高中2 热力学第一定律说课课件ppt

这是一份高中2 热力学第一定律说课课件ppt，共56页。PPT课件主要包含了等价的，所做的功，ΔU＝Q＋W，答案内能增加，保持不变，对外做功，能量守恒定律，答案B等内容，欢迎下载使用。
整体感知·自我新知初探
[学习任务]　任务1．理解热力学第一定律，并掌握其表达式ΔU＝Q＋W。任务2．能运用热力学第一定律解和计算能量的转化、转移问题。任务3．理解能量和能量守恒观念对世界统一性的意义。任务4．理解能量守恒定律，知道能量守恒是自然界普遍遵从的基本规律。任务5．知道什么是第一类永动机及其不可能制成的原因。
[问题初探]　问题1．若外界对系统做功，则系统的内能一定增加吗？问题2．热力学第一定律的适用范围是什么？问题3．能量守恒需要条件吗？问题4．能量守恒定律与热力学第一定律有什么关系？
探究重构·关键能力达成
[链接教材]　如图所示，汽缸内有一定质量的气体，如果压缩气体的同时给汽缸加热。那么，气体内能的变化会比单一方式(做功或传热)更明显。请思考：
知识点一　热力学第一定律及应用
(1)这是为什么呢？(2)如果压缩汽缸对气体做功为W，同时给汽缸传热为Q，则气体的内能怎么变化？
提示：(1)因为压缩气体过程外界对气体做功，使气体的内能增加；同时给汽缸加热，也会使气体的内能增加，故气体内能的变化会比单一方式(做功或传热)更明显。(2)气体的内能增加，ΔU＝Q＋W。
1．改变内能的两种方式做功与____。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：___________。3．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____。外界向系统传递的热量Q取____；系统向外界传递的热量Q取____。
如图所示，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。
问题1．轮胎为什么不断膨胀？问题2．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：1．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。2．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。
1．对公式ΔU＝Q＋W符号的规定
2．热力学第一定律的几种典型应用(1)若过程是绝热的，即Q＝0，则W＝ΔU，外界对物体(或物体对外界)做的功等于物体内能的增加(或减少)量。(2)若过程中不做功，即W＝0，则Q＝ΔU，物体吸收(或放出)的热量等于物体内能的增加(或减少)量。(3)若过程中物体的始、末内能不变，即ΔU＝0，则W＋Q＝0或W＝－Q，外界对物体(或物体对外界)做的功等于物体放出(或吸收)的热量。
【典例1】　(热力学第一定律的应用)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(图甲)。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。(1)求上述压缩过程中气体内能的变化量。(2)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(图乙)，该做功过程气体传递给汽缸的热量为30 J，求此做功过程气体内能的变化量。
思路点拨：以汽缸内气体为研究对象，在第(1)问中，活塞压缩气体的过程是外界对系统做功，则外界对气体所做的功W1为正值；在第(2)问中，气体膨胀推动活塞的过程是系统对外界做功，则外界对气体所做的功W2为负值。在两种情况下，气体都把热量传递给了汽缸，都属于放热，因此外界向气体传递的热量Q1、Q2均为负值。
[解析]　(1)在压缩过程中，外界对气体做功，有W1＝F1l1＝2×103×0.1 J＝200 J根据热力学第一定律，气体内能的变化量ΔU1＝W1＋Q1＝200 J－25 J＝175 J。(2)在膨胀过程中，气体对外界做功，有W2＝F2l2＝－9×103×0.1 J＝－900 J根据热力学第一定律，气体内能的变化量ΔU2＝W2＋Q2＝－900 J－30 J＝－930 J汽缸内气体在压缩过程中内能增加了175 J，在膨胀做功过程中气体内能减少了930 J。
[答案]　(1)增加了175 J　(2)减少了930 J
【典例2】　(对热力学第一定律的理解)如图所示是封闭的汽缸，内部封有一定质量的理想气体。用外力推动活塞P压缩气体，对缸内气体做功800 J，同时气体向外界放热200 J，则缸内气体的(　　)A．温度升高，内能增加600 JB．温度升高，内能减少200 JC．温度降低，内能增加600 JD．温度降低，内能减少200 J
A　[由热力学第一定律ΔU＝W＋Q得，ΔU＝800 J＋(－200 J)＝600 J，一定质量的理想气体的内能大小只与温度有关，ΔU＝600 J>0，故温度升高，A选项正确。]
规律方法　应用热力学第一定律解题的思路与步骤(1)首先应明确研究对象是哪个物体或者是哪个热力学系统。(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)对外界所做的功。(3)根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W列出方程进行求解。(4)特别注意物理量的正负号及其物理意义。
如图所示，一定质量的理想气体由a状态变化到b状态。
