(共30张PPT)
2.热力学第一定律
学习目标
1.理解热力学第一定律,并掌握其表达式。
2.能运用热力学第一定律解释自然界能量的转化、转移问题,并进行具体的计算。
思维导图
必备知识
自我检测
1.改变内能的两种方式:做功与热传递。
联系:两者在改变系统内能方面是等价的,一定数量的功与确定数量的热相对应。
区别:做功是内能与其他形式能量的相互转化,而热传递只是不同物体(或一个物体的不同部分)之间内能的转移。
2.热力学第一定律的内容: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.热力学第一定律的表达式:ΔU=Q+W。
必备知识
自我检测
1.正误判断
(1)外界对系统做功,系统的内能一定增加。( )
(2)系统内能增加,一定是系统从外界吸收了热量。( )
(3)系统从外界吸收热量5
J,内能可能增加5
J。( )
(4)系统内能减少,一定是系统对外界做了功。( )
(5)外界对热力学系统做功,W取正值;外界向热力学系统传递
热量,Q取正值。( )
(6)气体被压缩的过程中,外界对气体做功,则气体内能一定增加。
( )
(7)物体与外界不发生热交换,物体的内能也可能变化。( )
答案(1)× (2)× (3)√ (4)× (5)√ (6)× (7)√
必备知识
自我检测
2.如图所示,厚壁容器的一端通过胶塞插进一支灵敏温度计和一根气针,另一端有个用卡子卡住的可移动胶塞。用打气筒慢慢向容器内打气,使容器内的压强增大
到一定程度,这时读出温度计示数。打开卡子,胶塞冲出容器口后( )
A.温度计示数变大,实验表明气体对外界做功,内能减少
B.温度计示数变大,实验表明外界对气体做功,内能增加
C.温度计示数变小,实验表明气体对外界做功,内能减少
D.温度计示数变小,实验表明外界对气体做功,内能增加
必备知识
自我检测
解析胶塞冲出容器口后,气体膨胀,对外做功。由于是厚壁容器,基本没有热传递,由W=ΔU可知内能减小。内能等于物体内所有分子动能和势能之和,体积增大,势能增大,可知分子平均动能减小,所以温度降低。
答案C
必备知识
自我检测
3.如图所示的汽缸,内部封闭有一定质量的理想气体。外力推动活塞P压缩气体,对汽缸内气体做功800
J,同时气体向外界放热200
J,则汽缸内气体的( )
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
解析由热力学第一定律ΔU=W+Q,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。
答案A
必备知识
自我检测
4.空气压缩机在一次压缩中,活塞对空气做了2×105
J
的功,同时空气的内能增加了1.5×105
J,这一过程中空气向外界传递的热量是多少?
解析选择被压缩的空气为研究对象,根据热力学第一定律有ΔU=W+Q。
由题意可知W=2×105
J,ΔU=1.5×105
J,代入上式得
Q=ΔU-W=1.5×105
J-2×105
J=-5×104
J。
负号表示空气向外释放热量,即空气向外界传递的热量为5×104
J。
答案5×104
J
探究一
探究二
随堂检测
热力学第一定律
情境探究
探究一
探究二
随堂检测
1.如图甲所示,该实验为做机械功改变系统内能的实验,该实验与外界没有热量交换,如果外界对系统做的功为W(物块重力所做的功),则它的内能怎样改变?变化了多少?
要点提示一个系统,如果它既没有吸收热量也没有放出热量,那么外界对它做功W,则内能增加量为W。
2.如图乙所示为做电功改变系统内能的实验,该系统如果电阻发热量为Q,液体的内能怎样变化?变化了多少?
要点提示如果外界没有对系统做功,物体从外界吸收热量Q,则内能的增加量为Q。
3.如果某一过程中,物体跟外界同时发生了做功和热传递,那么,该物体内能的变化ΔU与热量Q及做的功W之间又满足怎样的关系呢?
