3.2热力学第一定律 课件 (共22张PPT)

(共22张PPT)
§2 热力学第一定律
第三章 热力学定律
选择性必修 第三册
汽缸内有一定质量的气体，压缩气体的同时给汽缸加热。那么，气体内能的变化会比单一方式（做功或传热）更明显。这是为什么呢？
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改变内能的两种方式
做功
热传递
对内
对外
（外界对物体做功）
（物体对外界做功）
（物体从外界吸热）
（物体对外界放热）
吸热
放热
内能减少
内能增加
内能减少
内能增加
绝热： U=W
仅传热： U=Q
如果做功和传热都发生那么内能如何变化了？
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1.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。
3.意义：热力学第一定律反映了功、热量跟系统内能改变之间的定量关系。
ΔU= Q +W
2.公式：
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一、热力学第一定律
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功是135J，同时向外放热85J，气体内能变化量是多少？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。
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一、热力学第一定律
1.定律中各量的正、负号及含义：
物理量 符号 意义 符号 意义
W + -
Q + -
ΔU + -
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
ΔU= Q +W
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二、热力学第一定律的应用
2.判断是否做功的方法：
一般情况下外界对物体做功与否，需看物体的体积是否变化。
(1)若物体体积增大，表明物体对外界做功，W<0。
(2)若物体体积减小，表明外界对物体做功，W>0。
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二、热力学第一定律的应用
3.几种特殊情况：
(1)若过程是绝热的，则Q＝0，W＝ΔU，外界对物体做的功等于物体内能的增加。
(2)若过程中不做功，即W＝0，则Q＝ΔU，物体吸收的热量等于物体内能的增加。
(3)若过程的始末状态物体的内能不变，即ΔU＝0，则W＋Q＝0或W＝－Q，外界对物体做的功等于物体放出的热量。
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二、热力学第一定律的应用
4.对理想气体应用热力学第一定律：
（1）对于理想气体来说，因不考虑分子势能，故其内能为所有分子动能的总和（即等于分子数与分子热运动的平均动能的乘积）。内能仅由分子数与温度决定，因此对于一定质量的理想气体来说，内能是否变化取决于其温度是否变化。升温，为正;降温，为负。
（2）理想气体是否做功，取决于其体积的变化。若体积变大，则气体对外界做功；体积变小，则外界对气体做功；体积不变，则做功为零。
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二、热力学第一定律的应用
4.对理想气体应用热力学第一定律：
（3）热量取决于容器是绝热的还是导热的，并不是温度升高吸热，温度降低放热。
（4）外界对理想气体做功或理想气体对外界做功时，若恒压膨胀，即压强不变时，功的计算公式为W=P V（P为理想气体的压强、 V为理想气体体积的变化量）。
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二、热力学第一定律的应用
【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(如图甲)。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。
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(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(如图乙)，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。
分析：根据热力学第一定律，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。
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解：(1)压缩过程活塞对气体做的功：W1＝F1l1＝2×103×0.1 J＝200 J
气体内能的变化量：ΔU1＝W1＋Q1＝200 J－25 J＝175 J。
(2)气体膨胀过程中气体对外界所做的功：W2＝－F2l2＝－9×103×0.1 J＝－900 J
气体内能的变化量：ΔU2＝W2＋Q2＝－900 J－30 J＝－930 J
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方法总结：
应用热力学第一定律解题的一般步骤
(1)首先应明确研究对象是哪个物体或者是哪个热力学系统。
(2)分别列出物体或系统吸收或放出的热量；外界对物体或系统所做的功或物体或系统对外所做的功。
(3)根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W列出方程进行求解。
(4)特别应注意的就是物理量的正负号及其物理意义。
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1．在一个绝热气缸里，若因气体膨胀，活塞把重物逐渐举高，如图所示。则在这个过程中，气缸内的气体（　　）
A．温度升高
B．温度不变
C．内能增大
D．内能减小
D
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【答案】D
【详解】气体绝热膨胀，则Q=0对外做功W<0根据 U=W+Q
可知 U<0即气体内能减小，温度降低。
故选D。
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2．如图是密闭的气缸，外力推动活塞P压缩气体，对缸内气体做功800 J，同时气体向外界放热200 J，缸内气体的（　 　）
A．温度升高，内能增加600 J
B．温度升高，内能减少200 J
C．温度降低，内能增加600 J
D．温度降低，内能减少200 J
A
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【答案】A
【详解】选A.根据热力学第一定律，气体内能增量ΔU＝W＋Q＝800 J－200 J＝600 J，对于一定质量的理想气体，内能增加温度必然升高，故A选项正确．
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3．如图所示，一定质量的理想气体在状态A时压强为1.5 × 105Pa，经历A→B→C→A的过程，已知B→C过程中气体做功数值是C→A过程中气体做功数值的3倍，下列说法中正确的是（ ）
A．C→A的过程中外界对气体做功300J
B．B→C的过程中气体对外界做功600J
C．整个过程中气体从外界吸收600J的热量
D．整个过程中气体从外界吸收450J的热量
AC
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【答案】AC
【详解】A．在C→A过程中，气体体积减小，外界对气体做功，根据WCA = p V得WCA = 300J，A正确；
B．由题知B→C过程中气体做功数值是C→A过程中气体做功数值的3倍，则B→C的过程中气体对外界做功900J，B错误；
CD．A→B→C→A整个过程中，温度不变，则内能 U = 0，A→B过程，气体体积不变，做功为零；B→C的过程中气体对外界做功900J；C→A的过程中外界对气体做功300J，根据热力学第一定律 U = W + Q表达式中的W表示外界对气体做的功，故
W = WCA - WBC = - 600J，Q = U - W = 600J则整个过程中气体从外界吸收600J的热量，C正确、D错误。
故选AC。
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A
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