲授。
课时安排：2课时
情境引入：
.在空气压缩引火仪底部放置少量的硝化棉，迅速压下筒中的活塞，可以观察到硝化棉燃烧的火苗。为什么筒底的硝化棉会被点燃呢？你能解释这个现象吗？
新课教学：
物体的内能
情境：焦耳的实验
实验1：用绝热性能良好的材料制作容器，容器中安装着叶片组成的搅拌器。重物下落时带动叶片转动，搅拌容器中的水，水由于摩擦而温度上升。
实验2：让正在下降的重物带动发电机发电，电流通过浸在液体中的电阻丝，由电流的热效应给液体加热，使液体温度上升。
焦耳的这些实验表明：在各种不同的绝热过程中，如果使系统从状态1变为状态2，所需外界做功的数量是相同的。
在力学中，某一物体从高度变化到高度，重力做的功仅由物体的起点和终点两个位置决定，而与物体的运动路径无关。根据这一事实人们认识到，物体具有重力势能。
与此类似，在热力学系统的绝热过程中，只通过外界对它做功，使其温度从变化到，外界对系统做的功仅由过程的始末两个状态决定，不依赖于做功的具体过程和方式。这就使我们认识到，任何一个热力学系统必定存在一个只依赖于系统自身状态的物理量，这个物理量在两个状态间的差别与外界在绝热过程中对系统做的功相联系。
内能：物体中所有分子的动能和分子势能的总和，叫作物体的内能。
2、分子动能：分子不停地做无规则热运动而具有的能量，这就是分子动能。
【思考问题】分子势能的大小由分子间的相对位置决定，这说明分子势能与分子间距是有关系的。那么，它们之间存在怎样的一种关系呢？
情境：如图所示，设两个分子相距无穷远，我们可以规定它们的分子势能为0。让一个分子A不动，另一个分子B从无穷远处逐渐靠近A。在这个过程中，分子间的作用力做功，分子势能的大小发生改变。
改变物体内能的两种方式
情境1：在热力学系统的绝热过程中，当系统从状态1 经过绝热过程达到状态2 。
（1）内能的变化量：
（2）内能的变化量与外界对系统做的功相等：
（3）在绝热过程中，外界对系统做功，系统的内能增加；系统对外做功，系统的内能减少。
情境2：单纯地对系统传热也能改变系统的热力学状态。当系统从状态1经过单纯的传热达到状态2。
（1）内能的变化量：
内能的变化量与外界向系统传递的热量相等：
，物体吸收热量，内能增加；，物体释放热量，内能减少。
【讨论与交流】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？
热力学第一定律及其应用
【思考问题】单纯绝热过程，时，；而单纯传热过程，时，。那么，如果有这样一个过程，外界既对系统做功，又对系统传热，则这个过程中系统内能的变化量是多大？
外界对其做功而改变的内能：
外界对其传热而改变的内能：
系统内能的变化量：
热力学第一定律的内容：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。这个关系叫作热力学第一定律。
公式：
【思考问题】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 85 J，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。
总结：
物理量 + -
【讨论与交流】应用热力学第一定律，讨论一定质量的理想气体在下列等值过程中的能量转换情况：
等压变化过程，气体体积膨胀或压缩气体；
等温变化过程，气体吸热或放热；
等容变化过程，气体吸热或放热；
绝热过程，气体体积膨胀或压缩气体。
例题：如图所示，某同学将空的玻璃瓶开口向下缓慢压入水中。设水温均匀且恒定，瓶内空气无泄漏，不计气体分子间的相互作用，则被淹没的玻璃瓶在下降过程中，气体是吸热还是放热？
例题：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9×103 N 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30 J，求此做功过程气体内能的变化量。
课堂小结：
做功和热传递是改变物体内能的两种方式；
热力学第一定律：
课后作业：
第一课时：课后练习第4题
第二可是：完成练习册