物理粤教版选修3-3学案第三章第二节热力学第一定律

第二节热力学第一定律1．理解热力学第一定律的内容及物理意义．2．会用热力学第一定律分析、解释有关的物理问题．2011年11月17日19时30分左右，神舟八号飞船返回舱成功着陆．在其进入大气层的一段时间内，我们通过画面看到它是一个大火球，据报道当时温度高达1600℃.你知道它为什么能达到这么高的温提示：返回舱冲进大气层时，由于速度很快，返回舱与大气剧烈摩擦做功，产生热量使返回舱温度高达1600℃一、理想气体的特点1．理想气体的微观模型忽略了分子之间的作用力，忽略了分子势能，所以理想气体的内能等于分子热运动的动能总和．2．理想气体的内能只跟温度和物质的量有关，与体积无关．二、物体内能及热力学第一定律1．改变内能的方式：做功和热传递．2．功和内能的关系：若物体不存在热传递，当外界对它做功时，它的内能增加，关系式为W＝ΔU；若物体对外做功，则W＜0，ΔU＜0，表明内能减少．3．热传递和内能的关系：若物体既不对外做功，外界对物体也不做功，当物体从外界吸收热量Q时，它的内能增加，关系式为Q＝ΔU；若物体向外放出热量，则Q＜0，ΔU＜0，表明内能减少．4．热力学第一定律物体与外界之间同时存在做功和热传递的过程，物体内能的增加量ΔU与外界对物体做的功W、物体从外界吸收的热量Q的关系为：ΔU＝W＋Q.思考：下列现象中能量是怎样转化的？(1)水电站发电时，水轮机被水流冲击转动，带动发电机发电,(2)利用地热发电.提示：(1)机械能转化为电能,(2)热能转化为电能.一、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，此定律应用时各量的单位应统一．2．公式ΔU＝Q＋W中的有关问题符号WQΔU＋外界对物体做功物体吸收热量内能增加－物体对外界做功物体放出热量内能减少需要注意的是：一般情况下外界对物体做不做功，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)若物体体积变小，表明外界对物体做功，W＞0.3．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.二、热力学第一定律在理想气体中的应用1．理想气体状态变化过程中，存在着能量的转化与转移，应用热力学第一定律解决理想气体状态变化过程中的能量转换问题时要明确：(1)一定质量的理想气体的内能只与温度有关．(2)一般情况下外界对理想气体做功与否，要看气体的体积是否变化，体积不变，则W＝0.(3)若理想气体在状态变化过程中是绝热的，则Q＝0.2．应用热力学第一定律解题的一般步骤(1)根据符号法则写出各已知量(W、Q、ΔU)的正、负．(2)根据方程ΔU＝W＋Q求出未知量．(3)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．(1)若热力学过程中系统内能不变，即ΔU＝0，W＋Q＝0，外界对系统做的功等于系统放出的热量，或者系统对外界做的功等于系统吸收的热量．(2)对理想气体，其内能不考虑分子势能，即只与分子数及分子的平均动能有关，根据温度是分子平均动能的标志可知，依据理想气体温度的变化即可确定其内能总值的变化情况．类型一绝热过程中内能变化【例题1】一定质量的气体经历一缓慢的绝热膨胀过程，设气体分子间的势能可忽略，则在此过程中()A．外界对气体做功，气体分子的平均动能增加B．外界对气体做功，气体分子的平均动能减少C．气体对外界做功，气体分子的平均动能增加D．气体对外界做功，气体分子的平均动能减少解析：绝热过程是指气体膨胀过程未发生热传递，膨胀过程气体体积增大，外界对气体做的功W＜0，由ΔU＝U2－U1＝W可知，ΔU＜0，气体内能减少．由于气体分子间的势能忽略，故气体分子的平均动能减少．故D项正确．答案：D触类旁通：(1)若理想气体在绝热过程中对外做功，则气体内能怎样变化？(2)若理想气体在等容过程中吸收热量，则气体内能怎样变化？答案：(1)若理想气体在绝热过程中对外做功，则外界对系统做功W＜0，由ΔU＝W得ΔU＜0，则内能一定减少．(2)若理想气体在等容过程中吸收热量，则Q＞0，由ΔU＝Q得ΔU＞0，则内能一定增加．类型二热力学定律的应用【例题2】分别以p、V、T表示气体的压强、体积、温度．一定质量的理想气体，其初始状态表示为(p0、V0、T0)，若分别经历如下两种变化过程：①从(p0、V0、T0)变为(p1、V1、T1)的过程中，温度保持不变(T1＝T0)；②从(p0、V0、T0)变为(p2、V2、T2)的过程中，既不吸热，也不放热．在上述两种变化过程中，如果V1＝V2＞V0，则()A．p1＞p2，T1＞T2B．p1＞p2，T1＜T2C．p1＜p2，T1＜T2D．p0＜p2，T1＞T2解析：气体状态从(p0、V0、T0)变为(p2、V2、T2)的过程中，既不吸热，也不放热，则Q＝0，由于V2＞V0，气体膨胀对外做功，则W＜0，由热力学第一定律可知，其内能减少，则T0＞T2，由于T0＝T1，故T1＞T2；由理想气体状态方程，两个变化过程分别满足p0V0＝p1V1①②已知V1＝V2③由①②③联立得：p2T0＝p1T2，因为T0＞T2，所以p2＜p1，A选项正确．答案：A题后反思：(1)理想气体的内能完全由温度决定．(2)注意应用分析状态参量的变化．1对一定量的气体，下列说法中正确的是()A．在体积缓慢地不断增大的过程中，气体一定对外界做功B．在压强不断增大的过程中，外界对气体一定做功C．在体积不断被压缩的过程中，内能一定增加D．在与外界没有发生热量交换的过程中，内能一定不变解析：只有当气体体积变化时，才存在做功，当气体膨胀时气体对外界做功，当气体被压缩时，外界对气体做功，由此可知选项A正确，B错误；由热力学第一定律ΔU＝W＋Q可知，ΔU、W、Q相联系，由此可知选项C、D错误．答案：A2关于物体的内能及其变化，下列说法中正确的是()A．物体与外界发生热传递，物体的内能必定改变B．物体对外做功，其内能不一定改变；向物体传递热量，其内能也不一定改变C．对物体做功，其内能必定改变；物体向外传递一定热量，其内能一定改变D．若物体与外界不发生热交换，则物体的内能必定不改变解析：由热力学第一定律ΔU＝Q＋W可知，改变物体的内能取决于Q、W两个因素，故选项B正确．答案：B3一定质量的理想气体，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－W1B．Q1＝Q2C．W1＝W2D．Q1＞Q2解析：因为该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，所以内能没有变化，ΔU＝0，根据热力学第一定律可得W1－W2＋Q1－Q2＝ΔU＝0，Q1－Q2＝W2－W1，故选项A正确．答案：A4绝热过程中，外界压缩气体做功20J，下列说法中正确的是()A．气体内能一定增加20JB．气体内能增加必定小于20JC．气体内能增加可能小于20JD．气体内能可能不变解析：绝热过程中，做功的过程是能量转化的过程，做了多少功，就有多少内能发生了变化．答案：A5一个透热良好的汽缸，缸壁浸在盛水的容器中，迅速下压活塞，压缩中对气体做了2