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物理选择性必修 第三册2 热力学第一定律课前预习课件ppt
展开知识点一 热力学第一定律
1.改变系统内能的方式有哪些?这些方式有什么异同?
答案:改变系统内能的方式有两种:做功和传热.不同点:做功是其他形式的能与内能之间的转化,传热是内能的转移.相同点:做功和传热在改变系统的内能上是等效的.
2.一个绝热的热力学系统,外界对系统做功10 J,系统的内能如何变化?变化多少?
答案:系统内能增加,增加10 J.
3.单纯对一个热力学系统传热10 J,系统的内能如何变化?变化多少?
4.如果外界对一个热力学系统做功10 J,同时给它传热10 J,那么系统内能如何变化?变化多少?
答案:系统内能增加,增加20 J.
5.热力学第一定律: 一个热力学系统的内能变化量等于 与 的和.表达式为 .
知识点二 热力学第一定律的应用
1.某个热力学系统,如果外界对系统做功30 J,系统向外界放热10 J,系统内能如何变化?变化多少?
2.对于公式 ΔU=Q+W,ΔU为系统内能的变化量,当系统内能增加时,ΔU取 ;当系统内能减小时,ΔU取 ;当系统从外界吸收热量时,Q取 ;当系统向外界放出热量时,Q取 ;当外界对系统做功时,W取 ;当系统对外界做功时,W取 .(均选填“正值”或“负值”)
1.做功和传热在改变物体的内能上是不等效的.( )2.热量和功由过程决定,而内能由物体状态决定.( )3.外界对系统做功,系统的内能一定增加.( )4.系统内能增加,一定是因为系统从外界吸收了热量.( )5.物体吸收热量,同时对外做功,其内能可能不变.( )6.系统内能减少,一定是因为系统对外界做功了.( )
探究一 热力学第一定律
如图所示的汽缸中用活塞封闭一定质量的气体,汽缸与活塞之间的摩擦不计.
1.快速推动活塞对汽缸内气体做功50 J,气体内能改变多少?
答案:快速推动活塞对汽缸内气体做功,气体与外界没有热交换,即Q=0,故气体内能增加50 J.
答案:气体体积不变,外界对其做功W=0,气体吸收热量Q=50 J,内能增加50 J.
2.若保持气体体积不变,外界对汽缸传递50 J的热量,则气体内能改变多少?
3.如果发现气体的内能增加50 J,那么仅根据这一点你能确定内能变化的原因吗?为什么?这说明什么?
答案:不能确定气体内能变化的原因;因为无论外界对气体做功50 J,还是外界给气体传递50 J的热量,气体内能都可以增加50 J.这说明做功和传热在改变物体内能上是等效的.
答案:外界对气体做功,故W=50 J,气体向外界放热,Q=-30 J,代入ΔU=Q+W可得ΔU=20 J.这说明气体的内能增加了20 J.
4.如果推动活塞对气体做功50 J,同时气体通过汽缸向外界放热30 J,请根据热力学第一定律计算后说明:气体的内能是如何变化的?变化了多少?
1.对ΔU=Q+W的理解.(1)热力学第一定律不仅反映了做功和传热这两种方式在改变系统内能方面是等效的,而且给出了内能的变化量与做功和传热之间的定量关系.(2)热力学第一定律将单纯的绝热过程和单纯的传热过程中内能改变的定量表达推广到一般情况,既有做功又有传热的过程.
(3)对公式ΔU=Q+W中ΔU、Q、W符号的规定.
2.应用ΔU=Q+W时的三种特殊情况:(1)若过程是绝热的,即Q=0,则ΔU=W,系统内能的变化量等于外界对系统做的功.(2)若过程中不做功,即W=0,则ΔU=Q,系统内能的变化量等于系统从外界吸收的热量.(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).
【典例1】一定质量的气体,在被压缩的过程中外界对气体做功300 J,但这一过程中气体的内能减少了300 J,气体在此过程中是吸热还是放热?吸收或放出多少热量?
解析:由题意知W=300 J,ΔU=-300 J,根据热力学第一定律可得Q=ΔU-W=-300 J-300 J=-600 J,Q为负值表示气体放热,因此气体放出600 J的热量.
