浙江專版2023-2024學(xué)年新教材高中物理第3章熱力學(xué)定律2熱力學(xué)第一定律課件新人教版選擇性必修第三冊(cè)

2熱力學(xué)第一定律課前·基礎(chǔ)認(rèn)知課堂·重難突破素養(yǎng)·目標(biāo)定位隨堂訓(xùn)練模型方法·素養(yǎng)提升素養(yǎng)?目標(biāo)定位目標(biāo)素養(yǎng)1.理解熱力學(xué)第一定律及其表達(dá)式。2.學(xué)會(huì)運(yùn)用熱力學(xué)第一定律解釋自然界能量的轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)移問(wèn)題。3.能利用熱力學(xué)第一定律進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。知識(shí)概覽課前·基礎(chǔ)認(rèn)知一、熱力學(xué)第一定律1.改變內(nèi)能的兩種方式。做功與熱傳遞。兩者在改變系統(tǒng)內(nèi)能方面是

等效

的。

2.熱力學(xué)第一定律。(1)內(nèi)容:一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)能變化量等于外界向它傳遞的熱量與外界對(duì)它所做的功的和。(2)表達(dá)式:

ΔU=Q+W

。

微思考

物體的內(nèi)能不變,能否說(shuō)明外界既沒(méi)有對(duì)物體做功,也沒(méi)有發(fā)生熱傳遞?提示:不能。可能是外界對(duì)物體做的功等于物體放出的熱量(或物體吸收的熱量等于物體對(duì)外界做的功)。二、

熱力學(xué)第一定律的應(yīng)用1.對(duì)公式ΔU=Q+W符號(hào)的規(guī)定。2.應(yīng)用熱力學(xué)第一定律解題的一般步驟。(1)首先應(yīng)明確研究對(duì)象是哪個(gè)物體(或系統(tǒng))。(2)分別列出物體(或系統(tǒng))吸收或放出的熱量,外界對(duì)物體(或系統(tǒng))所做的功或物體(或系統(tǒng))對(duì)外所做的功。(3)根據(jù)熱力學(xué)第一定律ΔU=Q+W列出方程進(jìn)行求解。(4)再根據(jù)未知量結(jié)果的正負(fù)來(lái)確定吸放熱情況、做功情況或內(nèi)能變化情況。微判斷

(1)系統(tǒng)內(nèi)能增加,一定是系統(tǒng)從外界吸收了熱量。(

)(2)系統(tǒng)從外界吸收熱量5J,內(nèi)能可能增加5J。(

)(3)系統(tǒng)內(nèi)能減少,一定是系統(tǒng)對(duì)外界做了功。(

)(4)氣體被壓縮的過(guò)程中,外界對(duì)氣體做功,則氣體內(nèi)能一定增加。(

)(5)物體與外界不發(fā)生熱交換,物體的內(nèi)能也可能變化。(

)×√××√課堂·重難突破重難歸納1.熱力學(xué)第一定律的理解。熱力學(xué)第一定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式也適用于物體對(duì)外做功、向外界散熱和內(nèi)能減少的情況,因此為了區(qū)別以上兩種情況,在應(yīng)用ΔU=Q+W進(jìn)行計(jì)算時(shí),應(yīng)注意它們的正、負(fù)號(hào)。(1)外界對(duì)系統(tǒng)做功,W>0,即W為正值;系統(tǒng)對(duì)外界做功,也就是外界對(duì)系統(tǒng)做負(fù)功,W<0,即W為負(fù)值。熱力學(xué)第一定律的理解及應(yīng)用(2)外界對(duì)系統(tǒng)傳遞熱量,也就是系統(tǒng)從外界吸收熱量,Q>0,即Q為正值;外界從系統(tǒng)吸收熱量,也就是系統(tǒng)向外界放出熱量,Q<0,即Q為負(fù)值。(3)系統(tǒng)內(nèi)能增加,ΔU>0,即ΔU為正值;系統(tǒng)內(nèi)能減少,ΔU<0,即ΔU為負(fù)值。2.熱力學(xué)第一定律的幾種典型應(yīng)用。(1)若過(guò)程是絕熱的,即Q=0,則W=ΔU,外界對(duì)物體做的功等于物體內(nèi)能的增加量。(2)若過(guò)程中不做功,即W=0,則Q=ΔU,物體吸收的熱量等于物體內(nèi)能的增加量。(3)若過(guò)程中物體的始、末內(nèi)能不變,即ΔU=0,則W+Q=0或W=-Q,外界對(duì)物體做的功等于物體放出的熱量。如圖所示,消防車停于水平地面,在緩慢放水的過(guò)程中,若車胎不漏氣且胎內(nèi)氣體溫度不變,不計(jì)分子間的勢(shì)能,試分析氣體的吸、放熱情況。提示:由于車胎內(nèi)氣體溫度不變,故氣體分子的平均動(dòng)能不變,內(nèi)能不變。放水過(guò)程中氣體體積增大,對(duì)外做功,由熱力學(xué)第一定律可知,車胎內(nèi)氣體吸熱。典例剖析1.(多選)如圖所示,質(zhì)量為m的活塞將一定質(zhì)量的理想氣體封閉在汽缸內(nèi),活塞與汽缸之間無(wú)摩擦,a狀態(tài)是汽缸放在冰水混合物中氣體達(dá)到的平衡狀態(tài),在活塞上加一質(zhì)量為m的砝碼,經(jīng)過(guò)Ⅰ過(guò)程達(dá)到b平衡狀態(tài),再將汽缸從容器中移出后,經(jīng)過(guò)過(guò)程Ⅱ在室溫(27℃)中達(dá)到c平衡狀態(tài),已知大氣壓強(qiáng)保持不變。下列說(shuō)法正確的是(

