高中物理 第5章 热力学定律 第1节 热力学第一定律教学案 鲁科版选修3-3

第1节 热力学第一定律 1.做功和热传递是改变内能的两种方式，物体内能的增加量等于外界对物体做的功与物体从外界吸收的热量之和，即UQW。2热力学第一定律表明：在一切涉及热现象的宏观过程中，能量可以发生转移或转化，在转移或转化中总能量守恒。3第一类永动机违背热力学第一定律，是不可能实现的。热力学第一定律及其应用自读教材抓基础1改变物体内能的两种方式做功和热传递。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，物体的内能增加；物体对外做功，物体的内能减少。(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，它的内能增加；物体向外放出热量时，它的内能减少。3热力学第一定律(1)内容：物体内能的增加量U等于外界对物体所做的功W与物体从外界吸收的热量Q之和。(2)表达式：UWQ跟随名师解疑难1对UWQ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U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U、Q、W符号的规定符号WQU正号外界对物体做功物体吸收热量内能增加负号物体对外界做功物体放出热量内能减少3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、U)的正、负。(3)根据方程UWQ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。4判断气体做功正、负的方法(1)若气体体积增大，表明气体对外界做功，W0。5几种常见的气体变化过程(1)绝热过程：过程是绝热的，则Q0，WU，外界对气体做的功等于气体内能的增加。(2)等容过程：在该过程中气体不做功，即W0，则QU，气体吸收的热量等于气体内能的增加。(3)等温过程：在过程的始末状态，气体的内能不变，即U0，则WQ0或WQ，表示气体吸收的热量全部用来对外做功或外界对气体所做的功全部转换为热量放出。学后自检(小试身手)下列过程不可能发生的是()A物体吸收热量，对外做功，同时内能增加B物体吸收热量，对外做功，同时内能减少C外界对物体做功，同时物体吸热，内能减少D外界对物体做功，同时物体放热，内能增加解析：选C物体吸收热量Q0, 对外做功W0，由UWQ可知内能U可能增加，也可能减少，故A、B都可能发生；外界对物体做功W0，同时吸热Q0，则内能U必增大，故C不可能；外界对物体做功W0，同时放热Q0，U可能增加，也可能减少，D项可能，故选C。第一类永动机自读教材抓基础(1)定义：不用消耗任何能量而能永远对外做功的机器，称为第一类永动机。(2)第一类永动机不可能实现的原因是：违背了热力学第一定律。跟随名师解疑难(1)永动机模型：1718世纪，人们提出过许多永动机设计方案，有采用“螺旋汲水器”的，有利用轮子的惯性、水的浮力或毛细作用的，也有利用同名磁极之间的排斥作用的等。毫无例外，所有这类设计方案都以失败告终。(2)永动机的本质：认为能量能够无中生有地创造出来。(3)热力学第一定律也被表述为：第一类永动机是不可能实现的。学后自检(小试身手)第一类永动机是不可能制成的，这是因为()A不符合机械能守恒定律B违背了热力学第一定律C制造永动机的技术不过关D无法解决机械摩擦问题解析：选B第一类永动机违背了热力学第一定律，是不可能实现的，选项B正确。 对热力学第一定律的考查典题例析(1)一定量的气体从外界吸收了2.6105 J的热量，内能增加了4.2105 J，是气体对外界做了功，还是外界对气体做了功？做了多少功？(2)一定质量的气体，从外界吸收3.5105 J的热量，同时气体对外界做功2.3105 J，则气体的内能怎样变化？思路点拨(1)理解热力学第一定律，做功和热传递两种方式都可以改变内能。(2)弄清楚发生的物理过程中U、W、Q的符号。解析：(1)根据热力学第一定律表达式中的符号法则，知Q2.6105 J，U4.2105 J。由UWQ，则WUQ4.2105 J2.6105 J1.6105 J，W0，说明是外界对气体做了功。(2)Q3.5105 J，W2.3105 J，则UQW1.2105 J，U为正值，说明气体的内能增加1.2105 J。答案：(1)外界对气体做了功，1.6105 J(2)气体的内能增加1.2105 J探规寻律气体状态变化与物理量对应方法(1)绝热过程：气体与外界没有热传递。(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。跟踪演练(广东高考)景颇族祖先发明的点火器如图511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()图511A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压缩气体时，外界对气体做功，内能增加，温度升高，体积变小，压强增大，所以只有B正确。课堂双基落实 1.下列关于做功和热传递说法中正确的是()A做功和热传递的实质是相同的B做功和热传递在改变物体内能上是等效的C做功和热传递是对同一过程的两种说法D做功和热传递是不可能同时发生的解析：选B做功和热传递在改变物体内能上是等效的，但本质不同，做功是将其他形式的能转化为内能或将内能转化为其他形式的能量；热传递是将一个物体的内能传递给另一个物体或将内能从物体的一部分传递给另一部分，且做功和热传递可同时进行，故正确选项为B。