资源简介

(共36张PPT)
2　热力学第一定律
素养·目标定位
目标素养
1.理解热力学第一定律及其表达式
2.学会运用热力学第一定律解释自然界能量的转化、转移问题
3.能利用热力学第一定律进行相关计算
知识概览
课前·基础认知
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　等效　的。
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热量与外界对它所做的功的和。
(2)表达式:　ΔU=Q+W　。
微思考 物体的内能不变,能否说明外界既没有对物体做功,也没有发生传热
提示:不能。可能是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)。
二、 热力学第一定律的应用
1.对公式ΔU=Q+W符号的规定。
2.应用热力学第一定律解题的一般步骤。
(1)首先应明确研究对象是哪个物体(或系统)。
(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)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。
微判断 (1)系统内能增加,一定是系统从外界吸收了热量。
(　　)
(2)系统从外界吸收热量5 J,内能可能增加5 J。(　　)
(3)系统内能减少,一定是系统对外界做了功。(　　)
(4)气体被压缩的过程中,外界对气体做功,则气体内能一定增加。(　　)
(5)物体与外界不发生传热,物体的内能也可能变化。(　　)
×
√
×
×
√
课堂·重难突破
一 对热力学第一定律的理解及应用
问题探究
如图所示,一定质量的理想气体由a状态变化到b状态,请在图像基础上思考以下问题:
(1)在变化过程中是气体对外界
做功,还是外界对气体做功
(2)在变化过程中气体吸热,还
是向外放热 气体内能增加了,
还是减少了
提示:(1)由题图可知,气体的变化为等压膨胀,是气体对外界做功。
(2)由日常经验可知,理想气体在等压膨胀过程中需要从外界吸收热量。由盖-吕萨克定律可知,理想气体在等压膨胀过程中温度升高,内能增加。
归纳总结
1.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: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)。
2.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。
3.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。
典型例题
【例1】 一定量的气体从外界吸收了2.6×105 J的热量,内能增加了4.2×105 J。
(1)是气体对外界做了功,还是外界对气体做了功 做了多少焦耳的功
(2)如果气体吸收的热量仍为2.6×105 J不变,但是内能增加了1.6×105 J,计算结果W=-1.0×105 J,是负值,怎样解释这个结果
(3)在热力学第一定律ΔU=Q+W中,W、Q和ΔU的正值、负值各代表什么物理意义
答案:(1)外界对气体做了功　1.6×105 J　(2)(3)见解析
解析:依据热力学第一定律分析该类问题,同时应明确热力学第一定律所描述的过程及各物理量的含义。
(1)由热力学第一定律知ΔU=W+Q,将Q=2.6×105 J, ΔU=4.2×105 J代入上式,解得W=ΔU-Q=4.2×105 J-2.6×105 J =1.6×105 J,W>0,说明外界对气体做了1.6×105 J的功。
(2)如果吸收的热量为Q=2.6×105 J,内能ΔU增加了1.6×105 J,计算结果为W=-1.0×105 J,说明气体对外界做功1.0×105 J。
(3)在公式ΔU=Q+W中,ΔU>0,物体内能增加;ΔU<0,物体内能减少。Q>0,物体吸热;Q<0,物体放热。W>0,外界对物体做功;W<0,物体对外界做功。
二 热力学第一定律和气体实验定律的综合应用
问题探究
爆米花酥脆可口,是许多人喜爱的休闲零食。中国老式高压爆米花机如图所示,那“嘭”的一声巨响,是许多人童年的有趣记忆。玉米在铁质的密闭容器内被加热,封闭气体被加热成高温高压气体,当打开容器盖后,气体迅速膨胀,压强急剧减小,玉米粒就“爆炸”成了爆米花。思考以下问题:
(1)若加热前温度为27 ℃,大气压为p0,密闭容器打开前的气体压强达到4p0。试分析打开容器前气体的温度。
(2)假定在一次打开的过程中,容器内气体膨胀对外界做功15 kJ,并向外释放了20 kJ的热量,容器内原有气体的内能如何变化 变化了多少
解得T2=1 200 K,则t2=927 ℃,
即打开容器前气体的温度为927 ℃。
(2)由热力学第一定律ΔU=Q+W,
得ΔU=-20 kJ-15 kJ=-35 kJ,故内能减少35 kJ。
归纳总结
1.对理想气体应用热力学第一定律。
(1)对于理想气体来说,因不考虑分子势能,故其内能为所有分子动能的总和(即等于分子数与分子热运动的平均动能的乘积)。内能仅由分子数与温度决定,因此对于一定质量的理想气体来说,内能是否变化取决于其温度是否变化。升温,ΔU为正;降温,ΔU为负;温度不变,ΔU=0。
(2)理想气体是否做功,取决于其体积的变化。体积变大,则气体对外界做功;体积变小,则外界对气体做功;体积不变,则做功为零。
(3)外界对理想气体做功或理想气体对外界做功时,若恒压膨胀,即压强不变时,功的计算公式为W=pΔV(p为理想气体的压强、ΔV为理想气体体积的变化量)。
2.理想气体与热力学第一定律综合问题的解法。
成 果 验 收 站
1.(多选)下列过程可能发生的是(　　)
A.物体吸收热量,同时对外做功,内能增加
B.物体吸收热量,同时对外做功,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
答案:ABD
解析:当物体吸收的热量多于物体对外做的功时,物体的内能就增加,选项A正确。当物体吸收的热量少于物体对外做的功时,物体的内能就减少,选项B正确。外界对物体做功,同时物体吸热,则物体的内能一定增加,选项C错误。当物体放出的热量少于外界对物体做的功时,物体的内能增加,选项D正确。
2.如图所示,现用活塞压缩封闭在汽缸里的空气,对空气做了90 J的功,同时空气向外散热21 J,关于汽缸里空气的内能变化情况,下列说法正确的是(　　)
A.内能增加90 J B.内能增加69 J
C.内能减小111 J D.内能减少21 J
答案:B
解析:根据题意,由热力学第一定律ΔU=Q+W可得,汽缸里空气内能的变化为ΔU=-21 J+90 J=69 J,即汽缸里空气的内能增加了69 J。
3.(多选)(2024·海南卷)一定质量的理想气体从状态a开始经ab、bc、ca三个过程回到原状态。已知ab垂直于T轴,bc延长线过O点,下列说法正确的是(　　)
A.bc过程外界对气体做功
B.ca过程气体压强不变
C.ab过程气体放出热量
D.ca过程气体内能减小
答案:AC
4.(多选)如图所示,一定质量的理想气体从状态A依次经过状态B、C和D后再回到状态A。其中,A→B和C→D为等温过程,B→C和D→A为绝热过程(气体与外界无热量交换),这就是著名的“卡诺循环”。
该循环过程中,下列说法正确的是(　　)
A.A→B过程中,外界对气体做功
B.B→C过程中,气体的温度降低
C.C→D过程中,气体要放热
D.一个循环过程,气体内能不变
答案:BCD
解析:由题中p-V图像可知,在A→B过程中,体积增大,气体对外界做功,选项A错误;在B→C过程中,气体体积增大,故气体对外界做功,由于是绝热过程,没有热交换,根据热力学第一定律ΔU=W+Q知,气体内能减少,温度降低,选项B正确;C→D过程中,温度不变,气体内能不变,ΔU=0,体积减小,外界对气体做功,根据热力学第一定律ΔU=W+Q,知Q<0,气体放热,选项C正确;一个循环过程,气体又回到初始状态,根据理想气体状态方程
=C,气体pV的乘积不变,故气体的温度T不变,故气体内能不变,选项D正确。
5.(2025·云南八省联考)如图所示,一导热性能良好的圆柱形金属汽缸竖直放置。用活塞封闭一定量的气体(可视为理想气体)、活塞可无摩擦上下移动且汽缸不漏气。初始时活塞静止,其到汽缸底部距离为h。环境温度保持不变,将一质量为m0的物体轻放到活塞上,经过足够长的时间,活塞再次静止。已知活塞质量为m、横截面积为S,大气压强为p0,重力加速度大小为g,忽略活塞厚度。
(3)由于过程中温度保持不变,因此该过程缸内气体内能的变化量为ΔU=0,根据能量守恒定律可知整个过程外界对其所做的功等于活塞和物体减少的重力势能,故可得外界对其所做的功为W=(m0+m)gΔh+p0SΔh=m0gh。

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