3.2 热力学第一定律 课件 2023-2024学年高二物理人教版（2019）选择性必修3(共18张PPT)

(共18张PPT)
第2节 热力学第一定律
第三章 热力学定律
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？
改变内能的两种方式
做功
热传递
对内
对外
吸热
放热
内能增加
内能增加
内能减少
内能减少
（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）
绝热过程
仅传热过程
如果物体在跟外界同时发生做功和热传递的过程中，
内能的变化ΔU与热量Q及做的功W之间又有什么关系呢？
1.能以系统为研究对象，用综合分析的方法推导出热力学第一定律。
2.能运用热力学第一定律解释和计算能量的转换、转移问题。
知识点一：热力学第一定律
1.表述：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。
2.意义：
(1)热力学第一定律不仅反映了做功和传热这两种改变内能的方法是等价的，而且
给出了内能的变化量与做功和传热之间的定量关系。
(2)热力学第一定律将单纯的做功过程和单纯的传热过程中内能改变的定量表达
式推广到一般情况，既有做功又有传热的过程，其中ΔU表示内能改变的数量，W表示外界对系统所做的功，Q表示外界向系统传递的热量。
3.数学表达式： ΔU= Q +W
思考讨论：
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。
对外界做功
减少了220J
4.定律中各量的正、负号及含义
物理量 符号 意义 符号 意义
W ＋ 外界对物体做功 － 物体对外界做功
Q ＋ 物体吸收热量 － 物体放出热量
ΔU ＋ 内能增加 － 内能减少
ΔU = W + Q
5.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。
6.几种特殊情况
(1)若过程是绝热的，即Q＝0，则ΔU＝W，物体内能的增加量等于外界对物体做的功。
(2)若过程中不做功，即W＝0，则ΔU＝Q，物体内能的增加量等于物体从外界吸收的热量。
(3)若过程的始末状态物体的内能不变，即ΔU＝0，则W＝－Q(或Q＝－W)，外界对物体做的功等于物体放出的热量(或物体吸收的热量等于物体对外界做的功)。
练一练
1.一定量的气体，从外界吸收热量2.7×105J,内能增加4.3×105J。在这一过程中，是气体对外做功，还是外界对气体做功？做了多少功？
Q=+2.7×105J
ΔU=+4.3×105J
﹀
ΔU＝W + Q
得： W=1.6×105J ＞0
即外界对气体做功
解：
2.以下过程可能发生的是 （　　）
A.对物体做功，物体的内能增加
B.对物体做功，同时物体吸热，物体的内能不变
C.物体对外做功，同时放热，物体的内能不变
D.物体对外做功，同时吸热，物体的内能不变
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知识点二：热力学第一定律的应用
规律方法：应用热力学第一定律解题的方法
(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)对外界所做的功；
(3)根据热力学第一定律ΔU=Q+W列出方程进行求解；
(4)特别注意的就是物理量的正负号及其物理意义。
例：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 × 103N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30J,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。
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=200J-25J=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=- 900J- 30J=- 930J
汽缸内气体在压缩过程中内能增加了175 J,在膨胀做功过程中气体内能减少了930 J。
1.如图是用导热性能良好的材料制成的气体实验装置，开始时封闭的空气柱长度为20 cm，用竖直向下的力F压活塞，使空气柱长度变为原来的一半，人对活塞做功10 J，大气压强为p0=1×105 Pa，不计活塞的重力，求：
（1）若用足够长的时间缓慢压缩，压缩后气体的压强；
（2）若以适当的速度压缩气体，此过程气体向外散失的热量为2 J，则气体的内能增加多少？（活塞的横截面积S=1 cm2）
练一练
解：（1）设压缩后气体的压强为p，缓慢压缩，气体温度不变，由玻意耳定律：p0V0=pV
解得p=2×105 Pa。
（2）大气压力对活塞做功W1=p0SΔh=1 J，人对活塞做功W2=10 J，由热力学第一定律：ΔU=W1+W2+Q
将数据代入，解得ΔU=9 J。
热力学第一定律
热力学第一定律
表述：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
数学表达式：ΔU= Q +W
定律中各量的正、负号及含义
热力学第一定律的应用
ΔU =0，则 W =- Q
W=0，则ΔU = Q
Q =0，则ΔU = W
应用热力学第一定律解题的方法