2(多选)某物体温度升高了，这说明()A该物体一定吸收了热量B该物体可能放出了热量C外界对物体可能做了功D物体可能吸收了热量解析：选BCD由UQW来分析，物体温度升高了，一定有物体的内能增加，U0，要满足U0可能有多种情况：W0，Q0；W0，Q0；W0，Q0；W0，Q|Q|；W0，Q|W|。由否定选A；与选项B一致，与选项C一致；与选项D一致，故选项B、C、D正确。3(多选)(广东高考)用密封性好、充满气体的塑料袋包裹易碎品，如图512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()图512A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：选AC挤压充气袋，气体的体积减小，充气袋中气体的压强增大，外界对气体做正功，气体对外界做负功，由于袋内气体与外界没有热交换，根据热力学第一定律可知，气体内能增大，A、C项正确，B、D项错误。 4一定质量的气体从外界吸收了4.2105 J的热量，同时气体对外做了6105 J的功，问：(1)气体的内能是增加还是减少？变化量是多少？(2)分子势能是增加还是减少？(3)分子的平均动能是增加还是减少？解析：(1)气体从外界吸热为：Q4.2105 J外界对气体做功为W6105 J由热力学第一定律：UWQ6105 J4.2105 J1.8105 JU为负，说明气体的内能减少了。所以，气体内能减少了1.8105 J。(2)因为气体对外做功，所以气体的体积膨胀，分子间的距离增大了，分子力做负功，气体分子势能增加了。(3)因为气体内能减少，同时气体分子势能增加，说明气体分子的平均动能一定减少了。答案：(1)减少1.8105 J(2)增加(3)减少课下综合检测一、选择题 1.关于物体内能的变化，以下说法正确的是()A物体吸收热量，内能一定增大B物体对外做功，内能一定减小C物体吸收热量，同时对外做功，内能可能不变D物体放出热量，同时对外做功，内能可能不变解析：选C根据热力学第一定律UWQ，物体的内能的变化与外界对物体做功(或物体对外界做功)、物体从外界吸热(或向外界放热)这两个因素有关。物体吸收热量，但有可能同时对外做功，故内能有可能不变甚至减小，故A不正确；同理，物体对外做功的同时有可能吸热，故内能不一定减小，B项不正确；若物体吸收的热量与对外做的功大小相等，则内能不变，故C项正确；因放热和对外做功都会使物体内能减小，故D项不正确，故正确选项为C。2(多选)下列关于第一类永动机的说法正确的是()A第一类永动机是不消耗任何能量却能源源不断地对外做功的机器B第一类永动机不能制成的原因是违背了热力学第一定律C第一类永动机不能制成的原因是技术问题D第一类永动机终究有一天能够实现解析：选AB第一类永动机是不消耗任何能量却能源源不断对外做功的机器，这是人们的美好愿望，但它违背了热力学第一定律。这也是它不能制成的原因。故A、B两项正确，C、D两项错误。3(重庆高考)重庆出租车常以天然气作为燃料。加气站储气罐中天然气的温度随气温升高的过程中，若储气罐内气体体积及质量均不变，则罐内气体(可视为理想气体)()A压强增大，内能减小B吸收热量，内能增大C压强减小，分子平均动能增大D对外做功，分子平均动能减小解析：选B温度是分子平均动能的宏观标志，故天然气的温度升高过程中，分子平均动能增大，又天然气可视为理想气体，不需要考虑分子势能，而气体质量不变，气罐内天然气分子数不变，所以气体分子总动能增大，故内能增大，A、D项错；由热力学第一定律可知，气体体积不变，内能增大，则一定从外界吸收热量，B项对；天然气体积不变，随温度升高，气体压强增大，C项错。4密闭有空气的薄塑料瓶因降温而变扁，此过程中瓶内空气(不计分子势能)()A内能增大，放出热量B内能减小，吸收热量C内能增大，对外界做功D内能减小，外界对其做功解析：选D气体降温则内能减小，变扁则体积减小，外界对气体做功，由热力学第一定律UQW可知，气体一定放出热量。故选项D正确。5(多选)如图1所示，一绝热容器被隔板K隔开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()图1A气体对外界做功，内能减少B气体不做功，内能不变C气体压强变小，温度降低D气体压强变小，温度不变解析：选BD绝热容器内的稀薄气体与外界没有热交换，Q0。稀薄气体向真空中扩散没有做功，W0。根据热力学第一定律知稀薄气体的内能不变，则温度不变。稀薄气体体积增大，压强必减小。选项B、D正确。6.如图2所示是一定质量的理想气体从状态A经B至C的p 图线，则在此过程中()图2A气体的内能改变B气体的体积增大C气体向外界放热D气体对外界做功解析：选C由图线可知气体的温度不发生变化，故气体的内能不发生变化，A项错；由A经B至C的过程，体积变小，外界对气体做功，而温度不变则气体的内能不变，故气体要向外放热，B、D项错，C项正确。二、非选择题7一定质量的气体，在从一个状态变化到另一个状态的过程中，吸收热量280 J，并对外做功120 J，试问：(1)这些气体的内能发生了怎样的变化？(2)如果这些气体又返回原来的状态，并放出了240 J热量，那么在返回的过程中是气体对外界做功，还是外界对气体做功？做多少功？解析：(1)由热力学第一定律可得UWQ120 J280 J160 J。(2)由于气体的内能仅与状态有关，所以气体回到原来状态的过程中内能的变化应等于从原来状态到现在状态过程中内能的变化，则从现在状态到原来状态的内能应减少160 J。即U160 J，又Q240 J，根据热力学第一定律得：UWQ所以WUQ160 J(240 J)80 J即外界对气体做功