人教版 (2019)选择性必修 第三册第三章 热力学定律2 热力学第一定律集体备课课件ppt

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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
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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
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　　　　。 
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,根据ΔU=W,可知气体内能减小,但轮胎内气体温度不变,所以根据ΔU=Q知,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。(　　)
提示做功和传热都能改变系统内能,因此系统内能增加,也可能是外界对系统做功,不一定是从外界吸收热量。
提示气体被压缩的过程,外界对气体做功使其内能增大;若气体同时向外放热,则内能又减小,二者总的效果也可能使内能不变或减小,不一定增大。
探究点一　热力学第一定律
如图所示,汽缸内封闭了一定质量的气体。
(1)快速推动活塞,对汽缸内气体做功10 J,气体内能改变了多少?
要点提示 快速推活塞过程中,Q=0,根据功和内能变化的关系ΔU=W,可知气体内能增加了10 J。
(2)若保持气体体积不变,外界对汽缸内气体传递10 J的热量,气体内能改变了多少?(3)若推动活塞压缩气体,对汽缸内气体做功10 J的同时给汽缸传递10 J的热量,气体内能改变了多少?内能的变化比单一方式有什么不同?
要点提示 保持气体体积不变,则W=0,根据热和内能变化的关系ΔU=Q,可知气体内能增加了10 J。
要点提示 气体内能增加了20 J,汽缸内气体内能的变化量等于活塞对气体所做的功与外界对汽缸内气体传递的热量之和,内能变化会比单一方式变化得更明显。
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)。
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)。
【例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0.1 m,这段过程活塞对气体的压力逐渐增大,其做的功相当于2×103 N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25 J,则压缩冲程气体内能的变化量为　　　　 J。做功冲程,燃烧后的高压气体对活塞做功,气体推动活塞移动0.1 m,其做的功相当于9×103 N的恒力使活塞移动相同距离所做的功,若做功冲程气体内能减少量为930 J,则该做功冲程气体传递给汽缸的热量为　　　　 J。 
解析 压缩冲程中,外界对气体做功,W1=F1s=2×103×0.1 J=200 J,气体向外放热,Q1=-25 J,可得气体内能的变化量为ΔU1=W1+Q1=175 J。做功冲程,气体对外界做功,W2=-F2s=-9×103×0.1 J=-900 J,气体内能的减少量为ΔU2=W2+Q2=-930 J,解得Q2=-30 J,所以气体传递给汽缸的热量为30 J。
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900 J的功,同时汽缸向外散热200 J,则汽缸中空气的内能(　　)A.减少了1 100 J　　B.增加了1 100 JC.减少了700 JD.增加了700 J
解析 内能增加量ΔU=Q+W,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
爆米花酥脆可口、老少皆宜,是许多人喜爱的休闲零食。如图为老式高压爆米花机,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?
要点提示 (1)根据查理定律得 ,其中p1=p0,T1=300 K,p2=4p0,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,故内能减小35 kJ。
