5.1 热力学第一定律 课件 (2)

课件38张PPT。第1节 热力学第一定律1.理解热力学第一定律.
2.会用ΔU=W+Q解决一些简单问题.
3.知道第一类永动机不可能制成. 重点：1.用热力学第一定律分析内能改变的问题.
2.掌握ΔU=W+Q的符号法则并熟练应用.
难点：第一类永动机不可能实现的原因.一、热力学第一定律及应用
1.改变物体内能的两种方式：_____和_______.
2.功、热量和内能改变的关系
(1)如果物体与外界无热传递，外界对物体做功，物体的内能
_____；物体对外做功，物体的内能_____.
(2)如果物体既不对外做功，外界也不对物体做功，则物体从
外界吸收热量时，它的内能_____；物体向外放出热量时，它的
内能_____.做功热传递增加减少增加减少3.热力学第一定律
(1)内容：物体内能的增加量ΔU等于外界对物体所________与
物体从外界____________之和.
(2)表达式：ΔU=____
4.热力学第一定律的意义
(1)内能的变化必然伴随有_____或_______.
(2)一切涉及热现象的宏观过程中,能量可以发生_____或_____,
此过程中总能量守恒.做的功W吸收的热量QW+Q做功热传递转移转化【判一判】
(1)热量、功和内能三者单位相同，物理意义相同. ( )
(2)热量和功由过程决定，而内能由物体状态决定. ( )
(3)系统内能增加了100 J，可能是外界采用绝热方式对系统做功 100 J,也可能是外界单纯地对系统传热 100 J. ( )提示：(1)热量、功和内能三者尽管单位相同，但物理意义有本质区别，(1)错.
(2)热量和功由过程决定，内能由物体状态决定，热量和功是内能变化的量度，(2)正确.
(3)对一个绝热过程ΔU=W=100 J,对一个单纯热传递过程ΔU=Q=100 J,(3)正确. 二、第一类永动机
1.定义:人们幻想的不消耗_________而能永远对外做功的机器.
2.热力学第一定律的另一表述:第一类永动机是___________的. 任何能量不可能实现【想一想】有一种所谓的“全自动”机械手表，既不需要上发条，也不用任何电源，却能不停地走下去.这是不是一种永动机呢？如果不是，你知道维持表针走动的能量是哪儿来的吗？
提示:不是永动机.能量是通过摆动手臂对表内的转轮做功而储存的. 热力学第一定律的理解和应用
【探究导引】
观察以上图片思考以下问题：
(1)气体吸收热量，内能一定增加吗?
(2)对气体做功,同时气体放出热量,内能一定减少吗?【要点整合】
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，既有做功又有热传递的过程，其中ΔU表示内能改变的数量，W表示做功的数量，Q表示外界与物体间传递的热量.2.对公式ΔU、Q、W符号的规定物体吸收热量内能增加正号物体放出热量内能减少负号外界对物体做功物体对外界做功3.应用热力学第一定律解题的思路与步骤
(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)应特别注意物理量的正负号及其物理意义.【特别提醒】应用热力学第一定律解题,一定要弄清热力学过程中物理量W、Q、ΔU的正、负号,防止公式ΔU=W+Q中因符号不清楚而出错.【典例1】一定量的气体内能增加了3×105 J
(1)若吸收了2×105 J的热量,则是气体对外界做功,还是外界对气体做功?做了多少焦耳的功?
(2)若气体对外界做了4×105 J的功,则是气体放热还是从外界吸热?放出或吸收的热量是多少?【思路点拨】解答此题要抓住以下两点:【规范解答】(1)由热力学第一定律ΔU=Q+W
得W=ΔU-Q=3×105 J-2×105 J=1×105 J
外界对气体做功.
(2)由ΔU=Q+W得Q=ΔU-W=3×105 J-(-4×105 J)=7×105 J
气体从外界吸热.
答案:(1)外界对气体做功 1×105 J
(2)气体从外界吸热 7×105 J【变式训练】(2012·兰州高二检测)一定量的气体在某一过程中，外界对气体做了8×104 J的功，气体的内能减少了1.2×105 J，则下列各式中正确的是( )
A.W=8×104 J,ΔU=1.2×105 J,Q=4×104 J
B.W=8×104 J,ΔU=-1.2×105 J,Q=-2×105 J
C.W=-8×104 J,ΔU=1.2×105 J,Q=2×104 J
D.W=-8×104 J,ΔU=-1.2×105 J,Q=-4×104 J【解析】选B.本题主要考查热力学第一定律的应用.因为外界对气体做功，W取正值，即W=8×104 J；内能减少，ΔU取负值，即ΔU=-1.2×105 J;根据ΔU=W+Q，可知Q=ΔU-W=-1.2×
105 J-8×104 J=-2×105 J,即B选项正确. 应用热力学第一定律分析气体变化问题
【探究导引】
如图，一绝热容器被隔板K隔开成a、b两部分.已知a内有一定量的稀薄气体，b内为真空.抽开隔板K后,a内气体进入b，最终达到平衡状态.在此过程中
(1)气体膨胀是否一定对外做功？
(2)气体膨胀时其内能、温度如何变化？【要点整合】
1.判断对气体做功正、负的方法
(1)若气体体积增大,表明气体对外界做功,W＜0.
