3.2热力学第一定律 课件-2023-2024学年高二下学期物理人教版（2019）选择性必修第三册(共16张PPT)

(共16张PPT)
第三章 热力学定律
第2节 热力学第一定律
知识回顾
1、内能变化和做功的关系？
绝热过程中，内能的变化等于外力对系统所做的功 : U = W
若外界对系统做功 (压缩气体)，W > 0，则 U > 0，系统的内能增加
若系统对外界做功 (气体不自由膨胀)，W < 0，则 U < 0，系统的内能减少
2、内能变化与传热的关系？
在单纯的热传递过程中，内能的变化等于外界向系统传递的热量 : U = Q
若物体吸热，Q > 0，则 ΔU > 0，内能增加；
若物体放热，Q < 0，则 ΔU < 0，内能减少.
如果物体在跟外界同时发生做功和热传递的过程中，内能又如何变化呢？
一、热力学第一定律
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
对它所做的功的和。
2. 表达式： ΔU＝ Q + W
W —— 外界对物体做的功 —— W＞0，表示外界对系统做功；
W＜0，表示系统对外界做功；
Q —— 物体吸收的热量 —— Q＞0，表示系统吸热；
Q＜0，表示系统放热；
ΔU —— 物体内能的增加量 —— ΔU＞0，表示系统内能增加；
ΔU＜0，表示系统内能减少。
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.
4、判断气体是否做功的方法：一般情况下看气体的体积是否变化.
①若气体体积增大,表明气体对外界做功,W<0.(自由膨胀除外)
②若气体体积减小,表明外界对气体做功,W>0.
理想气体恒压变化时, W=P V（P为理想气体的压强、 V为理想气体体积的变化量）
【特别提醒】
(1)当做功和热传递同时发生时, 物体的内能可能增加, 也可能减小, 还可能保持不变。(2)物体内能发生变化可能是由做功引起的, 也可能是由热传递引起的, 还可能是两者共同作用的结果。
(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。
5、几种特殊情况
(1)若过程是绝热的，即Q＝0，则ΔU＝W，系统内能的增加量等于外界对物体做的功。
(2)若过程中不做功（单纯传热），即W＝0，则ΔU＝Q，系统内能的增加量等于物体从外界吸收的热量。
(3)若过程的始末状态系统的内能不变，即ΔU＝0，则W＝－Q(或Q＝－W)，外界对系统做的功等于系统放出的热量(或系统吸收的热量等于系统对外界做的功)。
(4)理想气体内能只与温度有关。温度变化, 内能一定变化；等温过程内能不变, ΔU＝0
【例题】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。
(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。
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)气体膨胀过程中外界对气体所做的功：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
二、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、根据符号法则写出各已知量（W、Q、 U）的正负。
3、根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q列出方程，求解 。
4、再根据未知量结果的正、负来确定吸热、放热情况或做功和内能增减情况。
练习1. 如图所示，汽缸内用活塞封闭一定质量的理想气体，汽缸和活塞是绝热的，汽缸固定不动，一条细线左端连接在活塞上，另一端跨过定滑轮后吊着一个装沙的小桶，开始时活塞静止，某时刻开始小桶中的沙缓慢漏出，不计活塞与汽缸壁的摩擦,则下列说法正确的是(　 D )
A.汽缸内的活塞向右运动
B.汽缸内气体的内能变小
C.汽缸内气体的压强减小
D.汽缸内气体的分子平均动能变大
练习2. (多选)一定质量的理想气体从状态A 经过状态B 变化到状态C，其V-T 图像如图所示，下列说法正确的是(　 BC )
A.A→B 的过程中,气体对外界做功
B.A→B 的过程中,气体放出热量
C.B→C 的过程中,气体压强不变
D.A→B→C 的过程中,气体内能增加
练习3. （多选）如图所示，一定质量的理想气体在状态A时压强为1.5×105 Pa，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（ AC ）
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
练习4. 如图所示，一定质量的理想气体，从状态A经绝热过程A→B，等容过程B→C，等温过程C→A，又回到状态A，则（ 　A　）
A．A→B过程气体体积增大，内能减小
B．B→C过程内能增加，可能外界对气体做了功
C．气体在状态的温度高于在状态的温度
D．C→A为等温变化，内能不变，所以此过程气体既不吸热也不放热
练习5. 如图所示，倒悬的导热汽缸中封闭着一定质量的理想气体，轻质活塞可无摩擦地上下移动，活塞的横截面积为S，活塞的下面吊着一个重为G的物体，大气压强恒为p0，起初环境的热力学温度为T0时，活塞到汽缸底面的距离为L.当环境温度逐渐升高，导致活塞缓慢下降，该过程中活塞下降了0.1L，汽缸中的气体吸收的热量为Q.求：
(1)汽缸内部气体内能的增量ΔU；
(2)最终的环境温度T.
A
热力学第一定律： 一个热力学系统的内能变化量等于外界向他传递的热量与外界对他所做的功的和。这就是著名的热力学第一定律。
ΔU=W+Q
物理量 符号 意义 符号 意义
W + 外界对系统做功 － 系统对外界做功
Q + 物体吸热 － 物体放热
ΔU + 内能增加 － 内能减少
课堂小结