人教版（2019）高中物理 选择性必修第三册 第3章 第2节　热力学第一定律课件 25张PPT

第2节　热力学第一定律
核心
素养
物理观念
科学思维
1.理解热力学第一定律，并掌握其表达式。
2.掌握热力学第一定律的简单应用。
体会热力学第一定律的建立过程。
知识点一　热力学第一定律
[观图助学]
如图所示，快速推动活塞对汽缸内气体做功10 J，气体内能改变了10 J，若保持气体体积不变，外界对汽缸传递10 J的热量，气体内能也改变了10 J。
提出问题　为了改变系统的状态，是否可以说一定数量的功与确定的热量相对应？
1.改变内能的两种方法：做功与______。两者在改变系统内能方面是______的。
2.热力学第一定律
(1)内容：一个热力学系统的内能变化量等于外界向它传递的______与外界对它__________的和。
(2)数学表达式：ΔU＝________。
传热
等效
热量
所做的功
Q＋W
[思考判断]
(1)系统从外界吸收热量5 J，内能可能增加5 J。( )
(2)物体吸收热量，内能一定增大。( )
(3)物体对外做功，内能一定减少。( )
√
×
×
知识点二　热力学第一定律的应用
1.由ΔU＝U2－U1知，当系统内能增加时，ΔU取______，内能减少时，ΔU取______。
2.外界对系统做功时，W取______；而系统对外界做功时，W取______。
3.外界向系统传递的热量Q取______；而系统向外界传递的热量Q就取______。
正值
负值
正值
负值
正值
负值
[思考判断]
(1)体积膨胀的物体，其内能一定减少。( )
(2)物体吸收热量，同时对外做功，内能可能不变。( )
(3)物体放出热量，同时对外做功，内能可能不变。( )
×
√
×
[观察探究]
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，气体是对外做功，还是外界对气体做功？温度计的示数如何变化？
核心要点
对热力学第一定律的理解
答案　气体对外做功，即W<0，由于胶塞迅速冲出，可认为该过程为绝热过程，即Q＝0，由ΔU＝W＋Q知，ΔU<0，即气体内能减少，故温度计示数减小。
[探究归纳]
1.对热力学第一定律的理解
(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过程是等效的，而且给出了内能的变化量和做功与传热之间的定量关系。
(2)定律的表达式ΔU＝Q＋W是标量式。
(3)应用时各量的单位应统一为国际单位焦耳。
2.公式ΔU＝Q＋W中符号的规定
符号
W
Q
ΔU
＋
外界对系统做功
系统吸收热量
内能增加
－
系统对外界做功
系统放出热量
内能减少
3.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。
[试题案例]
[例1] 如图是封闭的汽缸，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
温馨提示　求解此题应注意以下三点：(1)内能的变化ΔU用ΔU＝Q＋W求解；(2)根据ΔU的正负判断内能的增减；(3)根据内能的变化判断温度的变化。
[针对训练1] 一定量的气体从外界吸收了2.6×105 J的热量，内能增加了4.2×105 J。
(1)是气体对外界做了功，还是外界对气体做了功？做了多少焦耳的功？
(2)如果气体吸收的热量仍为2.6×105 J不变，但是内能增加了1.6×105 J，计算结果W＝－1.0×105 J，是负值，怎样解释这个结果？
(3)在热力学第一定律ΔU＝Q＋W中，W、Q和ΔU的正值、负值各代表什么物理意义？
解析　(1)由热力学第一定律：如果物体跟外界同时发生做功和传热的过程，那么，外界对物体所做功W加上物体从外界吸收的热量Q等于物体内能的增加ΔU，
即ΔU＝W＋Q
将Q＝2.6×105 J，ΔU＝4.2×105 J代入上式得：
W＝ΔU－Q＝4.2×105 J－2.6×105 J＝1.6×105 J
W>0，说明外界对气体做了1.6×105 J的功。
(2)如果吸收的热量Q＝2.6×105 J，内能ΔU增加了1.6×105 J，计算结果为W＝－1.0×105 J，说明气体对外界做功。
(3)在公式ΔU＝Q＋W中，ΔU>0，物体内能增加；ΔU<0，物体内能减少。Q>0，物体吸热；Q<0，物体放热。W>0，外界对物体做功；W<0，物体对外界做功。
答案　(1)外界对气体做了1.6×105 J的功。
(2)说明气体对外界做功。
(3)在公式ΔU＝Q＋W中，ΔU>0，物体内能增加；ΔU<0，物体内能减少。Q>0，物体吸热；Q<0，物体放热。W>0，外界对物体做功；W<0，物体对外界做功。
[要点归纳]
1.热力学第一定律是将单纯的绝热过程(Q＝0)和单纯的传热过程(W＝0)中内能改变的定量表达推广到一般情况，既有做功又有传热的过程，其中ΔU表示内能改变的数量，W表示做功的数量，Q表示外界与物体间传递的能量。
核心要点
热力学第一定律的应用
2.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。
3.热力学第一定律在内燃机工作和大气热力变化过程中有重要的应用。
[试题案例]
[例2] 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(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。
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。
解析　(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
答案　(1)汽缸内气体在压缩过程中内能增加了175 J
(2)在膨胀做功过程中气体内能减少了930 J。
方法总结　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)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)特别应注意的就是物理量的正负号及其物理意义。
[针对训练2] 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