要点提示ΔU=W+Q。该式表示的是功、热量跟内能改变之间的定量关系,在物理学中叫作热力学第一定律。
探究一
探究二
随堂检测
知识归纳
1.热力学第一定律的意义
热力学第一定律不仅反映了做功和热传递这两种改变内能的过程是等效的,而且给出了内能的变化量和做功与热传递之间的定量关系。此定律是标量式,应用时单位应统一为国际单位制中的焦耳(J)。
探究一
探究二
随堂检测
2.热力学第一定律的符号法则
正负值
做功W
热量Q
内能的变化ΔU
取正值“+”
外界对系
统做功
系统从外界
吸收热量
系统的内
能增加
取负值“-”
系统对外
界做功
系统向外界
放出热量
系统的内
能减少
探究一
探究二
随堂检测
实例引导
例1
(2020重庆期末)如图所示的p-V图中,一定质量的理想气体由状态A经过程Ⅰ变至状态B时,从外界吸收热量420
J,同时做功300
J,当气体从状态B经过程Ⅱ回到状态A时,做功200
J,过程Ⅱ中气体吸收或放出的热量是( )
A.吸热80
J
B.吸热220
J
C.放热520
J
D.放热320
J
探究一
探究二
随堂检测
解析由题意知一定质量的理想气体由状态A经过程Ⅰ变至状态B时体积增大,W1为负,Q1为正,ΔU=W1+Q1=420
J-300
J=120
J,内能增加120
J。由图可知当气体从状态B经过程Ⅱ回到状态A时体积减小,W2为正;ΔU'=W2+Q2,代入数据解得Q2=-320
J,放出热量,故A、B、C错误,D正确。
答案D
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。
探究一
探究二
随堂检测
变式训练1(2020北京期末)如图所示,一个密闭汽缸封闭着一部分空气。用活塞压缩汽缸里的空气,对空气做了900
J的功,同时汽缸向外散热200
J,则汽缸中空气的内能( )
A.减少了1
100
J
B.增加了1
100
J
C.减少了700
J
D.增加了700
J
解析内能增加量ΔU=Q+W,代入已知数据ΔU=900
J-200
J=700
J,所以汽缸里的空气的内能增加了700
J,故D正确,A、B、C错误。
答案D
探究一
探究二
随堂检测
热力学第一定律的应用
情境探究
如图所示,一定质量的理想气体由a状态变化到b状态,请在图像基础上思考以下问题:
(1)在变化过程中气体对外界做功还是外界对气体做功?
(2)在变化过程中气体吸热还是向外放热?气体内能增加了还是减少了?
要点提示(1)气体对外界做功 (2)吸热 内能增加
探究一
探究二
随堂检测
知识归纳
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中内能改变的定量表述推广到一般情况,即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。
探究一
探究二
随堂检测
2.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)。
探究一
探究二
随堂检测
实例引导
例2
(2020吉林白山二模)如图所示,左边圆柱形容器的横截面积为S。上端是一个可以在容器内无摩擦滑动的质量为m的活塞;右边圆柱形容器上端封闭,高为H,横截面积为
。两容器由装有阀门的极细管道相连,容器、活塞和细管都是绝热的。开始时阀门关闭,左边容器中装有理想气体,平衡时活塞到容器底的距离为H,右边容器内为真空。现将阀门打开,活塞缓慢下降,直至系统达到新的平衡,此时气体的热力学温度增加到原来热力学温度的1.3倍。已知外界大气压强为p0,求:
(1)系统达到新的平衡时活塞到容器底的距离r;
(2)此过程中容器内的气体内能的增加量ΔU。
探究一
探究二
随堂检测
探究一
探究二
随堂检测
(2)设容器内的气体压强为p,取活塞为研究对象,有
p0S+mg=pS①
外界对气体所做的功为
W=pS(H-r)②
由系统绝热有Q=0③
由热力学第一定律有ΔU=W④
探究一
探究二
随堂检测
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。
探究一
探究二
随堂检测
变式训练2(2020湖北武汉期中)如图所示,汽缸内封闭一定质量的理想气体,活塞通过定滑轮与一重物m相连并处于静止状态,此时活塞到缸口的距离h=0.2