答案:放热 600 J
应用热力学第一定律解题的思路
探究二 热力学第一定律的应用
如图所示,一定质量的理想气体从状态A依次经过状态B、C和D后再回到状态A.其中,A→B和C→D为等温过程,B→C和D→A为绝热过程.
1.A→B过程中,气体的内能如何变化?结合理想气体的特点,你认为理想气体的内能与什么因素有关?
答案:A→B过程中温度不变,分子的平均动能不变,理想气体分子势能为0,故气体内能不变;一定质量的理想气体其内能由温度决定,温度升高,内能增加,温度降低,内能减少.
2.A→B、C→D过程中,气体对外界做功还是外界对气体做功?
答案:A→B过程,气体向外膨胀,体积增大,气体对外界做功;C→D过程中,气体被压缩,体积减小,外界对气体做功.
3.若气体在A→B过程中吸收63 kJ的热量,在C→D过程中放出38 kJ的热量,则气体完成一次循环对外做的功为多少?
答案:气体在A→B过程中吸收63 kJ的热量,在C→D过程中放出38 kJ的热量,B→C和D→A为绝热过程,故一次循环吸收的热量为Q=(63-38) kJ=25 kJ;一次循环回到初始状态温度不变,则ΔU=0;根据ΔU=Q+W可得W=-Q=-25 kJ,即气体对外做功25 kJ.
1.判断外界对气体是否做功的方法.一般情况下外界对气体做功与否,需看气体的体积是否变化.(1)若气体体积增大,则表明气体对外界做功,W<0.(气体对真空膨胀W=0)(2)若气体体积减小,则表明外界对气体做功,W>0.
(3)气体压强不变时,相当于恒力做功,做功的数值W=pSΔl=pΔV;也可以借助p-V图像求气体做的功,如图所示,气体在A→B过程中对外做的功可以用图线AB下方的阴影部分的面积表示.
2.几种常见的气体变化过程.(1)绝热过程:过程是绝热的,即Q=0,W=ΔU,外界对气体做的功等于气体内能的变化量.(2)等容过程:在该过程中气体不做功,即W=0,则Q=ΔU,气体吸收的热量等于气体内能的变化量.(3)等温过程:在过程的始末状态,理想气体的内能不变,即ΔU=0,则W+Q=0或W=-Q,表示气体吸收的热量全部用来对外做功或外界对气体所做的功全部转换为热量放出.
【典例2】(多选)如图所示,一定质量的理想气体从状态a出发,经过a→b、b→c和c→a三个过程回到初状态a,其中b→c过程气体的温度不变.下列说法正确的是( )
A.在过程a→b中气体的内能增加B.在过程c→a中外界对气体做功C.在过程a→b中气体对外界做功D.在过程b→c中气体从外界吸收热量
解析:a→b过程中气体压强增大,体积不变,温度升高,内能增加,选项A正确.a→b过程发生等容变化,气体对外界不做功,选项C错误.一定质量的理想气体的内能仅由温度决定,b→c过程发生等温变化,内能不变,气体体积增大,气体对外界做功,根据热力学第一定律可知气体从外界吸收热量,选项D正确.c→a过程发生等压变化,气体体积减小,外界对气体做功,选项B正确.
【典例3】下图是用导热性能良好的材料制成的气体实验装置,开始时封闭的空气柱长度为22 cm,现在用竖直向下的外力F压缩气体,使封闭空气柱长度变为2 cm,人对系统做功100 J,大气压强p0=1×105 Pa,不计活塞重力,活塞的横截面积S=1 cm2.
(1)若用足够长的时间缓慢压缩气体,则压缩后气体的压强为多大?(2)若以适当的速度压缩气体,气体向外散失的热量为20 J,则气体的内能增加多少?
解析:(1)p0=1×105 Pa,缓慢压缩气体,气体温度不变,由玻意耳定律得p0V0=pV,V0=l0S,V=lS,l0=22 cm,l=2 cm,代入数据解得p=1.1×106 Pa.(2)大气压力对系统做功W1=p0S(l0-l)=2 J,人对系统做功W2=100 J,由热力学第一定律得ΔU=W1+W2+Q,其中Q=-20 J,解得ΔU=82 J.