)A.過(guò)程Ⅰ中理想氣體從外界吸收熱量B.過(guò)程Ⅱ中理想氣體從外界吸收熱量C.c狀態(tài)與a狀態(tài)相比,c狀態(tài)的氣體對(duì)活塞的作用力較大D.理想氣體在b狀態(tài)的內(nèi)能大于在a狀態(tài)的內(nèi)能答案:BC解析:過(guò)程Ⅰ中外界對(duì)氣體做功,即W>0,溫度不變,內(nèi)能不變,即ΔU=0,根據(jù)熱力學(xué)第一定律ΔU=Q+W,可得Q<0,所以理想氣體放出熱量,故A錯(cuò)誤;過(guò)程Ⅱ中理想氣體對(duì)外做功,即W<0,從0

℃的環(huán)境中移到室溫(27

℃)中,溫度升高,內(nèi)能增大,即ΔU>0,根據(jù)熱力學(xué)第一定律ΔU=Q+W,可得Q>0,所以理想氣體從外界吸收熱量,故B正確;根據(jù)平衡條件得p0S+mg=pS,可知c狀態(tài)氣體的壓強(qiáng)大于a狀態(tài)氣體的壓強(qiáng),所以c狀態(tài)的氣體對(duì)活塞的作用力較大,故C正確;理想氣體在b狀態(tài)的溫度等于在a狀態(tài)的溫度,根據(jù)理想氣體的內(nèi)能只與溫度和分子個(gè)數(shù)有關(guān),所以理想氣體在b狀態(tài)的內(nèi)能等于在a狀態(tài)的內(nèi)能,故D錯(cuò)誤。2.一定質(zhì)量的氣體從外界吸收了4.2×105J的熱量,同時(shí)氣體對(duì)外做了6×105J的功。(1)物體的內(nèi)能是增加還是減少?變化量是多少?(2)分子勢(shì)能是增加還是減少?(3)分子的平均動(dòng)能是增加還是減少?答案:(1)減少

1.8×105J

(2)增加

(3)減少解析:(1)氣體從外界吸收的熱量為Q=4.2×105

J氣體對(duì)外做功W=-6×105

J由熱力學(xué)第一定律得ΔU=W+Q=(-6×105

J)+4.2×105

J=-1.8×105

JΔU為負(fù),說(shuō)明氣體的內(nèi)能減少了,氣體內(nèi)能減少了1.8×105

J。(2)因?yàn)闅怏w對(duì)外做功,所以氣體的體積膨脹,分子間的距離增大了,分子力做負(fù)功,氣體分子勢(shì)能增加了。(3)因?yàn)闅怏w內(nèi)能減少,同時(shí)氣體分子勢(shì)能增加,所以氣體分子的平均動(dòng)能一定減少了。特別提醒1.當(dāng)做功和熱傳遞同時(shí)發(fā)生時(shí),物體的內(nèi)能可能增加,也可能減小,還可能保持不變。

2.物體內(nèi)能發(fā)生變化可能是由做功引起的,也可能是由熱傳遞引起的,還可能是兩者共同作用的結(jié)果。學(xué)以致用(多選)一定量的理想氣體從狀態(tài)a開(kāi)始,經(jīng)歷三個(gè)過(guò)程ab、bc、ca回到原狀態(tài),其p-T圖像如圖所示。下列判斷正確的是(

