新教材人教版选择性3.2.热力学第一定律课件（40张）

2.热力学第一定律第三章内容索引0102课前篇自主预习课堂篇探究学习学习目标1.理解热力学第一定律,并掌握其表达式。(物理观念)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。(科学思维)思维导图课前篇自主预习必备知识1.改变内能的两种方式:做功与传热。联系:两者在改变系统内能方面是等效的,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,而传热只是不同物体(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(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热量与外界对它所做的功的和。(2)表达式:ΔU=Q+W。(3)符号法则:外界对系统做功时,W取正值;系统对外界做功时,W取负值。外界对系统传递的热量Q取正值,系统向外界传递的热量Q取负值。自我检测1.正误判断,判断结果为错误的小题请说明原因。(1)系统内能增加,一定是系统从外界吸收了热量。(

)答案

×解析

做功和传热都能改变系统内能,因此系统内能增加,可能是外界对系统做功,不一定是从外界吸收热量。(2)系统从外界吸收热量5J,内能可能增加5J。(

)答案

√(3)系统内能减少,一定是系统对外界做了功。(

)答案

×解析

做功和传热都能改变系统内能,因此系统内能减少,可能是系统向外界传热,不一定是系统对外界做功。(4)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。(

)答案

√(5)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。(

)答案

×解析

气体被压缩的过程,外界对气体做功使其内能增加;若气体同时向外放热,则内能又减小,二者总的效果可能使内能不变,不一定增大。(6)物体与外界不发生热交换,物体的内能也可能变化。(

)答案

√2.如图,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,内能增加答案

C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分子势能之和,体积增大,势能增大,可知分子平均动能减小,所以温度降低。3.如图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800J,同时气体向外界放热200J,则汽缸内气体的(

)A.温度升高,内能增加600JB.温度升高,内能减少200JC.温度降低,内能增加600JD.温度降低,内能减少200J答案

A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。课堂篇探究学习探究一热力学第一定律情境探究1.如图甲,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。知识归纳热力学第一定律1.意义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.表达式ΔU=W+Q,此式是标量式,应用时单位应统一为国际单位制中的焦耳(J)。3.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4.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)若过程的初、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)。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420J,同时做功300J,当气体从状态B经过程Ⅱ回到状态A时,做功200J,过程Ⅱ中气体吸收或放出的热量为(

)A.吸热80J B.吸热220JC.放热520J D.放热320J答案

D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。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。变式训练1(2020北京期末)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900J的功,同时汽缸向外散热200J,则汽缸中空气的内能(

)A.减少了1100J B.增加了1100JC.减少了700J D.增加了700J答案

D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。探究二热力学第一定律在理想气体状态变化中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,请在图像的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。知识归纳理想气体的功、传热与内能的变化1.理想气体做功的判断:当气体的体积始终增大(或减少)时,气体对外(或外界对气体)做功。2.理想气体做功的计算:(1)若气体发生等压膨胀(或压缩),则气体对外(或外界对气体)做功W=p·ΔV,ΔV为体积的变化量。(2)若气体发生等容变化,则气体对外(或外界对气体)做功W=0。

(3)若气体发生一般变化,则气体对外(或外界对气体)做功W的数值等于气体p-V图像与坐标轴所围图像的面积,如图中阴影面积所示。3.理想气体的内能:只有分子动能,因此一定质量的理想气体的内能只与温度有关,温度升高(或降低),内能增加(或减小);温度不变,内能不变。4.理想气体的传热:(1)气体吸热或放热不能根据温度的升高或降低判断,气体吸热或放热的多少也不能根据Q=cmΔt计算,应结合热力学第一定律判断。(2)气体在绝热过程中,Q=0。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。

(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联合①②③④解得ΔU=(mg+p0S)H。规律方法

热力学第一定律在理想气体状态变化的应用思路:(1)利用体积的变化分析做功情况:气体体积增大(或减小),气体对外界(外界对气体)做功;利用W=p·ΔV或p-V图像与坐标轴所围成的面积计算功的大小。(2)利用温度的变化分析内能的变化。一定质量的理想气体的内能温度升高(或降低),内能增加(或减小)。(3)利用热力学第一定律判断是吸热还是放热。由热力学第一定律ΔU=W+Q,则Q=ΔU-W,若已知气体的做功情况和内能的变化情况,即可判断气体状态变化是吸热过程还是放热过程。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=0.2m,活塞面积S=10cm2,封闭气体的压强p=5×104Pa,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=60J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.70J B.60J C.50J D.10J答案

C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。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8×104J的功,气体的内能减少了1.2×105J,则根据热力学第一定律,下列各式中正确的是(

)A.W=8×104J,ΔU=1.2×105J,Q=4×104JB.W=8×104J,ΔU=-1.2×105J,Q=-2×105JC.W=-8×104J,ΔU=1.2×105J,Q=2×104JD.W=-8×104J,ΔU=-1.2×105J,Q=-4×104J答案

B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。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=Q2C.W1=W2

D.Q1>Q2答案

A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