m,活塞面积S=10
cm2,封闭气体的压强p=5×104
Pa,现通过电热丝对缸内气体加热,使活塞缓慢上升直至缸口。在此过程中封闭气体吸收了Q=60
J的热量,假设汽缸壁和活塞都是绝热的,活塞质量及一切摩擦力不计,则在此过程中气体内能的增加量为( )
A.70
J
B.60
J
C.50
J
D.10
J
探究一
探究二
随堂检测
解析活塞移动过程中,汽缸内气体对外界做功:W=Fx=pSh=5×104×10×10-4×0.2
J=10
J,由热力学第一定律得,汽缸内气体内能的变化量:ΔU=Q+(-W)=60
J-10
J=50
J。汽缸内的气体内能增加了50
J,故C正确,A、B、D错误。
答案C
探究一
探究二
随堂检测
1.一定质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,则根据热力学第一定律,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
解析因为外界对气体做功,W取正值,即W=8×104
J;气体的内能减少,ΔU取负值,即ΔU=-1.2×105
J;根据热力学第一定律ΔU=W+Q,可知Q=ΔU-W=-1.2×105
J-8×104
J=-2×105
J,即B选项正确。
答案B
探究一
探究二
随堂检测
2.一定质量的理想气体,从某一状态开始,经过一系列变化后又回到开始的状态,用W1表示外界对气体做的功,W2表示气体对外界做的功,Q1表示气体吸收的热量,Q2表示气体放出的热量,则在整个过程中一定有( )
A.Q1-Q2=W2-W1
B.Q1=Q2
C.W1=W2
D.Q1>Q2
解析对一定质量的理想气体,经过一系列的状态变化后又回到原状态,表明整个过程中内能的变化为零,即通过做功和热传递引起的内能变化相互抵消,所以A选项正确。当然,若Q1=Q2,则必定有W1=W2;若Q1>Q2,则必定有W1W2,所以B、C、D三项都有可能但不一定,故选A。
答案A
探究一
探究二
随堂检测
3.(多选)用密封性好、充满气体的塑料袋包裹易碎品,如图所示,充气袋四周被挤压时,假设袋内气体与外界无热交换,则袋内气体( )
A.体积减小,内能增大
B.体积减小,压强减小
C.对外界做负功,内能增大
D.对外界做正功,压强减小
解析实际气体在温度不太低、压强不太大时可看作理想气体。充气袋被挤压,气体体积减小,外界对气体做正功,则W>0,即气体对外界做负功,由于袋内气体与外界无热交换,即Q=0,根据热力学第一定律ΔU=W+Q知,内能增大,选项A、C正确;根据理想气体状态方程
可判断压强一定增大,选项B、D错误。
答案AC
探究一
探究二
随堂检测
4.(2020四川乐山模拟)绝热汽缸倒扣在水平地面上(汽缸顶部侧壁有一小口),缸内装有一电热丝,缸内有一光滑的绝热活塞,封闭一定质量的理想气体,活塞下吊着一重力为G的重物,活塞重力为G0,活塞的截面积为S,开始时封闭气柱的高为h,气体的温度为T1,大气压强为p0。现给电热丝缓慢加热,若气体吸收热量Q时,活塞下降了h,问:
(1)气体的温度升高多少?
(2)气体的内能增加多少?
探究一
探究二
随堂检测
活塞向下运动的过程中,对外做功
W=pSh=p0Sh-(G+G0)h
根据热力学第一定律可知,气体的内能增加量为ΔU=Q-W=Q+(G+G0)h-p0Sh=Q-(p0S-G-G0)h。
答案(1)T1 (2)Q-(p0S-G-G0)h2.热力学第一定律
课后篇巩固提升
基础巩固
1.一定质量的气体在保持压强恒等于1.0×105
Pa的状况下,体积从20
L膨胀到30
L,这一过程中气体从外界吸热4×103
J,则气体内能的变化为( )
A.增加了5×103
J
B.减少了5×103
J
C.增加了3×103
J
D.减少了3×103
J
解析气体等压膨胀过程对外做功W外=pΔV=1.0×105
Pa×(30-20)×10-3
m3=1.0×103
J。这一过程气体从外界吸热Q=4×103
J。热力学第一定律ΔU=W+Q,气体对外做功,W应取负值,则可得ΔU=-1.0×103
J+4.0×103
J=3.0×103
J,即气体内能增加了3×103
J。故选项C正确。
答案C
2.