)A.過(guò)程ab中氣體一定吸熱B.過(guò)程bc中氣體既不吸熱也不放熱C.過(guò)程ca中外界對(duì)氣體所做的功等于氣體所放的熱D.a、b和c三個(gè)狀態(tài)中,狀態(tài)a分子的平均動(dòng)能最小AD解析:由p-T圖像可知過(guò)程ab是等容變化,溫度升高,內(nèi)能增加,體積不變,由熱力學(xué)第一定律可知過(guò)程ab一定吸熱,選項(xiàng)A正確;過(guò)程bc溫度不變,即內(nèi)能不變,由于過(guò)程bc體積增大,所以氣體對(duì)外做功,由熱力學(xué)第一定律可知,氣體一定吸收熱量,選項(xiàng)B錯(cuò)誤;過(guò)程ca壓強(qiáng)不變,溫度降低,內(nèi)能減少,體積減小,外界對(duì)氣體做功,由熱力學(xué)第一定律可知,放出的熱量一定大于外界對(duì)氣體做的功,選項(xiàng)C錯(cuò)誤;溫度是分子平均動(dòng)能的標(biāo)志,由p-T圖像可知,a狀態(tài)氣體溫度最低,則平均動(dòng)能最小,選項(xiàng)D正確。模型方法?素養(yǎng)提升熱力學(xué)第一定律在理想氣體狀態(tài)變化中的應(yīng)用——科學(xué)思維培養(yǎng)方法歸納1.理想氣體狀態(tài)變化的幾種特殊情況。(1)絕熱過(guò)程:Q=0,則ΔU=W,系統(tǒng)內(nèi)能的增加(或減少)量等于外界對(duì)系統(tǒng)(或系統(tǒng)對(duì)外界)做的功。(2)等容過(guò)程:W=0,則ΔU=Q,物體內(nèi)能的增加(或減少)量等于系統(tǒng)從外界吸收(或系統(tǒng)向外界放出)的熱量。(3)等溫過(guò)程:一定質(zhì)量理想氣體的內(nèi)能不變,即ΔU=0,則W=-Q(或Q=-W),外界對(duì)系統(tǒng)做的功等于系統(tǒng)放出的熱量(或系統(tǒng)吸收的熱量等于系統(tǒng)對(duì)外界做的功)。2.判斷氣體是否做功的方法。一般情況下看氣體的體積是否變化。(1)若氣體體積增大,表明氣體對(duì)外界做功,W<0。(2)若氣體體積減小,表明外界對(duì)氣體做功,W>0。3.熱力學(xué)第一定律與理想氣體狀態(tài)方程結(jié)合問(wèn)題的分析思路。(1)利用體積的變化分析做功情況。氣體體積增大,氣體對(duì)外界做功;氣體體積減小,外界對(duì)氣體做功。(2)利用溫度的變化分析理想氣體內(nèi)能的變化。一定質(zhì)量的理想氣體的內(nèi)能僅與溫度有關(guān),溫度升高,內(nèi)能增加;溫度降低,內(nèi)能減少。(3)利用熱力學(xué)第一定律判斷是吸熱還是放熱。由熱力學(xué)第一定律ΔU=W+Q,則Q=ΔU-W,若已知?dú)怏w的做功情況和內(nèi)能的變化情況,即可判斷氣體狀態(tài)變化是吸熱過(guò)程還是放熱過(guò)程。如圖所示,用隔板將一絕熱汽缸分成兩部分,隔板左側(cè)充有理想氣體,隔板右側(cè)與絕熱活塞之間是真空。現(xiàn)將隔板抽開(kāi),氣體會(huì)自發(fā)擴(kuò)散至整個(gè)汽缸。待氣體達(dá)到穩(wěn)定后,緩慢推壓活塞,將氣體壓回到原來(lái)的體積。假設(shè)整個(gè)系統(tǒng)不漏氣。說(shuō)明該部分氣體在自由擴(kuò)散和被壓縮過(guò)程中,氣體對(duì)外做功和內(nèi)能變化的情況。提示:氣體向真空膨脹時(shí)不受阻礙,氣體不對(duì)外做功,氣體被壓縮的過(guò)程中,氣體對(duì)外界做負(fù)功。氣體向真空膨脹時(shí)不受阻礙,氣體不對(duì)外做功,由于汽缸是絕熱的,沒(méi)有熱交換,所以氣體擴(kuò)散后內(nèi)能不變,氣體被壓縮的過(guò)程中,氣體對(duì)外做負(fù)功,且沒(méi)有熱交換,根據(jù)熱力學(xué)第一定律,氣體的內(nèi)能增大。典例剖析一定質(zhì)量的理想氣體,狀態(tài)在A→B→C→D→A過(guò)程中的變化可用如圖所示的p-V圖線描述,其中DA為等溫線,氣體在狀態(tài)A時(shí)溫度為TA=300K。(1)求氣體在狀態(tài)C時(shí)的溫度TC。(2)若氣體在A→B過(guò)程中吸熱1000J,則在A→B過(guò)程中氣體內(nèi)能如何變化?變化了多少?答案:(1)375K