知识点二　热力学第一定律与气体状态方程的综合应用
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？问题2．在变化过程中气体吸热还是向外界放热？气体的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，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，内能一定增加。
1．热力学第一定律与理想气体状态方程结合问题的分析思路(1)利用体积的变化分析做功情况。气体体积增大，气体对外界做功；气体体积减小，外界对气体做功。(2)利用温度的变化分析理想气体内能的变化。一定质量的理想气体的内能仅与温度有关，温度升高，内能增加；温度降低，内能减小。2．利用热力学第一定律判断是吸热还是放热由热力学第一定律ΔU＝Q＋W可得Q＝ΔU－W，若已知气体的做功情况和内能的变化情况，即可判断气体的状态变化是吸热过程还是放热过程。
3．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(或系统对外界)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：一定质量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)。
4．气体状态变化时做功多少的计算(1)若为等压变化，W＝p·SΔx＝pΔV。(2)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。
【典例3】　(热力学第一定律与理想气体状态方程的综合应用)如图所示，绝热隔板K把绝热的汽缸分隔成体积相等的两部分，K与汽缸壁的接触面光滑。两部分中分别盛有相同质量、相同温度的同种气体a和b，气体分子之间相互作用力忽略不计。现通过电热丝对气体a加热，一段时间后，a、b各自达到新的平衡，则(　　)A．a的体积增大了，压强变小了B．a增加的内能大于b增加的内能C．加热后a的分子热运动与b的分子热运动一样激烈D．b的体积减小，压强增大，但温度不变
B　[通过电热丝对气体a加热，气体a的内能增大，温度升高，压强增大，隔板向右移动，a的体积变大，故A错误；K与汽缸壁的接触面是光滑的，a、b两部分气体压强p相等，a部分气体体积大于b部分气体体积，Va>Vb，pVa>pVb，a、b两部分是同种气体且质量相等，根据一定质量的理想气体状态方程可知Ta>Tb，即加热后a的分子热运动比b的分子热运动更激烈，a增加的内能大于b增加的内能，故B正确，C错误；隔板向右移动压缩气体b，气体b的体积减小，外界对气体b做功，隔板与汽缸都是绝热的，气体b与外界不发生热交换，由热力学第一定律可知，气体b的内能增加，温度升高，故D错误。]
[母题变式]若绝热隔板固定且右侧为真空，现加热气体a，一段时间后，将隔板K抽掉，使左侧气体a进入右侧，最终达到平衡状态，整个过程中气体a的内能如何变化？
[解析]　由于右侧为真空，当抽掉隔板K后，气体扩散，但不做功，W＝0，又汽缸为绝热汽缸，气体a吸热，Q>0，由热力学第一定律ΔU＝W＋Q可知，ΔU>0，即内能增加。
规律方法　分析热力学第一定律与气体实验定律的综合问题的思路
[链接教材]　让“饮水小鸭”“喝”完一口水后，直立起来。直立一会儿，它又会慢慢俯下身去，再“喝”一口，然后又会直立起来。如此循环往复……
知识点三　能量守恒定律　永动机不可能制成
请思考：(1)这种“饮水小鸭”玩具是一架永动机吗？(2)饮水鸭往复运动的能量来自哪里？(3)饮水小鸭的嘴“喝”不到水后，还能往复运动吗？
提示：(1)不是永动机。(2)能量来自于周围空气的内能。(3)不能。
1．能量守恒定律能量既不会凭空____，也不会凭空____，它只能从一种形式____为其他形式，或者从一个物体____到别的物体，在转化或转移的过程中，能量的总量________。2．永动机不可能制成(1)第一类永动机：不需要任何动力或燃料，却能不断地________的机器。(2)第一类永动机的思想违背了____________，所以是不可能制成。
[微提醒]　能量守恒定律：①在热运动中可以表现为热力学第一定律；②在机械运动中可以表现为机械能守恒定律，等等。
“全自动”机械手表，既不需要上发条，也不用任何电源，却能不停地走下去。由此有人设想了如图所示的新能源汽车。
问题1．“全自动”机械手表是不是一种永动机？如果不是，维持表针走动的能量可能是从哪儿来的？问题2．图中所示的新能源汽车能实现吗？为什么？问题3．能量守恒定律与热力学第一定律是什么关系？
提示：1．不是永动机。主要依靠佩戴者手臂的摆动以及地球引力的作用获得能量。2．此新能源汽车不能实现，违背了能量守恒定律。3．热力学第一定律是能量守恒定律在热现象范围内的具体体现。可以将热力学第一定律理解为普通的能量守恒定律。
1．能量的存在形式及相互转化(1)各种运动形式都有对应的能：机械运动有机械能，分子的热运动有内能，还有电磁能、化学能、核能等。(2)各种形式的能，通过某种力做功可以相互转化。例如：利用电炉取暖或烧水，电能转化为内能；煤燃烧，化学能转化为内能；列车刹车后，轮子温度升高，机械能转化为内能。
2．能量守恒的两种表达(1)某种形式的能减少，一定有其他形式的能增加，且减少量和增加量一定相等。(2)某个物体的能量减少，一定存在其他物体的能量增加，且减少量和增加量一定相等。3．第一类永动机失败的原因如果没有外界热源供给热量，则有U2－U1＝W，就是说，如果系统内能减少，即U2