热力学第一定律课件

第1节

热力学第一定律第三章热力学定律

问题：在空气压缩引火仪底部放置少量的硝化棉，迅速压下筒中的活塞，会有什么现象？你能解释这个现象吗？解释：当迅速压下活塞时，活塞压缩筒内空气做功，使筒内空气的内能增大，温度升高，达到硝化棉的燃点使其燃烧。结论：做功可以改变物体的内能。

19世纪30年代，人们逐渐认识到，为了使系统的热力学状态发生变化，既可以向它传热，也可以对它做功。

从1840年开始，英国物理学家焦耳进行了多种多样的实验，以求精确测定外界对系统做功和传热对于系统状态的影响，以及功与热的相互关系。这项研究工作为热力学第一定律和能量守恒定律的建立奠定了坚实的实验基础焦耳

焦耳测量了热与机械功之间的当量关系——热功当量，为热力学第一定律和能量守恒定律的建立奠定了实验基础。焦耳的实验1818年12月24日生于英国曼彻斯特，起初研究电学和磁学。1840年在英国皇家学会上宣布了电流通过导体产生热量的定律，即焦耳定律。绝热过程系统只通过对外界做功或外界对它做功而与外界交换能量，它不从外界吸热，也不向外界放热，这样的过程叫做绝热过程。焦耳实验是一个需要在绝热过程中完成的实验

焦耳的实验焦耳的代表性实验一：焦耳热功当量实验装置—机械功

重物下落带动叶片搅拌容器中的水，引起水温上升

实验结论：

只要重力所做的功相同，容器内水温上升的数值都是相同的，即系统内能的变化是相同的。

焦耳的实验焦耳的代表性实验二：焦耳热功当量实验装置—电功

实验结论：对同一个系统，如果过程是绝热的，只要所做的电功相等，则系统温度上升的数值是相同的，即系统的内能的变化是相同的。

焦耳的实验汽缸内有一定质量的气体，压缩气体的同时给汽缸加热。那么，气体内能的变化会比单一方式（做功或传热）更明显。这是为什么呢？改变内能的两种方式做功W热传递Q对内对外吸热放热内能增加内能增加内能减少内能减少（外界对物体做功）（物体对外界做功）（物体从外界吸热）（物体对外界放热）

做功和热传递都可以改变物体的内能，二者是等效的。那么，做功和热传递有什么区别？做功的实质是内能与其他形式的能之间的转化；热传递的实质是不同物体（或同一物体不同部分）之间内能的转移。若一个物体不与外界发生热传递（绝热），它的内能变化等于什么？若一个物体，外界对其没有做功（无功），它的内能变化等于什么？综上，若一个物体既与外界发生热传递，同时外界又对其做功，它的内能变化等于什么？ΔU=WΔU=QΔU=Q+W1、内容：一个热力学系统的内能变化量（增量）等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的和.2、物理意义：热力学第一定律不仅反映了做功与传热在改变系统内能方面是等效的，而且给出了功、热量跟系统内能改变之间的定量关系.3、表达式：ΔU：物体内能的增加量

W：

外界对物体做的功

Q：

物体吸收的热量

ΔU＝W+Q4、推广：上式也适用于物体对外做功、向外界散热和内能减少的情况。但要注意各量的符号.热力学第一定律典例：一定质量的气体，膨胀过程中是外界对气体做功还是气体对外界做功?如果膨胀时气体对外做的功是135J，同时向外放热85J，气体内能的变化量是多少?内能是增加了还是减少了?请你通过这个例子总结功和热量取正、负值的物理意义。解析：膨胀过程中气体对外界做功系统对外做功：W=-135J系统向外放热：Q=-85J根据热力学第一定律：ΔU=W+Q代入得：ΔU=-135+（-85）=-220J内能减少了220J5、定律中各量的正、负号及含义ΔU=W+Q

物理量符号意义符号意义W＋－Q＋－ΔU＋－外界对物体做功物体对外界做功物体吸收热量物体放出热量内能增加内能减少热力学第一定律6、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)。ΔU=W+Q

