3.2 热力学第一定律（学案） 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
学习目标
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。
自主探究
1.改变内能的两种方式是 与 。两者在改变系统内能方面是等效的。
2.热力学第一定律的内容：一个热力学系统的内能变化量等于外界向它传递的与 外界对它所 的和。
3.热力学第一定律的表达式：ΔU=
4.W、Q、ΔU正负号的确定：外界对物体做功，W ，物体对外界做功，W取负；物体吸热，Q取正，物体放热，Q ；物体内能增加，ΔU取正，物体内能减少ΔU
5.应用热力学第一定律解题的一般步骤：
(1)根据符号法则写出各已知量W、Q、ΔU的正负。
(2)根据方程 求出未知量。
(3)再根据未知量结果的 来确定吸热、放热情况或做功情况。
答案
1.做功；热传递
2.热量；做的功
3.Q+W
4.取正；取负；取负
5.(2)ΔU=W+Q (3)正负
预习检测
1.判断正误。
(1)一定数量的功与确定数量的热相对应。 （ ）
(2)一定量的气体，膨胀过程中一定是外界对气体做功。 （ ）
(3)物体向外放热85J，其内能一定减少85J。 （ ）
(4)外界对系统做功，系统的内能一定增加。 （ ）
(5)系统的内能增加，一定是系统从外界吸收了热量。 （ ）
(6)系统从外界吸热5J，内能可能增加5J。 （ ）
(7)系统的内能减少，一定是系统对外界做了功。 （ ）
2.外界对物体做功10J(绝热过程)，物体的内能改变了多少 若外界对物体传递10J的热量(单纯热传递过程)，物体的内能改变了多少 能否说明10J的功等于10J的热量
答案1.（1）√ （2）× （3）× （4）× （5）× （6）√ （7）× 2. 无论外界对物体做功10J，还是外界对物体传递10J的热量，物体的内能都增加了10J，说明做功和热传递在改
变物体内能上是等效的，但不能说10J的功等于10J的热量，因为功与热量具有本质的区别。
探究思考
【探究一】热力学第一定律
1.热力学第一定律是研究功、热量和内能之间关系的定律。
2.热力学第一定律
(1)内容：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。
(2）表达式：AU=Q+W。
【探究二】热力学第一定律的应用
1.对ΔU=W+Q的理解
热力学第一定律将单纯的绝热过程和单纯的热传递
过程推广到一般情况，也就是既有做功又有热传递的过程。其中，ΔU表示内能的变化量，W表示做功的多少，Q表示外界与物体间传递的热量。
2.对公式ΔU、Q、W符号的规定
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 -
知识梳理
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。
随堂训练
1.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
2.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
3.如图所示，一定质量的理想气体从状态a开始，经历四个过程到达状态e，其中的延长线经过原点，连线与横轴平行，连线与纵轴平行。下列说法正确的是( )
A.过程中气体分子热运动平均动能增加
B.过程中气体分子单位时间内撞击容器壁次数不变
C.过程中气体从外界吸热小于气体内能增量
D.过程中气体对外放出热量，内能不变
4.一定量的气体在某一过程中，外界对气体做了的功，气体的内能减少了，则下列各式中正确的是( )
A
B.
C.
D.
答案以及解析
1.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。
2.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。
3.答案：A
解析：过程气体温度升高，分子平均动能增大，故A正确。过程温度升高，压强不变，则气体分子平均动能增大，为保持压强不变，单位时间内气体分子与器壁碰撞次数减少，故B错误。过程气体体积增大，对外做功，又温度升高，内能增大，根据热力学第一定律可知，气体从外界吸收热量且大于内能增量，故C错误。过程气体体积增大，对外做功，因温度不变，内能不变，则气体从外界吸收热量，故D错误。
4.答案：B
解析：外界对气体做功，W取正值，即；内能减少，取负值，即。根据，可得，B正确。
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