3.2 热力学第一定律（教案） 高二物理人教版（2019）选择性必修第三册

第三章 热力学定律
第2节 热力学第一定律
教学设计
问题与目标
1.通过对物体内能改变方式的定量分析，从能量转化的观点理解热力学第一定律的形式和内涵。
2.通过对四冲程内燃机工作过程的分析，学会用ΔU=W+Q分析和解决相关问题。
重点与难点
重点
热力学第一定律ΔU=W+Q的理解。
难点
ΔU=W+Q中三个物理量正负号的理解。
教学准备
教师要求
多媒体课件、柴油机模型、电动机、灯泡、打气筒等。
学生要求
回顾功、热量和内能改变的关系。
教学过程
一、导入新课
我们已经学习了改变物体内能的两种方式，也知道了内能改变的过程就是内能和其他形式能的转化或内能的转移过程，那么在能的转化和转移中，符合什么规律呢
本节课我们就来学习这个问题。
二、新课教学
1.热力学第一定律
(1)一个物体，它既没有吸收热量，也没有放出热量，那么：
①如果外界对物体做的功为W，则它的内能如何变化 变化了多少
②如果物体对外界做的功为W，则它的内能如何变化？变化了多少？
(2)如果外界既没有对物体做功，物体也没有对外界做功，那么：
①如果物体从外界吸收热量Q，它的内能如何变化 变化了多少
②如果物体对外界放出热量Q，它的内能如何变化 变化了多少
学生交流讨论，解答思考题。
师生共同总结：一个物体，如果它既没有吸收热量，也没有放出热量，那么，外界对它做多少功，它的内能就增加多少；物体对外界做多少功，它的内能就减少多少。
如果外界既没有对物体做功，物体也没有对外界做功，那么，物体吸收了多少热量，它的内能就增加多少，物体放出了多少热量，它的内能就减少多少。
(3)如果物体在与外界同时发生做功和热传递的过程中，内能的变化与热量Q及做的功W之间又有什么关系呢？
总结：做功和热传递都可以改变物体的内能。在一般情况下，如果物体跟外界同时发生做功和热传递的过程，那么，外界对物体做的功W加上物体从外界吸收的热量Q等于物体内能的增加，即ΔU=W+Q。上述公式表示功、热量跟内能改变之间的关系，也就是说，一个热力学系统的内能变化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。
2.如何理解热力学第一定律
问题1：改变内能的两种方式是什么
做功与热传递。两者在改变系统内能方面是等效的。
问题2：如图所示，快速推动活塞对汽缸内气体做功10J，气体内能改变了多少 若保持气体体积不变，外界对汽缸传递10J的热量，气体内能改变了多少
无论是推动活塞对汽缸内气体做功10J还是外界对汽缸传递10J的热量，气体的内能都增加了10J。
问题3：一根金属丝经过某一物理过程，温度升高了。
除非事先知道，否则根本无法判断是通过做功的方法还是通过热传递的方法使它的内能增加的。因为单纯地对系统做功和单纯地对系统传热都能改变系统的内能。既然它们在改变系统内能方面是等价的，那么，当外界对系统做功为W，又对系统传热为Q时，系统内能的增量ΔU应该是多少
系统内能的增量为ΔU=W+Q。
问题4：怎样理解公式ΔU=W+Q
热力学第一定律不仅适用于外界对物体做功和吸收
热量的内能增加的情况，也适用于物体对外做功并向外界散热的内能减少的情况。教师引导学生从热力学第一定律的内容来分析上述三个物理量的符号的规定。具体如下：
如果系统的内能是减少的，则ΔU的符号为“-”，相反则为“+”；同理，系统放出热量，Q的符号取“-”，吸收热量则取“+”；气体对外界做功，W的符号取“-”，外界对系统做的功则取“+”。总而言之，与定律内容相反的取“-”号，否则取“+”号。详见下表：
W Q ΔU 符号
外界对物体做功 物体吸收热量 内能增加 +
物体对外界做功 物体放出热量 内能减少 -
3.气体状态变化与物理量对应的方法
(1)绝热过程：过程是绝热的，即Q=0，则W=ΔU，外界对系统做的功等于系统内能的增加。
(2)等容过程：无做功过程，即W=0，则Q=ΔU，系统吸收的热量等于系统内能的增加。
(3)等温过程：在过程的始、末状态，系统的内能不变，即ΔU=0，则W+Q=0或W=-Q，表示吸收的热量全部用来做功或外界对气体所做的功全部转换为热量放出。
4.应用热力学第一定律解题的一般步骤
(1)首先选定研究对象是哪个热力学系统。
(2)根据符号法则写出各已知量W、Q、ΔU的正负。
(3)根据方程ΔU=Q+W求出未知量。
(4)根据未知量结果的正负来确定吸热、放热情况或做功情况。
5.典例讲解【例题】
如图(3.2-1)所示，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0.1m，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[如图(3.2-2)甲所示]。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。
