《热力学第一定律》课件

第三章热力学定律3.2热力学第一定律目录CONTENTS1

学习目标2

新课导入3

新课讲解4

课堂小结5

典例分析当堂小练61．进一步掌握能的转化和守恒定律，并了解能的转化和守恒定律的意义。2．运用公式△U＝W＋Q分析有关问题并具体进行计算。学习目标

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？新课导入

另一方面也向我们表明，为了改变系统的状态，做功和传热这两种方法是等价的。也就是说，一定数量的功与确定数量的热相对应。一方面表明，以不同的方式对系统做功时，只要系统始末两个状态是确定的，做功的数量就是确定的；焦耳的实验ΔU=W单纯地对系统做功做功：单纯地对系统传热：△U＝Q当外界既对系统做功又对系统传热时，内能的变化量就应该是：△U＝Q+W一、热力学第一定律△U＝Q+W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。热力学第一定律ΔU

：物体内能的增加量W：

外界对物体做的功Q：

物体吸收的热量物理意义：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。ΔU=U2-U1新课讲解一定质量的气体，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220J。二、热力学第一定律的应用1、确定研究对象。2、正确选取正、负号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，则下列各式正确的是（）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解析：B

因为外界对气体做功，W取正值，即W＝8×104J；气体内能减少，ΔU取负值，即ΔU＝－1.2×105J；根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，可知Q＝ΔU－W＝－1.2×105J－8×104J＝－2×105J，B选项正确.气体状态变化的几种特殊情况(1)绝热过程：Q＝0，则ΔU＝W，系统内能的增加(或减少)量等于外界对系统(或物体对外界)做的功．(2)等容过程：W＝0，则ΔU＝Q，物体内能的增加量(或减少量)等于系统从外界吸收(或系统向外界放出)的热量．(3)等温过程：始末状态一定质量理想气体的内能不变，即ΔU＝0，则W＝－Q(或Q＝－W)，外界对系统做的功等于系统放出的热量(或系统吸收的热量等于系统对外界做的功)．判断气体是否做功的方法一般情况下看气体的体积是否变化．①若气体体积增大，表明气体对外界做功，W<0.②若气体体积减小，表明外界对气体做功，W>0.气体状态变化过程中的做功问题PVVaVb气体等压变化对外界做功P-V图下方(与坐标轴所围的面积)的“面积”

表示做功多少。W=PΔV非等压变化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放热情况、做功情况或内能变化情况．气体实验定律和热力学第一定律的综合应用热力学第一定律与理想气体状态方程结合问题的分析思路：(1)利用体积的变化分析做功情况．气体体积增大，气体对外界做功；气体体积减小，外界对气体做功．(2)利用温度的变化分析理想气体内能的变化．一定质量的理想气体的内能仅与温度有关，温度升高，内能增加；温度降低，内能减小．(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。课堂小结如图，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。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。典例分析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：

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=-930J【例题2】某汽车的四冲程内燃机利用奥托循环进行工作，该循环可视为由两个绝热过程和两个等容过程组成如图所示为一定质量的理想气体所经历的奥托循环，则该气体（）A.在a→b的过程中，外界对其做的功全部用于增加内能B.在状态a和c时气体分子的平均动能可能相等C.在b→c的过程中，气体温度不变D.在一次循环过程中气体吸收的热量小于放出的热量Aa→b过程为绝热压缩过程，外界对其做正功，根据热力学第一定律，外界对其做的功全部用于增加内能，故A正确；由A的分析可知，状态b的温度比a的温度高，由状态b到c的过程是等容过程，压强增大，温度升高，所以c状态的温度大于a状态的温度，故气体分子的平均动能不可能相等，故BC错误；在b→c的过程中，气体吸收热量，从c→d是绝热过程，气体对外做功，从d→a是等容过程，温度降低，气体放热，在一次循环过程中，气体内能变化为零，而图像中abcd的面积为气体对外做功，所以气体吸收的热量大于放出的热量，故D错误。解析：【例题3】气闸舱是载人航天器中供航天员进入太空或由太空返回用的气密性装置，其原理图如图所示。座舱A与气闸舱B之间装有阀门K，座舱A中充满空气，气闸舱B内为真空。航天员从太空返回气闸舱时，打开阀门K，A中的气体进入B中，最终达到平衡。假设此过程中系统与外界没有热交换，舱内气体可视为理想气体，下列说法正确的是（）A.气体并没有对外做功，气体内能不变B.气体温度不变，体积增大，压强减小C.气体体积膨胀，对外做功，内能减小D.气体体积变大，气体分子单位时间对气缸壁单位面积碰撞的次数将变少ABD

气体自由扩散，没有对外做功，又因为整个系统与外界没有热交换，根据热力学第一定律可知内能不变，故A正确；因为内能不变，故温度不变，平均动能不变，因为B闸舱内为真空，对于座舱A中充满的空气，根据玻意耳定律可知，扩散后压强减小，体积增大，所以气体的密集程度减小，根据气体压强的微观意义可知，气体分子单位时间对气缸壁单位面积碰撞的次数将变少，故C、D正确。解析：学以致用·随堂检测全达标1.(多选)下列关于能量转化现象的说法中，正确的是(

)A．用太阳灶烧水是光能转化为内能B．电灯发光是电能转化为光能C．煤燃烧是内能转化为化学能D．风车发电是风的动能转化为电能答案：ABD解析：用太阳灶烧水是光能转化为内能，A正确；电灯发光是电能转化为光能，B正确；煤燃烧是化学能转化为内能，C错误；风车发电是风的动能转化为电能，D正确．2.如图所示是密闭的汽缸，外力推动活塞P压缩气体(可视为理想气体)，对缸内气体做功800J，同时气体向外界放热200J，则缸内气体的(

)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：对一定质量的理想气体，由热力学第一定律ΔU＝W＋Q可知，ΔU＝800J＋(－200J)＝600J，ΔU为正，表示内能增加了600J，对一定质量的理想气体来说，内能等于所有分子动能的和，内能增加，则气体分子的平均动能增加，温度升高，A正确．3.(多选)约翰·维尔金斯设计了一种磁力“永动机”，如图所示，在斜坡顶上放一块强有力的磁铁，斜坡上端有一个小孔，斜面下有一个连接小孔直至底端的弯曲轨道．维尔金斯认为：如果在斜坡底端放一个小铁球，那么由于磁铁的吸引，小铁球就会向上运动，当小球运动到小孔P处时，它就要掉下，再沿着斜面下的弯曲轨道返回斜坡底端Q，由于有速度而可以对外做功，然后又被磁铁吸引回上端，到小孔P处又掉下．关于维尔金斯“永动机”，正确的认识应该是(

)A.一定不可能实现B．如果忽略斜面的摩擦，维尔金斯“永动机”一定可以实现C．如果忽略斜面的摩擦，铁球质量较小，磁铁磁性又较强，则维尔金斯“永动机”可以实现D．违背了能量守恒定律答案：AD解析：维尔金斯“永动机”不可能实现，因为它违背了能量守恒定律．小球上升过程中，磁场力对小球做正功，使小球增加了机械能；但小球下落时，同样也受到磁场力，而且磁场力做负功，这个负功与上升过程的正功相互抵消，可