(2020浙江金华三校高二下学期检测)如图所示,给旱区送水的消防车停于水平地面。在缓慢放水过程中,若车胎不漏气,胎内气体温度不变,不计分子间势能,则胎内气体( )
A.从外界吸热
B.对外界做负功
C.分子平均动能减小
D.内能增加
解析缓慢放水过程中,胎内气体压强减小,气体膨胀对外界做正功,选项B错误;胎内气体温度不变,故分子平均动能不变,选项C错误;由于不计分子间势能,气体内能只与温度有关,温度不变,内能不变,选项D错误;ΔU=W+Q,ΔU=0,W<0,故Q>0,气体从外界吸热,选项A正确。
答案A
3.(2020天津二模)如图所示,一个内壁光滑、导热良好的汽缸悬挂在天花板上,轻质活塞上方封闭着理想气体,外界环境温度不变,若用向下的力F缓慢将活塞向下拉动一小段距离,则
( )
A.缸内气体的温度可能降低
B.缸内气体分子的平均动能会减小
C.缸内气体会吸热
D.若拉力F对活塞做的功为W,则缸内气体的内能减少了W
解析缓慢向下拉动活塞,缸内气体对外做功,温度会降低,但由于导热良好的汽缸会吸热,最终温度与外界相同,分子平均动能不变,气体内能不变,故A、B错误,C正确;根据以上分析结合热力学第一定律知,若拉力F对活塞做的功为W,则缸内气体吸热为W,内能不变,故D错误。
答案C
4.(2020江苏苏州期中)为抗击疫情,某校每天都要用喷雾剂(装一定配比的84消毒液)对教室进行全面喷洒。如图是某喷水壶示意图。未喷水时阀门K闭合,压下压杆A可向瓶内储气室充气;多次充气后按下按柄B,打开阀门K,水会自动经导管从喷嘴处喷出。储气室内气体可视为理想气体,充气和喷水过程温度保持不变,则( )
A.充气过程中,储气室内气体内能不变
B.充气过程中,储气室内气体分子平均动能增大
C.喷水过程中,储气室内气体吸热
D.喷水过程中,储气室内气体压强不变
解析充气过程中,储气室内气体质量增大,温度不变,平均动能不变,但内能增大,故A、B错误。喷水过程中,液体液面下降,气体体积增大,储气室内气体压强减小,气体体积增大,对外做功,而温度不变,由热力学第一定律知储气室内气体吸热,故C正确,D错误。
答案C
5.如图所示,汽缸和活塞与外界均无热交换,中间有一个固定的导热性良好的隔板,封闭着两部分气体A和B,活塞处于静止状态。现通过电热丝对气体A加热一段时间,后来活塞达到新的平衡,不计气体分子势能,不计活塞与汽缸壁间的摩擦,大气压强保持不变,则下列判断正确的是( )
A.气体A吸热,但对外做功,内能不变
B.气体B吸热,对外做功,内能不变
C.气体A和气体B内每个分子的动能都增大
D.气体B分子单位时间内对器壁单位面积碰撞次数减少
解析气体A吸热Q>0,体积不变,W=0,根据热力学第一定律ΔU=Q+W,可知ΔU>0,气体温度升高,故A错误。对B上方活塞进行受力分析,根据平衡条件可知,气体B的压强不变;由于隔板导热性良好,气体B会吸收A气体的热量,再根据理想气体状态方程=C,压强不变,温度升高,故B错误。气体A和气体B温度都上升了,分子的平均动能都增大;分子平均动能是大量分子的一种统计规律,分子的平均动能增大,并非每一个分子的动能都会增大,故C错误。根据气体压强的微观意义,气体压强和分子单位时间内对器壁单位面积碰撞次数、分子平均动能有关;在压强不变的情况下,气体B的分子平均动能增大,气体B分子单位时间内对器壁单位面积碰撞次数减少,故D正确。
答案D
6.(2020山东肥城模拟)一定质量的理想气体由状态a经状态b、c到状态d,其体积V与热力学温度T关系如图所示,O、a、d三点在同一直线上,ab和cd平行于横轴,bc平行于纵轴,则下列说法正确的是( )
A.从状态a到状态b,气体放热
B.从状态a到状态b,每个气体分子的动能都增大
C.从状态b到状态c,气体对外做功,内能减小
D.从状态a到状态d,气体内能增加
解析气体从状态a到状态b体积不变,发生的是等容变化,气体不做功W=0,温度升高,内能增加ΔU>0,根据热力学第一定律ΔU=W+Q,可知Q>0,气体吸收热量,故A错误;气体从状态a到状态b,温度升高,分子平均动能增大,但不是每个气体分子的动能都会增大,故B错误;由状态b变到状态c的过程中,温度不变,内能不变,ΔU=0,故C错误;从状态a到状态d温度升高,故气体内能增加,故D正确。