答案:(1)1.1×106 Pa (2)82 J
气体做功情况、内能变化情况及吸、放热情况的判断
(1)做功情况:根据气体体积变化判断做功情况.气体膨胀,气体对外界做功,但气体向真空自由膨胀时不做功;气体被压缩,外界对气体做功.(2)内能变化情况:理想气体的内能和温度有关.温度升高,理想气体的内能增加;温度降低,理想气体的内能减少.(3)吸热或放热情况:一般通过热力学第一定律ΔU=Q+W分析、判断.Q>0,气体从外界吸收热量;Q<0,气体向外放出热量.
1.(多选)下列过程可能发生的是( )A.物体吸收热量,同时对外做功,内能增加B.物体吸收热量,同时对外做功,内能减少C.外界对物体做功,同时物体吸热,内能减少D.外界对物体做功,同时物体放热,内能增加
解析:根据热力学第一定律ΔU=Q+W,做功和传热都可以改变物体的内能,故由此可确定选项A、B、D正确,选项C错误.
2.水枪是孩子们喜爱的玩具,如图所示是常见的气压式水枪储水罐的示意图.从储水罐充气口充入气体,达到一定压强后,关闭充气口,扣动扳机将阀门M打开,水就会从枪口喷出.罐内气体可看作理想气体,在水不断喷出的过程中,若罐内气体的温度不变,则( )
A.罐内气体的压强变大B.罐内气体对外界不做功C.罐内气体从外界吸热D.罐内气体的分子平均动能变小
解析:在水不断喷出的过程中,罐内气体温度不变,根据理想气体状态方程可知,罐内气体的压强减小,选项A错误.罐内气体的体积增大,气体对外界做功,选项B错误.罐内气体可看作理想气体,气体温度不变,其内能不变,气体对外做功,根据热力学第一定律可知,罐内气体从外界吸收热量,选项C正确.温度是分子平均动能的标志,温度不变则分子的平均动能不变,选项D错误.
3.下图是密闭的汽缸,汽缸内密封一定量的理想气体.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
解析:由热力学第一定律可知,ΔU=Q+W=-200 J+800 J=600 J,内能增加600 J,则缸内气体温度一定升高,选项A正确.
4. (2022·广东潮州)(多选)列车运行的平稳性与车厢的振动密切相关,车厢底部安装的空气弹簧可以有效减振,空气弹簧主要由活塞、汽缸及内封的一定质量的气体构成.上下乘客及剧烈颠簸均能引起车厢振动,上下乘客时汽缸内气体的体积变化缓慢,气体与外界有充分的热交换;剧烈颠簸时汽缸内气体的体积变化较快,气体与外界来不及热交换.若汽缸内气体视为理想气体,在气体压缩的过程中( )A.上下乘客时,气体的内能不变B.上下乘客时,气体从外界吸热C.剧烈颠簸时,外界对气体做功D.剧烈颠簸时,气体的温度不变
解析:上下乘客时,汽缸内气体与外界有充分的热交换,即发生等温变化,温度不变,故气体的内能不变,体积变化缓慢,没有做功,故没有热交换,故选项A正确,选项B错误;剧烈颠簸时汽缸内气体的体积变化较快,且气体与外界来不及热交换,气体经历绝热过程,外界对气体做功,温度升高,故选项C正确,选项D错误.
情境 爆米花酥脆可口、老少皆宜,是许多人喜爱的休闲零食.一种老式制作爆米花的装置如图所示,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,“砰”的一声气体迅速膨胀,压强急剧减小,玉米粒就“爆炸”成了爆米花.已知环境温度为t1=27 ℃,大气压强为p0,加热结束密闭容器打开前的气体压强达到4p0.
问题 (1)将容器内的气体看作理想气体,求加热结束时容器内气体的温度.(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,容器内气体的内能如何变化?变化了多少?
答案:(1)927 ℃ (2)减少 减少了35 kJ
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