3.1 热力学第一定律 课件（38张PPT）

(共38张PPT)
第三章 热力学定律
粤教版 选择性必修三
第一节 热力学第一定律
热学
热现象的宏观理论——研究热现象一般规律，不涉及热现象微观解释(热力学)
热现象的微观理论——从分子动理论的角度来研究宏观热现象的规律(统计物理学)
弹弓发生弹性形变，有弹力的作用，具有弹性势能
工人在高空作业有重力的作用，具有重力势能
那么，在物体内部的分子也具有势能吗？
点电荷相互之间有电场力的作用，具有电势能
知识回顾
分子力与分子间距离的关系
当分子间距改变，分子力做功，会引起能量的变化。
分子间具有由他们相对位置决定的势能，称为分子势能。
取无穷远处分子势能为0
排斥力
吸引力
r > ro ：引力
r < ro ：斥力
分子力、分子势能与分子间距离的关系
排斥力
吸引力
r > ro ：引力
r < ro ：斥力
取无穷远处分子势能为0
分子间距离不断减小
分子力F 分子势能Ep
图象
随分子间距离的变化情况 rr>r0 r增大,F先增大后减小,表现为引力 r增大,F做负功,Ep增大
r=r0 F引=F斥,F=0 Ep最小,但不为零
r>10r0 引力和斥力都很微弱,F=0 Ep=0
Part 01
物体的内能
一、物体的内能
我们把物体的机械运动的动能和势能总和称为机械能。
类似的，物体中所有分子的动能和分子势能的总和，叫做物体的内能。
那么，可以用什么方式可以使物体内能发生变化呢？
理想气体，分子势能与体积无关
二、改变物体内能的两种方式
把金属勺子放在热汤中，勺子温度升高，内能增大
这些例子，都是通过热传递来改变物体内能。
食物放入冰箱，温度下降，内能减少
在太阳光的照射下，太阳能热水器中的水温度升高，内能增大
二、改变物体内能的两种方式
1、热传递
热传递可以改变物体内能，热传递过程中物体内能变化的量称为热量。
习惯上我们所说的“物体吸热（或放热）多少”，实际上是指热传递使物体的内能增加（或减少）多少。
比如说，柴火烧水，水吸热后内能增加沸腾。烧开后熄灭柴火，开水对外放热，内能减少，温度下降，一段时间后会与外界温度一致。
二、改变物体内能的两种方式
对物体做功，可以改变物体内能。
我们可以通过实验来研究做功如何改变物体内能
如何知道物体的内能发生改变？
一定质量的气体，分子数目不变。
气体分子间距离很大，分子间作用力忽略不计，气体分子势能为零。所以气体内能仅与温度有关。
实验中，推动活塞即对气体做功，测量气体的温度的变化，就可以研究做功与气体内能的变化的关系。
一定质量的气体
分子动能
分子势能
物体
内能
分子数目
控制变量
实验：研究活塞对气体做功与气体内能变化的关系
℃
℃
迅速压缩气体
迅速压缩气体的目的：
使过程中筒内气体与外界几乎没有热传递发生（绝热过程）。
实验过程：
首先推动活塞，迅速压缩气体，对气体做功。
然后释放活塞，气体推动活塞做功。
用电子温度计测量气体的温度的变化，研究做功与气体内能的变化的关系。
活塞迅速压缩气体过程实验现象与分析：
迅速压缩气体，对气体做功，筒内气体与外界几乎没有热传递发生，所以做功可以使物体内能增大。
实验中筒内气体温度上升，气体分子动能增大，气体分子势能为零，所以筒内气体内能增大。
1、气体内能的变化情况分析
2、气体内能增加，说明什么？
℃
℃
气体迅速膨胀过程实验现象与分析：
实验中筒内气体温度下降，气体分子动能减少，气体分子势能为零，所以筒内气体内能减少。
1、气体内能的变化情况分析
℃
℃
气体膨胀向外做功，气体内能减少，所以做功可以使物体内能减少。
2、气体内能减少，说明什么？
结论：在绝热过程中，外界对物体做功，物体内能增大。
物体对外界做功，物体内能减少。
二、改变物体内能的两种方式
1、热传递
2、做功
二、改变物体内能的两种方式
思考与讨论：
做功和热传递都可以改变物体的内能，两者是等效的吗？
做功和热传递又有什么区别呢？
在实际中，我们可以用加热（热传递）的方法使一根铁棒升温，同时也可以用摩擦生热（做功）的方法使铁棒上升相同的温度。所以，对于改变物体内能来说，两者是等价的。
但是从能量转化和转移的角度，两者有所区别。
做功是内能与其他形式的能之间的转化，
而热传递则是不同物体或部分之间内能的转移。
物体内能的改变，可以通过热传递和做功两种方式实现。
实验2.缓慢压缩筒内气体
压缩气体做功，可使其内能增大；而由于压缩过程比较缓慢，气体同时与外界进行热传递，把内能又转移到周围的环境中，于是缓慢压缩的过程中，筒内气体的内能几乎没有变化。
2.同是压缩气体做功，为什么缓慢压缩气体的时候，气体的内能几乎不变？
1.气体内能的变化情况分析
实验中筒内气体温度几乎不变，气体分子动能不变，分子势能为零，所以筒内气体内能几乎不变。
通过做功和热传递，物体内能会变化，它们之间存在着什么样的定量关系呢？
通过做功和热传递，物体内能会变化，它们之间存在着什么样的定量关系呢？
若一个物体不与外界发生热传递，它的内能变化等于什么？
若一个物体，外界对其没有做功，它的内能变化等于什么？
若一个物体既与外界发生热传递，同时外界又对其做功，它的内能变化等于什么？
ΔU1=W
ΔU2=Q
ΔU=ΔU1+ΔU2=Q+W
Part 02
热力学第一定律
1、内容：
热力学第一定律
一个物体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、公式：
