高中物理粤教版 (2019)选择性必修 第三册第三章 热力学定律第一节 热力学第一定律学案

这是一份高中物理粤教版 (2019)选择性必修 第三册第三章 热力学定律第一节 热力学第一定律学案，共11页。
[学习目标] 1.掌握物体内能的概念，知道分子动能与分子势能的影响因素.2.知道做功和热传递是改变物体内能的两种方式，理解做功和热传递对改变物体内能是等效的.3.理解热力学第一定律，并会用于分析和计算．
一、物体的内能
1．分子势能：分子间具有由它们的相对位置决定的势能．
2．内能：物体中所有分子的动能和分子势能的总和．
3．内能的影响因素：物体的内能跟物体的温度和体积都有关系．
二、改变物体内能的两种方式
1．做功和热传递是改变物体内能的两种方式，二者对于改变物体的内能来说是等效的．
2．热量：热传递过程中物体内能变化的量．
三、热力学第一定律及其应用
1．热力学第一定律：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．热力学第一定律的表达式：ΔU＝Q＋W.
3．热力学第一定律的应用：
(1)W的正负：外界对系统做功时，W取正值；系统对外界做功时，W取负值．(均选填“正”或“负”)
(2)Q的正负：外界对系统传递热量时，Q取正值；系统向外界传递热量时，Q取负值．(均选填“正”或“负”)
1．判断下列说法的正误．
(1)分子的势能是由分子间相对位置决定的能量，随分子间距的变化而变化．( √ )
(2)温度高的物体内能大．( × )
(3)做功和热传递都可以改变物体的内能，从效果上是等效的．( √ )
(4)热量一定从内能多的物体传递给内能少的物体．( × )
(5)外界对系统做功，系统的内能一定增加．( × )
(6)系统内能增加，一定是系统从外界吸收了热量．( × )
2．一定质量的气体从外界吸收了50 J的热量，同时对外做功100 J，则物体的内能________(填“增加”或“减少”)________ J.
答案 减少 50
一、物体的内能
导学探究
(1)结合影响分子动能和分子势能的因素，从微观和宏观角度讨论影响内能的因素有哪些？
(2)物体的内能随机械能的变化而变化吗？内能可以为零吗？
答案 (1)微观上：物体的内能取决于物体所含分子的总数、分子的平均动能和分子间的距离．
宏观上：物体的内能取决于物体的物质的量、温度、体积及物态．
(2)物体的机械能变化时其温度和体积不一定变化，因此其内能不一定变化，两者之间没有必然联系．组成物体的分子在做永不停息的无规则运动，因此物体的内能不可能为零．
知识深化
1．内能的决定因素
(1)宏观因素：物体内能的大小由物质的量、温度和体积三个因素决定，同时也受物态变化的影响．
(2)微观因素：物体内能的大小由物体所含的分子总数、分子热运动的平均动能和分子间的距离三个因素决定．
2．内能和机械能的区别与联系
3.物态变化对内能的影响
一些物质在物态发生变化时，如冰的熔化、水在沸腾时变为水蒸气，温度不变，此过程中分子的平均动能不变，由于分子间的距离变化，分子势能变化，所以物体的内能变化．
下列关于物体内能的说法正确的是( )
A．一个分子的动能和分子势能的总和叫作该分子的内能
B．物体中所有分子热运动动能和分子势能的总和叫作物体的内能
C．当一个物体的机械能发生变化时，其内能也一定发生变化
D．温度高的物体一定比温度低的物体内能大
答案 B
解析 内能是物体中所有分子热运动动能与分子势能的总和，A错误，B正确；机械能与内能是两种不同形式的能，物体的机械能发生变化，内能不一定变化，C错误；温度高的物体比温度低的物体的分子平均动能大，但内能不一定大，D错误．
二、改变物体内能的两种方式
导学探究
1．“摩擦生热”说明什么？
答案 做功可以改变物体的内能．
2．温度高的物体与温度低的物体接触，最终二者温度相同，这又说明了什么？
答案 热传递可以改变物体的内能．
知识深化
1．做功与内能变化的关系
(1)做功改变物体内能的过程是其他形式的能(如机械能)与内能相互转化的过程．
(2)在绝热过程中，外界对物体做功，则W>0，外界对物体做多少功，就有多少其他形式的能转化为内能，物体的内能就增加多少；物体对外界做功，则W0，体积增大，即W0，即气泡内的气体吸热，故B正确，C错误．
12.(1)某同学做了一个小实验：先把空的烧瓶放入冰箱冷冻，一小时后取出烧瓶，并迅速把一个气球紧密地套在瓶颈上，然后将烧瓶放进盛满热水的烧杯里，气球逐渐膨胀起来，如图6所示．这是因为烧瓶里的气体吸收了水的____________，温度____________，体积________．
图6
(2)若只对一定质量的理想气体做1 500 J的功，可使其温度升高5 K．若改成只用热传递的方式，使气体温度同样升高5 K，那么气体吸收________ J的热量．如果对该气体做了2 000 J的功，使其温度升高了5 K，表明在该过程中，气体还________(选填“吸收”或“放出”)________J的热量．
答案 (1)热量 升高 增大 (2)1 500 放出 500
解析 (1)烧瓶内的气体要从热水中吸收热量，温度升高，体积增大．
(2)做功和热传递都可以改变物体的内能，且是等效的．
13．(2020·河北衡水中学高三月考)如图7甲所示，导热性能良好的圆柱形气缸放在水平地面上，开口向上，用横截面积为S的活塞封闭一定质量的理想气体，活塞到气缸
底部的距离为h，此时环境温度为T0(热力学温度)．已知大气压强恒为p0，活塞的质量为m＝eq \f(p0S,g)，现将一质量也为m的重物轻放在活塞上，同时缓慢升高环境温度，活塞静止后到气缸底部的距离为eq \f(3,4)h(如图乙所示)，该过程气体从外界吸收的热量为Q.重力加速度为g，不计活塞与气缸之间的摩擦，求：
图7
(1)最终气体的热力学温度T；
(2)上述过程中气体内能的变化量ΔU.
答案 (1)eq \f(9,8)T0 (2)Q＋eq \f(3,4)p0Sh
解析 (1)题图甲中，气缸内气体的压强p1＝p0＋eq \f(mg,S)＝2p0
题图乙中，气缸内气体的压强p2＝p0＋eq \f(2mg,S)＝3p0
由理想气体状态方程得eq \f(p1hS,T0)＝eq \f(p2S·\f(3,4)h,T)
联立解得T＝eq \f(9,8)T0.
(2)上述过程中外界对气体做功为
W＝(p0S＋2mg)(h－eq \f(3,4)h)＝eq \f(3,4)p0Sh
由热力学第一定律知ΔU＝Q＋W
联立解得ΔU＝Q＋eq \f(3,4)p0Sh.内能
机械能
对应的运动形式
微观分子热运动
宏观物体机械运动
常见的能量形式
分子动能、分子势能
物体动能、重力势能、弹性势能
影响因素
物质的量、物体的温度、体积及物态
物体的质量、机械运动的速度、相对于零势能面的高度、弹性形变量
大小
永远不等于零
一定条件下可以等于零
联系
在一定条件下可以相互转化
符号
W
Q
ΔU
＋
体积减小，外界对热力学系统做功
热力学系统吸收热量
内能增加
－
体积增大，热力学系统对外界做功
热力学系统放出热量
内能减少