3.2热力学第一定律课件-2025-2026学年高二下学期物理人教版选择性必修第三册

第三章2.热力学第一定律学习目标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)基础落实·必备知识全过关重难探究·能力素养全提升目录索引

学以致用·随堂检测全达标基础落实·必备知识全过关一、热力学第一定律1.改变内能的两种方式做功与传热。两者在改变系统内能方面是

。

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

与外界对它

的和。

(2)表达式:

。

末状态的内能减去初状态的内能

等价的热量所做的功ΔU=Q+W二、热力学第一定律的应用对于公式ΔU=Q+W的理解:外界对系统做功,W取

;系统对外界做功,W取

。外界对系统传递的热量Q取

;系统向外界传递的热量Q取

。

正值负值正值负值情境链接某同学观察洒水车洒水的过程,发现洒水车的轮胎不断膨胀,这是为什么?轮胎内的气体是吸热还是放热?(假设轮胎内气体温度不变)提示

洒水车在缓慢洒水的过程中,轮胎内气体压强减小,所以气体膨胀,对外界做功,气体内能减小,但轮胎内气体温度不变,气体一定从外界吸热。易错辨析(1)系统内能增大,一定是系统从外界吸收了热量。(

)(2)系统从外界吸收5

J热量,内能可能增大5

J。(

)(3)气体被压缩的过程中,外界对气体做功,则气体内能一定增大。(

)(4)物体放出热量,外界对物体做功,物体的内能可能不变。(

)×√×√重难探究·能力素养全提升探究点一热力学第一定律导学探究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?提示

给汽缸加热,即向汽缸内传热,汽缸内气体的内能会增加;压缩气体,外界对气体做功,也会使汽缸内气体的内能增加。所以两种方式同时作用时,气体内能的变化比单一方式更明显。知识归纳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价的,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)。特别提示

当做功和传热同时发生时,物体的内能可能增加,也可能减小,还可能保持不变。典例剖析【例题1】

如图所示,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L,这段时间活塞对气体的压力逐渐增大,其做的功相当于2000N的恒力使活塞移动相同距离所做的功。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。(1)上述压缩过程中通过哪些方式改变了气体内能?(2)若上述的压缩过程中气体内能的变化量为175J,则活塞移动的距离L是多少?(3)燃烧后的高压气体对活塞做功,气体推动活塞移动的距离与活塞压缩气体的距离相等,其做功相当于恒力F使活塞移动相同距离所做的功,该做功过程气体内能变化了930J,气体传递给汽缸的热量为30J,则恒力F的大小是多少?答案

(1)做功和传热

(2)0.1m

(3)9000N解析

(1)压缩过程中通过做功和传热改变了气体内能。(2)活塞移动对气体做的功W1=F1L该过程气体放出的热量为Q1=25

J根据热力学第一定律可得ΔU1=W1-Q1代入数据可得L=0.1

m。(3)气体推动活塞过程中,气体对外界做功W2=FL根据热力学第一定律ΔU2=-W2-Q2=-930

J联立解得F=9

000

N。规律方法

应用热力学第一定律解题的方法(1)首先应明确研究对象是哪个物体或者是哪个热力学系统;(2)分别列出物体(或系统)吸收或放出的热量,外界对物体(或系统)所做的功或物体(或系统)对外界所做的功;(3)根据热力学第一定律ΔU=Q+W列出方程进行求解;(4)特别注意的就是物理量的正负号及其物理意义。对点演练1.一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700JD解析

内能增加量ΔU=W+Q,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。探究点二热力学第一定律在理想气体状态变化中的应用导学探究如图所示,在汽缸内活塞左边封闭着一定质量的空气,压强与大气压相同。把汽缸和活塞固定,使汽缸内空气升高一定的温度,空气吸收的热量为Q1。如果让活塞可以自由滑动(活塞与汽缸间无摩擦、不漏气),也使汽缸内空气温度升高相同温度,其吸收的热量为Q2。Q1和Q2哪个大些?为什么?提示

活塞与汽缸都固定不动时,气体的体积不变,没有做功过程发生,气体吸收的热量Q1全部用于增加气体的内能即ΔU=Q1。如果活塞可以自由滑动,温度升高,气体膨胀,会推动活塞向外运动,对外做功,当气体升高相同温度时,气体内能的增加量与前一个过程是相同的,也是Q1,根据热力学第一定律ΔU=Q1=W+Q2,由于W<0,所以Q2>Q1。知识归纳1.理想气体状态变化中做功正负的判断(1)若气体体积不变,则外界对气体做功为零,则W=0。(2)若气体体积增大,则外界对气体做负功,则W<0。(3)若气体体积减小,则外界对气体做正功,则W>0。2.两种情况中外界对气体做功大小的计算(1)汽缸模型中外界对气体做功的计算如图甲所示,已知活塞和汽缸中的封闭气体压强为p,活塞的横截面积为S,如果气体的温度缓慢升高,使活塞缓慢从离缸底ha处移动到hb处,则外界对气体做的功W=-pS(hb-ha)=-pSΔh=-pΔV;如果气体的温度缓慢降低,使活塞从离缸底hb处缓慢移动到ha处,则外界对气体做的功W=pS(hb-ha)=pSΔh=pΔV。(2)p-V图像中外界对气体做功的计算上述(1)汽缸模型中气体发生等压变化的p-V图像如图乙所示,根据(1)推导的结论可知此过程中p-V图像与横轴所围的面积表示外界对气体做功的绝对值,但是如果气体发生的不是等压变化,p-V图像如图丙所示,我们可以类比速度—时间图像推导位移的方法(微元法)得出不管p是否恒定,p-V图像与横轴所围的面积都表示外界对气体做功的绝对值。丙