热力学第一定律理想气体内能的判断理想气体：在任何温度、任何压强下都遵从气体实验定律的气体。1、忽略分子势能，只有分子动能2、内能看温度，做功看体积ΔU＝W+Q3、温度不变，理想气体内能不变△U=04、气体体积减小→外界对气体做功W＞05、气体积增大→气体对外界做功W＜0【例1】如图所示，密封在容器内的理想气体在保持压强p不变的情况下，体积从V1膨胀到V2，气体向外推动活塞。请问气体的内能变化情况是什么样的呢？首先，理想气体的内能只与温度有关，与体积无关。气体发生等压变化，由盖-吕萨克定律：

可得，气体体积增大，温度升高，内能变大。又由热力学第一定律：

可得，气体体积增大，对外界做功，W小于0；内能变大，ΔU大于0；所以Q必须大于0，气体从外界吸收热量，一部分用来增加内能，另一部分转化为对外所做的功。++➖【例2】如图所示，某同学将空的玻璃瓶开口向下缓缓压入水中。设水温均匀且恒定，瓶内空气无泄漏，不计空气分子间的相互作用，则被淹没的玻璃瓶在下降的过程中，气体是吸热还是放热，为什么？解：在玻璃瓶下降的过程中，瓶内气体的压强随着水深度变大而变大，气体温度不变，体积减少。由玻意耳定律：

可得，气体内能不变，ΔU等于0。压强变大，体积减少，外界对气体做功，W大于0，由热力学第一定律：

可得，Q小于0，气体对外界放出热量，且放出热量Q与外界做功W相等。+➖0【例3】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0.1m，这段过程活塞对气体的压力逐渐增大，其做的功相当于2×103N的恒力使活塞移动相同距离所做的功（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25J。⑴求上述压缩过程中气体内能的变化量。①确定研究对象：汽缸中的气体。（1）压缩过程活塞（外界）对气体（系统）做功，W是正值：W1=F1l1=2×10²×0.1J=200J系统向外放热：Q=-25J气体内能的变化量：ΔU1=W1＋Q1=200J-25J=175J③正确选取W与Q的正负。②明确气体状态变化过程。分析：解析：

【例3】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0.1m，这段过程活塞对气体的压力逐渐增大，其做的功相当于2×103N的恒力使活塞移动相同距离所做的功（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25J。⑵燃烧后的高压气体对活塞做功，气体推动活塞移动0.1m，其做的功相当于9×103N的恒力使活塞移动相同距离所做的功（图乙），该做功过程气体传递给汽缸的热量为30J，求此做功过程气体内能的变化量。①确定研究对象：汽缸中的气体。③正确选取W与Q的正负。②明确气体状态变化过程。分析：解析：

（2）气体膨胀过程中气体（系统）对外界所做功，W是负值：W2=F2L2=-9×10²×0.1J=-900J系统向外放热：Q=-30J气体内能的变化量：ΔU2=W2＋Q2=-900J-30J=-930J1、恒温水槽中的气泡缓慢上升的过程中（）A．压强增加，外界对气泡做功，气泡对外放热B．压强增加，气泡对外做功，气泡从外界吸热C．压强减小，外界对气泡做功，气泡对外放热D．压强减小，气泡对外做功，气泡从外界吸热D随堂巩固2、采用涡轮增压技术可提高汽车发动机效率。将涡轮增压简化为以下两个过程，一定质量的理想气体首先经过绝热过程被压缩，然后经过等压过程回到初始温度，则（

）A．绝热过程中，气体分子平均动能增加

B．绝热过程中，外界对气体做负功C．等压过程中，外界对气体做正功

D．等压过程中，气体内能不变3、(2017·全国卷Ⅱ)如图，用隔板将一绝热汽缸分成两部分，隔板左侧充有理想气体，隔板右侧与绝热活塞之间是真空。现将隔板抽开，气体会自发扩散至整个汽缸。待气体达到稳定后，缓慢推压活塞，将气体压回到原来的体积。假设整个系统不漏气。下列说法正确的是(