答案D
能力提升
1.(多选)如图所示,一定质量的理想气体,由状态A沿直线AB过程变化到状态B,再由B沿直线BC过程变化到状态C,然后由C沿直线CA过程变化到状态A,在此循环过程中,下列说法正确的是( )
A.在AB过程中,气体分子的平均速率先增大后减小
B.在AB过程中,气体对外做的功大于气体吸收的热量
C.在BC过程中,气体的内能增大
D.在CA过程中,气体对外不做功
E.经过ABCA一个循环过程,气体对外做的功等于从外界吸收的热量
解析根据=C可知T与pV成正比,气体由状态A沿直线AB变化到状态B,由图看出,pV先增大后减小,则温度T先升高后降低,则分子平均动能先增大后减小,分子平均速率也先增大后减小,故A正确;根据理想气体状态方程得,可得TA=TB,所以由状态A到状态B,温度不变,内能不变,ΔU=0,从A到B体积变大,气体对外界做功,W<0,根据热力学第一定律知ΔU=W+Q,知Q>0,气体吸热且吸收的热量等于气体对外做的功,故B错误;在BC过程中,根据理想气体状态方程得,可得TB=4TC,所以气体的内能减小,故C错误;在C到A过程中体积不变,气体对外界不做功,故D正确;经过ABCA一个循环过程,气体的温度不变,内能不变,根据热力学第一定律,知ΔU=W+Q,气体对外做的功等于从外界吸收的热量,故E正确。所以A、D、E正确,B、C错误。
答案ADE
2.(2020河南开封模拟)某一理想气体,外界对其做了100
J的正功,同时理想气体又从外界吸收120
J的热量,则这个过程中气体的体积 (选填“增大”“不变”或“减小”),气体的压强 (选填“增大”“不变”或“减小”),气体的温度 (选填“升高”“不变”或“降低”),气体的内能 (选填“增大”或“减小”)了
J。?
解析外界对气体做了100
J的正功,一定是体积减小;由热力学第一定律得ΔU=W+Q=100
J+120
J=220
J,则气体内能增大了220
J;内能增加,温度升高,再根据理想气体状态方程=C,体积减小而温度升高,其压强一定增大。
答案减小 增大 升高 增大 220
3.(2020江苏一模)(1)下图为某同学设计的一个温度计,一金属球形容器上部有一开口的玻璃管,玻璃管内水银柱封闭着一定质量的理想气体,外界大气压保持不变,当水银柱缓慢上升时,容器内壁的单位面积上受到气体分子的平均作用力 (选填“增大”“不变”或“减小”),气体对外做功 (选填“大于”“等于”或“小于”)吸收的热量。?
(2)如果玻璃管内部横截面积为S,当外界热力学温度为T1时,空气柱长度为l1,现把容器浸在热力学温度为T2的热水中,空气柱长度变为l2,不计容器的热胀冷缩,试求该容器球形部分内部的容积V。
解析(1)封闭气体的压强p=p0+ρgh,压强不变,容器内壁的单位面积上受到气体分子的平均作用力不变;水银柱缓慢上升时,气体体积增大,气体对外界做功(W<0),根据理想气体状态方程=C,温度一定升高,内能增大(ΔU>0),再根据热力学第一定律ΔU=Q+W>0,即Q>-W>0,所以Q<|W|,即气体对外做功小于吸收的热量。
(2)气体初状态体积为V1=V+l1S,温度为T1,气体末状态体积为V2=V+l2S,温度为T2,气体等压变化,根据盖—吕萨克定律
代入数据解得V=。
答案(1)不变 小于 (2)
4.(2020山东模拟)为了方便监控高温锅炉外壁的温度变化,可在锅炉的外壁上镶嵌一个导热性能良好的汽缸,汽缸内封闭气体温度与锅炉外壁温度相等。如图所示,汽缸右壁的压力传感器与活塞通过轻弹簧连接,活塞左侧封闭气体可看作理想气体。已知大气压强为p0,活塞横截面积为S,不计活塞质量和厚度及与汽缸壁的摩擦。当锅炉外壁温度为T0时,活塞与汽缸左壁的间距为L,传感器的示数为0。温度缓慢升高到某一值时,传感器的示数为p0S,若弹簧的劲度系数为。
(1)求此时锅炉外壁的温度;
(2)若已知该过程汽缸内气体吸收的热量为Q,求气体内能的增加量。
解析(1)传感器的示数为p0S时,封闭气体的压强为p=p0+=2p0
活塞向右移动的距离为x==L
由理想气体状态方程
解得T=4T0。
(2)该过程气体对外做功为W=L=
根据热力学第一定律可得ΔU=Q-W=Q-。
答案(1)4T0 (2)Q-
