人教版 (2019)选择性必修 第三册2 热力学第一定律精品ppt课件

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1.理解热力学第一定律,并掌握其表达式。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。
1.改变内能的两种方式:做功与热传递。联系:两者在改变系统内能方面是等价的,一定数量的功与确定数量的热相对应。区别:做功是内能与其他形式能量的相互转化,而热传递只是不同物体(或一个物体的不同部分)之间内能的转移。2.热力学第一定律的内容: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。3.热力学第一定律的表达式:ΔU=Q+W。
1.正误判断(1)外界对系统做功,系统的内能一定增加。(　　)(2)系统内能增加,一定是系统从外界吸收了热量。(　　)(3)系统从外界吸收热量5 J,内能可能增加5 J。(　　)(4)系统内能减少,一定是系统对外界做了功。(　　)(5)外界对热力学系统做功,W取正值;外界向热力学系统传递热量,Q取正值。(　　)(6)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。(　　)(7)物体与外界不发生热交换,物体的内能也可能变化。(　　)答案(1)×　(2)×　(3)√　(4)×　(5)√　(6)×　(7)√
2.如图所示,厚壁容器的一端通过胶塞插进一支灵敏温度计和一根气针,另一端有个用卡子卡住的可移动胶塞。用打气筒慢慢向容器内打气,使容器内的压强增大
到一定程度,这时读出温度计示数。打开卡子,胶塞冲出容器口后(　　)A.温度计示数变大,实验表明气体对外界做功,内能减少B.温度计示数变大,实验表明外界对气体做功,内能增加C.温度计示数变小,实验表明气体对外界做功,内能减少D.温度计示数变小,实验表明外界对气体做功,内能增加
解析胶塞冲出容器口后,气体膨胀,对外做功。由于是厚壁容器,基本没有热传递,由W=ΔU可知内能减小。内能等于物体内所有分子动能和势能之和,体积增大,势能增大,可知分子平均动能减小,所以温度降低。答案C
3.如图所示的汽缸,内部封闭有一定质量的理想气体。外力推动活塞P压缩气体,对汽缸内气体做功800 J,同时气体向外界放热200 J,则汽缸内气体的(　　)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解析由热力学第一定律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,故温度一定升高,A选项正确。答案A
4.空气压缩机在一次压缩中,活塞对空气做了2×105 J 的功,同时空气的内能增加了1.5×105 J,这一过程中空气向外界传递的热量是多少?解析选择被压缩的空气为研究对象,根据热力学第一定律有ΔU=W+Q。由题意可知W=2×105 J,ΔU=1.5×105 J,代入上式得Q=ΔU-W=1.5×105 J-2×105 J=-5×104 J。负号表示空气向外释放热量,即空气向外界传递的热量为5×104 J。答案5×104 J
热力学第一定律情境探究
1.如图甲所示,该实验为做机械功改变系统内能的实验,该实验与外界没有热量交换,如果外界对系统做的功为W(物块重力所做的功),则它的内能怎样改变?变化了多少?要点提示一个系统,如果它既没有吸收热量也没有放出热量,那么外界对它做功W,则内能增加量为W。2.如图乙所示为做电功改变系统内能的实验,该系统如果电阻发热量为Q,液体的内能怎样变化?变化了多少?要点提示如果外界没有对系统做功,物体从外界吸收热量Q,则内能的增加量为Q。3.如果某一过程中,物体跟外界同时发生了做功和热传递,那么,该物体内能的变化ΔU与热量Q及做的功W之间又满足怎样的关系呢?要点提示ΔU=W+Q。该式表示的是功、热量跟内能改变之间的定量关系,在物理学中叫作热力学第一定律。
知识归纳1.热力学第一定律的意义热力学第一定律不仅反映了做功和热传递这两种改变内能的过程是等效的,而且给出了内能的变化量和做功与热传递之间的定量关系。此定律是标量式,应用时单位应统一为国际单位制中的焦耳(J)。
2.热力学第一定律的符号法则
实例引导例1 (2020重庆期末)如图所示的p-V图中,一定质量的理想气体由状态A经过程Ⅰ变至状态B时,从外界吸收热量420 J,同时做功300 J,当气体从状态B经过程Ⅱ回到状态A时,做功200 J,过程Ⅱ中气体吸收或放出的热量是(　　)A.吸热80 JB.吸热220 JC.放热520 JD.放热320 J
解析由题意知一定质量的理想气体由状态A经过程Ⅰ变至状态B时体积增大,W1为负,Q1为正,ΔU=W1+Q1=420 J-300 J=120 J,内能增加120 J。由图可知当气体从状态B经过程Ⅱ回到状态A时体积减小,W2为正;ΔU'=W2+Q2,代入数据解得Q2=-320 J,放出热量,故A、B、C错误,D正确。答案D