)A．气体自发扩散前后内能相同B．气体在被压缩的过程中内能增大C．在自发扩散过程中，气体对外界做功D．气体在被压缩的过程中，外界对气体做功E．气体在被压缩的过程中，气体分子的平均动能不变4、如图所示，一个内壁光滑的圆柱形汽缸，高度为L、底面积为S，缸内有一个质量为m的活塞，封闭了一定质量的理想气体。温度为热力学温标T0时，用绳子系住汽缸底，将汽缸倒过来悬挂起来，汽缸处于竖直状态，缸内气体高为L0。已知重力加速度为g，大气压强为p0，不计活塞厚度及活塞与缸体的摩擦，求：(1)采用缓慢升温的方法使活塞与汽缸脱离，缸内气体的温度至少要升高到多少？(2)从开始升温到活塞刚要脱离汽缸，缸内气体压力对活塞做功多少？(3)当活塞刚要脱离汽缸时，缸内气体的内能增加量为ΔU，则气体在活塞下移的过程中吸收的热量为多少？热力学第一定律表述：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数学表达式：ΔU=Q+W定律中各量的正、负号及含义

W=0，则ΔU=Q

Q

=0，则ΔU=WΔU=0，则W=-

Q

5、如图，一封闭着理想气体的绝热汽缸置于水平地面上，用轻弹簧连接的两绝热活塞将汽缸分为f、g、h三部分，活塞与汽缸壁间没有摩擦。初始时弹簧处于原长，三部分中气体的温度、体积、压强均相等。现通过电阻丝对f中的气体缓慢加热，停止加热并达到稳定后（）

A．h中的气体内能增加 B．f与g中的气体温度相等C．f与h中的气体温度相等 D．f与h中的气体压强相等6、如图，一竖直放置的汽缸上端开口，汽缸壁内有卡口a和b，a、b间距为h，a距缸底的高度为H；活塞只能在a、b间移动，其下方密封有一定质量的理想气体。已知活塞质量为m，面积为S，厚度可忽略；活塞和汽缸壁均绝热，不计它们之间的摩擦。开始时活塞处于静止状态，上、下方气体压强均为p0，温度均为T0。现用电热丝缓慢加热汽缸中的气体，直至活塞刚好到达b处。求此时汽缸内气体的温度以及在此过程中气体对外所做的功。（重力加速度大小为g）7、如图所示，一定质量的理想气体由a状态变化到b状态，下列说法正确的有(

)A．外界对气体做功B．气体对外界做功C．气体向外界放热D．气体从外界吸热BD

[由图可看出从a到b气体体积增大温度升高，内能增大，气体对外界做功，气体从外界吸收热量，故B、D正确．]√√8、(2017·全国卷Ⅲ)如图，一定质量的理想气体从状态a出发，经过等容过程ab到达状态b，再经过等温过程bc到达状态c，最后经等压过程ca回到初态a。下列说法正确的是(

)A．在过程ab中气体的内能增加B．在过程ca中外界对气体做功C．在过程ab中气体对外界做功D．在过程bc中气体从外界吸收热量E．在过程ca中气体从外界吸收热量

10、如图所示，一定质量的理想气体分别经历a→b和a→c两个过程，其中a→b为等温过程，状态b、c的体积相同，则（）A．状态a的内能大于状态b B．状态a的温度高于状态cC．a→c过程中气体吸收热量 D．a→c过程中外界对气体做正功11、一定质量的理想气体由状态a变为状态c，其过程如p—V图中a→c直线段所示，状态b对应该线段的中点。下列说法正确的是（

）A．a→b是等温过程B．a→b过程中气体吸热C．a→c过程中状态b的温度最低D．a→c过程中外界对气体做正功12、一定量的理想气体从状态a经状态b变化到状态c，其过程如T-V图上的两条线段所示，则气体在（