(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0.1m，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[如图(b)所示]，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。
分析 根据热力第一定律，在第(1)问中，活塞压缩气体的过程是外界对系统做功，活塞对气体所做的功W1为正值；在第(2)问中，气体膨胀推动活塞的过程是系统对外界做功，气体对外界所做的功W2为负值。在两种情况下，气体都把热量传递给了汽缸，都属于放热，因此Q1、Q2均为负值。
解 (1)压缩过程活塞对气体做的功W1=F1l1=2×103×0.1J=200J，
气体内能的变化量ΔU1=W1+Q1=(200-25)J=175J。
(2)气体膨胀过程中气体对外界所做的功W2=F2l2=-9×103×0.1J=-900J，
气体内能的变化量ΔU2=W2+Q2=(-900-30)J=-930J。
汽缸内气体在压缩过程中内能增加了175J，在膨胀做功过程中气体内能减少了930J。
三、课堂小结
本节课我们主要学习了：
热力学第一定律：热力学第一定律是研究功、热量和内能改变之间关系的定律。
一个热力学系统的内能变化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。即ΔU=W+Q。
该定律既适用于外界对物体做功，物体吸热，内能增加的情况，也适用于物体对外做功，向外界散热，内能减少的情况。
为了区别以上两种情况，在应用ΔU=W+Q进行计算时、它们的正负号规定如下：
W>0，表示外界对系统做功，W<0，表示系统对外界做功；Q>0，表示系统从外界吸热，Q<0，表示系统向外界放热；ΔU>0，表示系统内能增加，ΔU<0，表示系统内能减少。
四、作业设计
完成课本第53页练习题
课堂练习
1.下列说法正确的是( )
A．物体放出热量，其内能一定减少
B．外界对物体做功，其内能一定增加
C．物体吸收热量同时对外做功，其内能一定减少
D．物体吸收热量且外界对物体做功，其内能一定增加
2.密闭有空气的薄塑料瓶因降温而变扁，此过程中瓶内空气（不计分子势能）( )
A.内能增大，放出热量 B.内能减小，吸收热量
C.内能增大，对外界做功 D.内能减小，外界对其做功
3.出租车常以天然气作为燃料，加气站储气罐中天然气的温度随气温升高的过程中，若储气罐内气体体积及质量均不变，则罐内气体（可视为理想气体）( )
A.压强增大，内能减小 B.吸收热量，内能增大
C.压强减小，分子平均动能增大 D.对外做功，分子平均动能减小
4.在热力学第一定律的表达式中关于各个物理量的正、负,下列说法中正确的是( )
A.外界对物体做功时W为正,吸热时Q为负,内能增加时为正
B.物体对外界做功时W为负,吸热时Q为正,内能增加时为负
C.物体对外界做功时W为负,吸热时Q为正,内能增加时为正
D.外界对物体做功时W为负,吸热时Q为负,内能增加时为负
答案以及解析
1.答案：D
解析：A.根据热力学第一定律知，内能的增量由和共同决定，物体放出热量，但做功不确定，所以其内能不一定减少，故A错误。
B.同理，热量传递不确定，其内能也不一定增加，故B错误。
C.物体吸收热量，有，物体作为做功，有，但符合并不确定，根据热力学第一定律知，也不确定，所以其内能不一定减少，故C错误。
D.物体吸收热量且外界对物体做功，有，，根据热力学第一定律知，，即其内能一定增加，故D正确。
故选：D。
2.答案：D
解析：不计分子势能时，气体的内能由温度决定，当温度降低时，内能减小。塑料瓶变扁，内部气体体积减小，外界对它做了功，根据热力学第一定律，它会放出热量，故D正确。
3.答案：B
解析：因储气罐内气体体积不变，故气体对外界不做功。罐内气体从外界吸收热量，气体体积及质量均不变，温度升高，分子平均动能增大，内能增大，压强变大。只有B正确。
4.答案：C
解析：外界对物体做功时W为正,反之为负;吸热时Q为正,反之为负;内能增加时为正,反之为负。故C正确。
板书设计
第2节 热力学第一定律
1.做功W、热传递Q、内能变化量ΔU的物理意义
(1)做功：是能量的转化，是一种形式的能向另一种形式的能转化，功是能量转化的量度，用W表示。
(2)热传递：是能量的转移，是热量由一个物体传递给另一个物体，传递的能量用热量Q表示。
(3)内能的改变：是物体内所有分子的热运动动能和势能之和发生了变化，宏观表现在温度变化和体积变化。
2.W、Q、ΔU正负号的确定
(1)外界对物体做功，W取正；物体对外界做功，W取负。
(2)物体吸热，Q取正；物体放热，Q取负。
(3)物体内能增加，ΔU取正；物体内能减少，ΔU取负。
3.W、Q、ΔU三者之间的关系 学
一个热力学系统的内能变化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。即ΔU=Q十W。它表示了功、热量跟内能改变之间的定量关系。
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