特别提醒(1)当做功和热传递同时发生时,物体的内能可能增加,也可能减小,还可能保持不变。(2)物体内能发生变化可能是由做功引起的,也可能是由热传递引起的,还可能是两者共同作用的结果。
变式训练1(2020北京期末)如图所示,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 JB.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。答案D
热力学第一定律的应用情境探究如图所示,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?要点提示(1)气体对外界做功　(2)吸热　内能增加
知识归纳1.对ΔU=W+Q的理解热力学第一定律将单纯的绝热过程和单纯的热传递过程中内能改变的定量表述推广到一般情况,即既有做功又有热传递的过程,其中ΔU表示内能改变的数量,W表示做功的数量,Q表示外界与物体间传递的热量。
2.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)若过程的始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)。
实例引导例2 (2020吉林白山二模)如图所示,左边圆柱形容器的横截面积为S。上端是一个可以在容器内无摩擦滑动的质量为m的活塞;右边圆柱形容器上端封闭,高为H,横截面积为 。两容器由装有阀门的极细管道相连,容器、活塞和细管都是绝热的。开始时阀门关闭,左边容器中装有理想气体,平衡时活塞到容器底的距离为H,右边容器内为真空。现将阀门打开,活塞缓慢下降,直至系统达到新的平衡,此时气体的热力学温度增加到原来热力学温度的1.3倍。已知外界大气压强为p0,求:
(1)系统达到新的平衡时活塞到容器底的距离r;(2)此过程中容器内的气体内能的增加量ΔU。
(2)设容器内的气体压强为p,取活塞为研究对象,有p0S+mg=pS①外界对气体所做的功为W=pS(H-r)②由系统绝热有Q=0③由热力学第一定律有ΔU=W④
规律方法 应用热力学第一定律解题的方法(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)特别注意的就是物理量的正负号及其物理意义。
变式训练2(2020湖北武汉期中)如图所示,汽缸内封闭一定质量的理想气体,活塞通过定滑轮与一重物m相连并处于静止状态,此时活塞到缸口的距离h=0.2 m,活塞面积S=10 cm2,封闭气体的压强p=5×104 Pa,现通过电热丝对缸内气体加热,使活塞缓慢上升直至缸口。在此过程中封闭气体吸收了Q=60 J的热量,假设汽缸壁和活塞都是绝热的,活塞质量及一切摩擦力不计,则在此过程中气体内能的增加量为(　　)A.70 JB.60 J C.50 JD.10 J
解析活塞移动过程中,汽缸内气体对外界做功:W=Fx=pSh=5×104×10×10-4×0.2 J=10 J,由热力学第一定律得,汽缸内气体内能的变化量:ΔU=Q+(-W)=60 J-10 J=50 J。汽缸内的气体内能增加了50 J,故C正确,A、B、D错误。答案C
1.一定质量的气体在某一过程中,外界对气体做了8×104 J的功,气体的内能减少了1.2×105 J,则根据热力学第一定律,下列各式中正确的是(　　)A.W=8×104 J,ΔU=1.2×105 J,Q=4×104 JB.W=8×104 J,ΔU=-1.2×105 J,Q=-2×105 JC.W=-8×104 J,ΔU=1.2×105 J,Q=2×104 JD.W=-8×104 J,ΔU=-1.2×105 J,Q=-4×104 J解析因为外界对气体做功,W取正值,即W=8×104 J;气体的内能减少,ΔU取负值,即ΔU=-1.2×105 J;根据热力学第一定律ΔU=W+Q,可知Q=ΔU-W=-1.2×105 J-8×104 J=-2×105 J,即B选项正确。答案B
2.一定质量的理想气体,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W10,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 可判断压强一定增大,选项B、D错误。答案AC
4.(2020四川乐山模拟)绝热汽缸倒扣在水平地面上(汽缸顶部侧壁有一小口),缸内装有一电热丝,缸内有一光滑的绝热活塞,封闭一定质量的理想气体,活塞下吊着一重力为G的重物,活塞重力为G0,活塞的截面积为S,开始时封闭气柱的高为h,气体的温度为T1,大气压强为p0。现给电热丝缓慢加热,若气体吸收热量Q时,活塞下降了h,问:(1)气体的温度升高多少?(2)气体的内能增加多少?