ΔU=Q+W
符号 W Q ΔU
+
-
内能增加
内能减少
物体吸收热量
物体放出热量
外界对物体做功
物体对外界做功
课堂小结
内能
改变内能的方式
热力学第一定律：
做功
热传递
热力学第一定律
分子势能
分子动能
ΔU = Q + W
W > 0,外界对物体做功
W < 0,物体对外界做功
Q > 0,物体吸热
Q < 0,物体放热
Part 03
气体状态变化与热力学定律的综合应用
气体状态变化与热力学定律的综合应用
气体状态变化与物理量对应方法
(1)绝热过程：气体与外界没有热交换．
(2)导热良好：气体与外界有热交换，且与外界温度保持相同．
(3)体积减小，外界对气体做功；
体积增大(不是对真空膨胀)，气体对外界做功．
(4)温度升高，理想气体的内能增加；温度降低，理想气体的内能减少．
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物体或哪个热力学系统．
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＝W＋Q求出未知量．
4、再根据未知量结果的正、负来确定吸热、放热情况或做功情况．
一、等容过程
O
V
T
V
p
O
O
P
T
等容过程：在该过程中气体不做功，即W＝0，
则Q＝ΔU，气体吸收的热量等于气体内能的增加量．
二、绝热过程
绝热过程：过程是绝热的，则Q＝0，W＝ΔU，
外界对气体做的功等于气体内能的增加量．
O
V
T
三、等温过程
V
p
O
O
P
T
在过程的始末状态，气体的内能不变，即ΔU＝0，则W＋Q＝0
则W＝－Q，表示气体吸收的热量全部用来对外界做功
或 外界对气体所做的功全部转换为热量放出
【例题】如图所示，某同学将空的玻璃瓶开口向下缓缓压入水中。设水温均匀且恒定，瓶内空气无泄漏，不计空气分子间的相互作用，则被淹没的玻璃瓶在下降的过程中，气体是吸热还是放热，为什么？
三、等温过程
【例题】(多选)如图所示，一定质量的理想气体从状态A依次经过状态B、C和D后再回到状态A，其中A→B和C→D为等温过程，B→C和D→A为绝热过程．该循环过程中，下列说法正确的是(　　 )
A→B过程中，气体等温膨胀，气体体积增大，气体对外界做功，又因为气体温度不变，内能不变，所以此过程中气体吸热，故选项A正确；
B→C过程中，气体绝热膨胀，气体对外做功，内能减小，温度降低，气体分子的平均动能减小，故选项B正确；
C→D过程中，气体等温压缩，体积变小，分子数的密度变大，单位时间内碰撞单位面积器壁的分子数增多，故选项C错误；
D→A过程中，气体绝热压缩，外界对气体做功，气体内能增加，故选项D正确．
A．A→B过程中，气体对外界做功，吸热
B．B→C过程中，气体分子的平均动能减小
C．C→D过程中，单位时间内碰撞单位面积器壁的分子数减少
D．D→A过程中，外界对气体做功，气体内能增加
ABD
三、等温过程
四、等压过程
O
V
T
V
p
O
O
P
T
等压过程：外界对气体做功，
膨胀时，温度升高， ，则 ，必须吸热
压缩时，温度降低，，则，必须放热
例1. 如图所示，密封在容器内的理想气体在保持压强p不变的情况下，体积从V1膨胀到V2，气体向外推动活塞。请问气体的内能变化情况是什么样的呢？
四、等压过程
例2.一定质量的理想气体从状态A经等压过程到状态B，如图所示。在这个过程中，气体压强 p=1.0×105Pa，吸收的热量Q= 7.0×10 J，求此过程中气体内能的增量。
四、等压过程
理想气体从状态A 经等压过程到状态B ，由盖吕萨克定律可得
解得：
在该过程中，外界对气体做功为：
根据热力学第一定律：
解得：
解得：
由等温线：一定质量的理想气体，T1>T2．
a→b，等温降压膨胀，内能不变，吸收的热量等于对外做的功；
b→c，等容升温升压，对外不做功，吸收的热量等于内能增加量；
c→a，等压降温压缩，放出的热量等于外界做的功与内能减少量之和．
六、气体状态变化图像
六、气体状态变化图像
【练习】(多选)如图所示，一定质量的理想气体由a状态变化到b状态，下列说法正确的有( 　)
A．外界对气体做功
B．气体对外界做功
C．气体向外界放热
D．气体从外界吸热
BD　[由图可看出从a到b气体体积增大温度升高，内能增大，气体对外界做功，气体从外界吸收热量，故B、D正确．]
BD
【练习】　如图所示，倒悬的导热气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，活塞到气缸底面的距离为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0.1 L，气缸中的气体吸收的热量为Q．求：
(1)气缸内部气体内能的增加量ΔU；
(2)最终的环境温度T．
[思路点拨]　本题的关键是明确气体是等压变化，则W＝pΔV，再结合热力学第一定律ΔU＝W＋Q，求解即可．
[解析]　(1)密封气体的压强p＝p0－
外界对密封气体做功W＝－pS×0.1 L
由热力学第一定律ΔU＝Q＋W可知
ΔU＝Q－0.1p0SL＋0.1LG．
(2)该过程是等压变化，由盖-吕萨克定律有＝
解得T＝1.1T0．
[答案]　(1)Q－0.1p0SL＋0.1LG　(2)1.1T0