理想气体做功、传热与内能的变化1.理想气体做功的判断:当气体的体积始终增大(或减少)时,气体对外(或外界对气体)做功。2.理想气体做功的计算:(1)若气体发生等压膨胀(或压缩),则气体对外(或外界对气体)做功W=p·ΔV,ΔV为体积的变化量。(2)若气体发生等容变化,则气体对外(或外界对气体)做功W=0。(3)若气体发生一般变化,则气体对外(或外界对气体)做功W的数值等于气体p-V图像与坐标轴所围图像的面积,如图中阴影面积所示。
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。4.理想气体的传热:(1)气体吸热或放热不能根据温度的升高或降低判断,气体吸热或放热的多少也不能根据Q=cmΔt计算,应结合热力学第一定律判断。(2)气体在绝热过程中,Q=0。
(1)该过程气体内能的变化量;(2)比例系数k;(3)当环境温度再次升高,气体继续吸收3Q的热量时,缸内气体的压强。
(3)当环境温度再次升高,气体继续做等压变化,可知当气体再吸收Q的热量,活塞刚好到达汽缸顶端,之后气体做等容变化,设气体继续吸收3Q的热量
方法技巧　理想气体与热力学第一定律综合问题的解法
2.(多选)(2023江西抚州高二期末)如图所示,一定质量的理想气体在状态A时压强为2.0×105 Pa,经历A→B→C→A的过程,整个过程中气体向外界放出61.8 J热量,下列说法正确的是(　　)A.整个过程中,气体对外界做的功为61.8 JB.在C→A过程中,外界对气体做的功为200 JC.在A→B过程中,气体从外界吸收的热量为138.2 JD.在A→B、B→C、C→A三个过程中,气体内能变化大小相等
解析 由题意知,经历A→B→C→A的过程后,气体内能不变,即ΔU=0,由热力学第一定律得ΔU=W+Q,Q<0,则W>0,即外界对气体做功,且做功大小与放出的热量相等,即W=61.8 J,故A错误;由图像可知,C到A过程为等压变化,故外界对气体做的功为WCA=pΔV=2.0×105×(2×10-3-1×10-3) J=200 J,故B正确;由图像知,B到C过程,气体体积不变,则气体对外界不做功,则整个过程做功为W=WAB+WCA=61.8 J,解得WAB=-138.2 J,而从A到B过程,温度不变,则气体内能不变,即ΔU1=WAB+Q=0,解得Q=138.2 J,即在A→B过程中,气体从外界吸收的热量为138.2 J,故C正确;一定质量的理想气体内能和温度有关,由图像知,A→B、B→C、C→A三个过程中,内能变化情况分别是不变、变大、变小,故D错误。
1.(热力学第一定律的理解)一封闭容器中装有一定质量的理想气体,容器壁与外界没有热量交换,当气体被压缩时,下列说法正确的是(　　)A.气体压强增大B.气体对外界做功C.气体内能不变D.气体温度不变
解析 当气体被压缩时,外界对气体做功,即W>0,因容器壁与外界没有热量交换,则Q=0,根据热力学第一定律ΔU=W+Q,可知ΔU>0,即气体内能增加,温度升高,根据 =C可知,V减小,T变大,则压强p变大,B、C、D错误,A正确。
2.(热力学第一定律的应用)一定质量的理想气体,从某一状态开始,经过一系列变化后又回到开始的状态,用W1表示外界对气体做的功,W2表示气体对外界做的功,Q1表示气体吸收的热量,Q2表示气体放出的热量,则在整个过程中一定有(　　)A.Q1-Q2=W2-W1B.Q1=Q2C.W1=W2D.Q1>Q2
解析 对一定质量的理想气体,经过一系列的状态变化后又回到原状态,表明整个过程中内能的变化为零,即通过做功和热传递引起的内能变化相互抵消,所以A选项正确。当然,若Q1=Q2,则必定有W1=W2;若Q1>Q2,则必定有W1W2,所以B、C、D三项都有可能但不一定,故选A。
3.(热力学第一定律与气体实验定律的综合)(多选)用密封性好、充满气体的塑料袋包裹易碎品,如图所示。充气袋四周被挤压时,假设袋内气体与外界无热交换,则袋内气体(　　)A.体积减小,内能增大B.体积减小,压强减小C.对外界做负功,内能增大D.对外界做正功,压强减小
解析 实际气体在温度不太低、压强不太大时可看作理想气体。充气袋被挤压,气体体积减小,外界对气体做正功,则W>0,即气体对外界做负功,由于袋内气体与外界无热交换,即Q=0,根据热力学第一定律ΔU=W+Q知,内能增大,选项A、C正确;根据理想气体状态方程 =C可判断压强一定增大,选项B、D错误。
4.(热力学第一定律与气体状态变化图像的综合)(多选)(2023广东肇庆高二期末)一定质量的理想气体从状态A开始,经历了A→B→C→A过程,其p-V图像如图所示,其中AB与横轴平行、BC与纵轴平行。对该气体,下列说法正确的是(　　)A.A→B过程气体对外界做正功B.B→C过程气体对外界做正功C.C→A过程气体的内能减小D.A→B→C→A过程,外界对气体做的总功为零