(2)氣體內(nèi)能增加了400J解析:(1)DA為等溫線,則TD=TA=300

K(2)氣體由A到B為等壓變化,則W=-pΔV=-2×105×3×10-3

J=-600

J由熱力學(xué)第一定律得ΔU=Q+W=1

000

J-600

J=400

J氣體內(nèi)能增加了400

J。規(guī)律總結(jié)熱力學(xué)第一定律與理想氣體狀態(tài)方程結(jié)合問(wèn)題要做好兩類分析。學(xué)以致用(多選)如圖所示,由導(dǎo)熱材料制成的汽缸和活塞將一定質(zhì)量的理想氣體封閉在汽缸內(nèi),活塞與汽缸壁之間無(wú)摩擦,活塞上方存有少量液體。將一細(xì)管插入液體,由于虹吸現(xiàn)象,活塞上方液體逐漸流出。在此過(guò)程中,大氣壓強(qiáng)與外界的溫度保持不變。關(guān)于這一過(guò)程,下列說(shuō)法正確的是(

)A.汽缸內(nèi)氣體的內(nèi)能保持不變B.汽缸內(nèi)氣體的內(nèi)能不斷減小C.氣體對(duì)外界做的功大于氣體從外界吸收的熱量D.氣體對(duì)外界做的功等于氣體從外界吸收的熱量AD解析:被封閉氣體溫度不變,故汽缸內(nèi)氣體的內(nèi)能保持不變,選項(xiàng)A正確,B錯(cuò)誤;溫度不變,內(nèi)能不變,體積增大,對(duì)外做功,根據(jù)ΔU=W+Q,可知?dú)怏w對(duì)外界做的功等于氣體從外界吸收的熱量,選項(xiàng)D正確,C錯(cuò)誤。隨堂訓(xùn)練1.關(guān)于熱力學(xué)定律,下列說(shuō)法正確的是(

)A.氣體吸熱后溫度一定升高B.對(duì)氣體做功,氣體內(nèi)能一定發(fā)生改變C.理想氣體等壓膨脹過(guò)程一定放熱D.如果兩個(gè)系統(tǒng)分別與狀態(tài)確定的第三個(gè)系統(tǒng)達(dá)到熱平衡,那么這兩個(gè)系統(tǒng)彼此之間也必定達(dá)到熱平衡答案:D解析:氣體吸收熱量,同時(shí)對(duì)外做功,如二者相等,則內(nèi)能可能不變,所以氣體吸熱后溫度不一定升高,選項(xiàng)A錯(cuò)誤;做功和熱傳遞都能改變內(nèi)能,若對(duì)氣體做功,氣體同時(shí)釋放熱量,則內(nèi)能可能不變,選項(xiàng)B錯(cuò)誤;根據(jù)理想氣體的狀態(tài)方程可知,理想氣體等壓膨脹過(guò)程中壓強(qiáng)不變,體積增大,則氣體的溫度一定升高,所以氣體的內(nèi)能增大,吸收熱量,選項(xiàng)C錯(cuò)誤;根據(jù)熱平衡定律可知,如果兩個(gè)系統(tǒng)分別與狀態(tài)確定的第三個(gè)系統(tǒng)達(dá)到熱平衡,那么這兩個(gè)系統(tǒng)彼此之間也必定達(dá)到熱平衡,選項(xiàng)D正確。2.若某種理想氣體初態(tài)時(shí)具有200J內(nèi)能,膨脹過(guò)程中對(duì)外做功50J,同時(shí)吸收了30J的熱量。則氣體末狀態(tài)的內(nèi)能為(

)A.280J B.230J C.220J D.180J答案:D解析:根據(jù)熱力學(xué)第一定律可知U2=U1+W+Q=200

J-50

J+30

J=180

J,故選項(xiàng)D正確,A、B、C錯(cuò)誤。3.一定質(zhì)量的理想氣體(不計(jì)分子勢(shì)能),可能發(fā)生的過(guò)程是(

)A.氣體等溫壓縮,氣體內(nèi)能增大B.氣體等容放熱,氣體壓強(qiáng)減小C.氣體等容吸熱,氣體溫度不變D.氣體等溫膨脹,氣體內(nèi)能減少答案:B解析:氣體等溫壓縮,溫度不變,則氣體內(nèi)能不變,選項(xiàng)A錯(cuò)誤;氣體等容放熱,則W=0,Q<0,根據(jù)ΔU=W+Q,則ΔU<0,溫度降低,根據(jù)

=C可知,氣體壓強(qiáng)減小,選項(xiàng)B正確;氣體等容吸熱,則W=0,Q>0,根據(jù)ΔU=W+Q,則ΔU>0,溫度升高,選項(xiàng)C錯(cuò)誤;氣體等溫膨脹,溫度不變,則氣體內(nèi)能不變,選項(xiàng)D錯(cuò)誤。4.(多選)一封閉容器中裝有一定質(zhì)量的理想氣體,當(dāng)