高中物理人教版 (2019)选择性必修 第三册2 热力学第一定律学案设计

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1.1热力学第一定律
一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的和，这个关系叫做热力学第一定律；用表达式表示为，公式中符号的意义为：
(1)，表示系统的内能增加；，表示系统的内能减少；
(2)，表示外界对系统做功；，表示系统对外界做功；
(3)，表示系统从外界吸热；，表示系统向外界放热；
1.2 三种特殊情况
[例1]关于物体内能的变化，以下说法中正确的是( )
A.物体吸收热量，内能一定增大
B.物体对外做功，内能一定减小
C.物体吸收热量，同时对外做功，内能可能不变
D.物体放出热量，同时对外做功，内能可能不变
[变式1]一定质量的气体从外界吸收了的热量，同时气体对外做了的功，问：(1)气体的内能是增加还是减少？变化量是多少？
(2)分子势能是增加还是减少？
(3)分子的平均动能是增加还是减少？
[变式2]如图是封闭的汽缸，内部封有一定质量的理想气体，外力推动活塞压缩气体，对缸内气体做功，同时气体向外界放热，则缸内气体的( )
A.温度升高，内能增加
B.温度升高，内能减少
C.温度降低，内能增加
D.温度降低，内能减少
2.能量守恒定律
能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，他只能从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变
[例1]如图所示，一演示用的“永动机”转轮由5根轻杆和转轴构成，轻杆的末端装有用形状记忆合金制成的叶片。轻推转轮后，进入热水的叶片因伸展而“划水”，推动转轮转动，离开热水后，叶片形状迅速恢复，转轮因此能较长时间转动，下列说法正确的是( )
A.转轮依靠自身惯性转动，不需要消耗外界能量
B.转轮转动所需能量来自形状记忆合金自身
C.转动的叶片不断搅动热水，水温升高
D.叶片在热水中吸收的热量一定大于在空气中释放的热量
3.永动机不可能制成
[例1]下列关于第一类永动机的说法正确的是( )
A.第一类永动机是不消耗任何能量却能源源不断地对外做功的机器
B.第一类永动机不能制成的原因是违背了热力学第一定律
C.第一类永动机不能制成的原因是技术问题
D.第一类永动机不能制成的原因是违背了能量守恒定律
4.气体的内能和内能的变化
4.1 气体内能的决定因素
(1)一定质量的一般气体的内能由温度和体积决定
(2)一定质量某种理想气体的内能只由温度决定
4.2 四个理想热学过程的比较
[例1]一定质量的理想气体从状态变化到状态，再变化到状态，其状态变化过程的图像如图所示，已知过程放出热量，，则过程气体吸收还是放出热量？热量是多少？
[变式1]如图所示，圆柱形容器内用活塞封闭着一定质量的理想气体，已知容器横截面积为，活塞重为，大气压强为。若活塞固定，封闭气体温度升高1℃，需吸收的热量为；若活塞不固定，仍使封闭气体温度升高1℃，需吸收的热量为.不计一切摩擦，在活塞可自由移动时，封闭气体温度升高1℃，活塞上升的高度应为多少？
[变式2]吸盘是由橡胶制成的一种生活用品，其上固定有挂钩用于悬挂物体。如图所示，现有一吸盘，其圆形盘面的半径为，当其与天花板轻轻接触时，吸盘与天花板所围容积为；按下吸盘时，吸盘与天花板所围容积为，盘内气体可看作与大气相通，大气压强为.设在吸盘恢复原状过程中，盘面与天花板之间紧密接触，吸盘内气体初态温度与末态温度相同.不计吸盘的厚度及吸盘与挂钩的重量。
(1)吸盘恢复原状时，盘内气体压强为；
(2)在挂钩上最多能悬挂重为的物体；
(3)请判断在吸盘恢复原状过程中盘内气体是吸热还是放热，并简述理由.
[变式3]如图所示，气象探测气球内充有常温常压的氦气，从地面上升至某高空的过程中，气球内氦气的压强随外部气压减小而逐渐减小，其温度因启动加热装置而保持不变，高空气温为，球内氦气可视为理想气体，下列说法正确的是( )
A.在此过程，气球内氦气体积逐渐增大
B.在此高空，关闭加热装置后，氦气分子平均动能增大
C.在此高空，关闭加热装置后，氦气将对外界做功
D.在此高空，关闭加热装置后，氦气将对外放热
[例2]如图所示，一定量的理想气体从状态变化到状态，其过程如图中从到的直线所示.在此过程中( )
A.气体温度一直降低
B.气体内能一直增加
C.气体一直对外做功
D.气体一直从外界吸热
E.气体吸收的热量一直全部用于对外做功
[变式1]一定质量的理想气体由状态变化到状态，气体的压强随热力学温度的变化如图所示，则此过程中( )
A.气体的密度增大
B.气体对外界做功
C.气体从外界吸收了热量
D.气体分子的平均动能增大
[例3]如图所示，体积为、内壁光滑的圆柱形导热汽缸顶部有一质量和厚度均可忽略的活塞；汽缸内密封有温度为、压强为的理想气体。和分别为大气的压强和温度，已知气体内能温度的关系为，为正的常量；汽缸内气体的所有变化过程都是缓慢的，求：
(1)缸内气体与大气达到平衡时的体积；
(2)在活塞下降过程中，汽缸内气体放出的热量.
[变式1]如图所示，在竖直放置的圆柱形容器内用质量为的活塞密封一部分气体，活塞在容器中能无摩擦滑动，容器的横截面积为，将整个装置放在大气压恒为的空气中，开始时气体的温度为，活塞与容器底的距离为，当气体从外界吸收热量后，活塞缓慢上升。后再次平衡，问：(重力加速度为)
(1)外界空气的温度是多少？
(2)在此过程中密闭气体的内能增加了多少？
条件
过程
结果
绝热做功过程
，外界对系统做的功等于系统内能的增加量
过程中不做功只传热
，系统吸收的热量等于系统内能的增加量
过程的始末状态系统的内容不变
，外界对系统做的功等于系统放出的热量；
，系统吸收的热量等于系统对外界做的功
压强
体积
温度
内能
热量
外界做功
等温过程
增大
减小
不变
不变
放热
减小
增大
不变
吸热
等容过程
增大
不变
升高
增大
吸热
0
减小
降低
减小
放热
0
等压过程
不变
增大
升高
增大
吸热
减小
降低
减小
放热
绝热过程
增大
减小
升高
增大
0
减小
增大
降低
减小