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。典例剖析角度1热力学定律与汽缸综合【例题2】

(2025浙江丽水高二期中)如图所示,开口向右的绝热汽缸,用绝热光滑活塞封闭一定质量的理想气体,活塞横截面积为S。轻绳左端连接活塞,另一端跨过光滑定滑轮连接质量为m的小桶,小桶静止,气体处于状态1。现接通电热丝一段时间后断电,活塞缓慢向右移动L后静止,气体处于状态2,由状态1到状态2电热丝放出的热量为Q。重力加速度大小为g,外界大气压强p0不变。下列说法正确的是(

)A.状态2相比状态1,气体压强减小B.状态2相比状态1,气体压强增大C.由状态1到状态2,气体内能变化为ΔU=Q-(p0S-mg)LD.由状态1到状态2,气体内能变化为ΔU=Q-(p0S+mg)LC

对点演练B2.如图所示,内壁光滑的绝热汽缸固定在水平面上,其右端由于有挡板,厚度不计的绝热活塞不能离开汽缸,汽缸内封闭着一定质量的理想气体,活塞距汽缸右端的距离为0.2m。现对封闭气体加热,活塞缓慢移动,一段时间后停止加热,此时封闭气体的压强变为2×105Pa。已知活塞的横截面积为0.04m2,外部大气压强为1×105Pa,加热过程中封闭气体吸收的热量为2000J,则封闭气体的内能变化量为(

)A.400J

B.1200JC.2000J D.2800J解析

由题意可知,气体先等压变化,到活塞运动到挡板处再发生等容变化,等压变化过程气体对外做功,做功为W=-p0Sx=-1×105×0.04×0.2

J=-800

J,由热力学第一定律可知,封闭气体的内能变化量为ΔU=W+Q=(-800+2

000)

J=1

200

J,故B正确。角度2热力学第一定律与p-V图像综合【例题3】

一定质量的理想气体从状态A变化到状态B,再变化到状态C,其状态变化过程的p-V图像如图所示①,已知A→B过程放出热量Q,TA=TC②,则B→C过程气体吸收还是放出热量?热量是多少?教你析题

读取题干获取信息①A→B过程气体的体积不变B→C过程气体的压强不变,初、末状态的体积已知②状态A和状态C的内能相等教你破题

获取题干关键信息

状态A和状态C内能相等,A到B和B到C内能的变化量绝对值相等

A到B气体不做功,放出的热量已知

根据p-V图像与坐标轴所围的面积表示做功多少求得B到C气体对外做功多少根据热力学第一定律判断并求出B到C吸放热多少

答案

吸收热量

Q+p2(V2-V1)解析

A→B过程,气体的体积不变,气体不做功,由热力学第一定律得ΔUAB=-Q,B→C过程,气体的体积增大,气体对外做功,气体对外做的功为W=-p2(V2-V1),由热力学第一定律得ΔUBC=W+QBC,由于TA=TC,故ΔUBC=-ΔUAB,联立解得QBC=Q+p2(V2-V1)。对点演练3.(2025江苏无锡高二期中)某汽车的四冲程内燃机利用奥托循环进行工作,该循环由两个绝热过程和两个等容过程组成。如图为一定质量的理想气体所经历的奥托循环,则该气体(

)A.在状态a和c时的内能可能相等B.c→d过程减小的内能小于a→b过程增加的内能C.b→c过程中增加的内能小于d→a过程中减少的内能D.在一次循环过程中吸收的热量大于放出的热量D解析

c→d为绝热过程,体积变大,对外做功,则内能减小,温度降低;d→a过程中,体积不变,压强减小,温度降低,即状态c温度高于状态a,即在状态a和c时的内能不可能相等,故A错误。c→d过程减小的内能等于气体对外做的功,大小等于cd图线与坐标轴围成的面积;同理从a到b增加的内能等于图像ab与坐标轴围成的面积,则c→d过程减小的内能大于a→b过程增加的内能,故B错误。b→c过程系统从外界吸收热量,c→d过程系统对外做功,d→a过程系统放出热量,a→b过程外界对系统做功,根据p-V图像“面积“即为气体做功大小可知道过程中气体对外界做功,图像中b→c→d→a围成的图形的面积为气体对外界做的功,整个过程气体内能变化为零,则Q吸>Q放,即在一次循环过程中吸收的热量大于放出的热量,则b→c过程中增加的内能大于d→a过程中减少的内能,故C错误,D正确。学以致用·随堂检测全达标1234ABD1.(热力学第一定律)(多选)下列过程可能发生的是(

)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1234B2