(2)若气体体积变小,表明外界对气体做功,W＞0.
2.几种常见的气体变化过程
(1)绝热过程: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)等容过程: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)等温过程:在过程的始末状态，物体的内能不变,即ΔU=0,则W+Q=0或W=-Q.【特别提醒】做功和热传递都能改变气体的内能,只用一方面的因素无法确定气体内能的增加、减小,要综合考虑气体吸热、放热和做功情况.【典例2】(2011·广东高考)如图
为某种椅子与其升降部分的结构示
意图，M、N两筒间密闭了一定质量
的气体，M可沿N的内壁上下滑动，
设筒内气体不与外界发生热交换，
在M向下滑动的过程中( )
A.外界对气体做功，气体内能增大
B.外界对气体做功，气体内能减小
C.气体对外界做功，气体内能增大
D.气体对外界做功，气体内能减小【思路点拨】解答本题时应把握以下两点：【规范解答】选A.M向下滑动的过程中，气体体积减小，故外界对气体做功，由热力学第一定律知，Q=0，内能的改变取决于做功，因外界对气体做功，故气体的内能增大，A正确，B、C、D错误.【总结提升】应用热力学第一定律的技巧
(1)绝热过程:气体与外界没有热传递.
(2)导热良好:气体与外界有热交换,且保持与外界温度相同.
(3)做功情况与体积变化有关:体积减小,则外界对气体做功;体积增大(不是对真空膨胀),则气体对外界做功.
(4)理想气体(不计分子势能的变化):一定质量的理想气体的内能只与温度有关.【变式训练】(2012·广东高考)
景颇族的祖先发明的点火器如图
所示,用牛角做套筒,木制推杆前
端粘着艾绒，猛推推杆，艾绒即可点燃，对筒内封闭的气体，在此压缩过程中( )
A.气体温度升高,压强不变
B.气体温度升高,压强变大
C.气体对外界做正功,气体内能增加
D.外界对气体做正功,气体内能减少【解析】选B.由于套筒内封闭着一定质量的气体，当猛推推杆时推杆迅速压缩气体，外界对气体做正功.由于这一过程进行得很快，可以看成是一个近似的绝热过程，即整个系统来不及向外界传递热量.根据热力学第一定律，这时外力做的功只能用来增加气体的内能.这就使气体分子的运动加剧，引起气体分子平均动能增加，气体温度升高.所以艾绒即刻被点燃.由于被封闭的气体质量不变，温度升高，而体积变小，则由气体状态方程知压强变大.故B选项正确，其他选项都错.【变式备选】如图所示是密闭的气缸,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【解析】选A.由热力学第一定律W+Q=ΔU得：ΔU=800 J+
(-200 J)=600 J，一定质量的理想气体的内能大小只与温度有关，ΔU=600 J＞0,故温度一定升高,A选项正确.【温馨提示】热力学第一定律是高考的常考内容.考查相对综合，往往涉及气体的状态变化.解决这类问题常结合气体实验定律来处理.【典例】一定质量的理想气体由状态A经状态B变为状态C，其中A→B过程为等压变化，B→C过程为等容变化.已知
VA=0.3 m3,TA=TC=300 K,TB=400 K.
(1)求气体在状态B时的体积.
(2)说明B→C过程压强变化的微观原因.
(3)设A→B过程气体吸收热量为Q1,B→C过程气体放出热量为Q2，比较Q1、Q2的大小并说明原因.【思路点拨】解答此题应抓住以下三点:【规范解答】(1)设气体在状态B时的体积为VB,由盖·吕萨克定律得
代入数据得VB=0.4 m3
(2)微观原因:气体体积不变,分子密集程度不变,温度变化(降低),气体分子平均动能变化(减小),导致气体压强变化(减小).(3)根据热力学第一定律ΔU=W+Q.气体从状态A→B为等压变化,温度升高,体积膨胀,气体吸收热量,对外做功.气体从状态B→C为等容变化,温度降低,体积不变,气体放出热量,但没有做功.
由于理想气体状态A→B和状态B→C温度变化相同,故内能变化ΔU的绝对值相同,由以上分析可知Q1＞Q2.
答案:见规范解答ΔU、Q及W的符号辨析
在利用ΔU=W+Q解题时应分清Q、W及ΔU的正负.同时应注意以
下几种特殊情况：
(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. 【案例展示】一定质量的气体，在压缩过程中外界对气体做功300 J,但这一过程中气体的内能减少了300 J，问气体在此过程中是吸热还是放热？吸收或放出多少热量？
【规范解答】由题意可知，W=300 J，ΔU=-300 J,根据热力学第一定律可得
Q=ΔU-W=-300 J-300 J=-600 J
Q为负值表示气体放热，因此气体放出600 J的热量.
答案：放热 放出600 J的热量【易错分析】解题过程中易把W及ΔU的符号搞错，从而由Q=ΔU-W求出错误的热量.另外有可能不知Q=-600 J是气体放出热量从而导致错误.