新教材人教版高中物理選擇性必修第三冊 3.2熱力學(xué)第一定律 教學(xué)課件

1、第三章 熱力學(xué)定律3.2 熱力學(xué)第一定律1 進一步掌握能的轉(zhuǎn)化和守恒定律，并了解能的轉(zhuǎn)化和守恒定律的意義。2運用公式UWQ分析有關(guān)問題并具體進行計算。學(xué)習目標 汽缸內(nèi)有一定質(zhì)量的氣體，壓縮氣體的同時給汽缸加熱。那么，氣體內(nèi)能的變化會比單一方式（做功或傳熱）更明顯。這是為什么呢？新課導(dǎo)入 另一方面也向我們表明，為了改變系統(tǒng)的狀態(tài)，做功和傳熱這兩種方法是等價的。也就是說，一定數(shù)量的功與確定數(shù)量的熱相對應(yīng)。 一方面表明，以不同的方式對系統(tǒng)做功時，只要系統(tǒng)始末兩個狀態(tài)是確定的，做功的數(shù)量就是確定的；焦耳的實驗U=W單純地對系統(tǒng)做功做功：單純地對系統(tǒng)傳熱：UQ當外界既對系統(tǒng)做功又對系統(tǒng)傳熱時，內(nèi)能的變化

2、量就應(yīng)該是：UQ+ W一、熱力學(xué)第一定律UQ+ W一個熱力學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)能增量等于外界向它傳遞的熱量與外界對它所做的功的和。熱力學(xué)第一定律U ：物體內(nèi)能的增加量 W： 外界對物體做的功 Q： 物體吸收的熱量 物理意義：不僅反映了做功與傳熱在改變系統(tǒng)內(nèi)能方面是等效的，而且給出了功、熱量跟系統(tǒng)內(nèi)能改變之間的定量關(guān)系。U=U2-U1新課講解一定質(zhì)量的氣體，膨脹過程中是外界對氣體做功還是氣體對外界做功?如果膨脹時氣體對外做的功是135J，同時向外放熱85J，氣體內(nèi)能的變化量是多少?內(nèi)能是增加了還是減少了?請你通過這個例子總結(jié)功和熱量取正、負值的物理意義。解析：膨脹過程中氣體對外界做功系統(tǒng)對外做功：W=-1

3、35J系統(tǒng)向外放熱：Q=-85J根據(jù)熱力學(xué)第一定律：U = W + Q 代入得：U =-135+（-85）=-220J內(nèi)能減少了220J。二、熱力學(xué)第一定律的應(yīng)用1、確定研究對象。2、正確選取正、負號U = W + Q 物理量符號意義符號意義WQU外界對物體做功物體對外界做功物體吸收熱量物體放出熱量內(nèi)能增加內(nèi)能減少一定質(zhì)量的氣體在某一過程中，外界對氣體做了8104 J的功，氣體的內(nèi)能減少了1.2105 J，則下列各式正確的是（ ）A.W8104 J，U1.2105 J，Q4104 JB.W8104 J，U1.2105 J，Q2105 JC.W8104 J，U1.2105 J，Q2104 JD.

4、W8104 J，U1.2105 J，Q4104 J解析：B 因為外界對氣體做功，W取正值，即W8104 J；氣體內(nèi)能減少，U取負值，即U1.2105 J；根據(jù)熱力學(xué)第一定律UWQ，可知QUW1.2105 J8104 J2105 J，B選項正確.氣體狀態(tài)變化的幾種特殊情況(1)絕熱過程：Q0，則UW，系統(tǒng)內(nèi)能的增加(或減少)量等于外界對系統(tǒng)(或物體對外界)做的功(2)等容過程：W0，則UQ，物體內(nèi)能的增加量(或減少量)等于系統(tǒng)從外界吸收(或系統(tǒng)向外界放出)的熱量(3)等溫過程：始末狀態(tài)一定質(zhì)量理想氣體的內(nèi)能不變，即U0，則WQ(或QW)，外界對系統(tǒng)做的功等于系統(tǒng)放出的熱量(或系統(tǒng)吸收的熱量等于系

5、統(tǒng)對外界做的功)判斷氣體是否做功的方法一般情況下看氣體的體積是否變化若氣體體積增大，表明氣體對外界做功，W0.氣體狀態(tài)變化過程中的做功問題PVVaVb氣體等壓變化對外界做功P -V 圖下方(與坐標軸所圍的面積)的“面積” 表示做功多少。W=PV非等壓變化應(yīng)用熱力學(xué)第一定律解題的一般步驟(1)根據(jù)符號法則寫出各已知量(W、Q、U)的正負；(2)根據(jù)方程UWQ求出未知量；(3)再根據(jù)未知量結(jié)果的正負來確定吸放熱情況、做功情況或內(nèi)能變化情況氣體實驗定律和熱力學(xué)第一定律的綜合應(yīng)用熱力學(xué)第一定律與理想氣體狀態(tài)方程結(jié)合問題的分析思路：(1)利用體積的變化分析做功情況氣體體積增大，氣體對外界做功；氣體體積減

6、小，外界對氣體做功(2)利用溫度的變化分析理想氣體內(nèi)能的變化一定質(zhì)量的理想氣體的內(nèi)能僅與溫度有關(guān)，溫度升高，內(nèi)能增加；溫度降低，內(nèi)能減小(3)利用熱力學(xué)第一定律判斷是吸熱還是放熱由熱力學(xué)第一定律UWQ，則QUW，若已知氣體的做功情況和內(nèi)能的變化情況，即可判斷氣體狀態(tài)變化是吸熱過程還是放熱過程。課堂小結(jié)如圖，一臺四沖程內(nèi)燃機，活塞在壓縮沖程某段時間內(nèi)移動的距離為0.1 m，這段過程活塞對氣體的壓力逐漸增大，其做的功相當于2103N的恒力使活塞移動相同距離所做的功（圖甲）。內(nèi)燃機工作時汽缸溫度高于環(huán)境溫度，該過程中壓縮氣體傳遞給汽缸的熱量為25J。求上述壓縮過程中氣體內(nèi)能的變化量。燃燒后的高壓氣體

7、對活塞做功，氣體推動活塞移動0.1m，其做的功相當于9103N的恒力使活塞移動相同距離所做的功（圖乙），該做功過程氣體傳遞給汽缸的熱量為30J，求此做功過程氣體內(nèi)能的變化量。典例分析確定研究對象：汽缸中的氣體。（1）壓縮過程活塞（外界）對氣體（系統(tǒng)）做功，W是正值：W1= F1l1= 2100.1 J = 200 J系統(tǒng)向外放熱：Q=-25J氣體內(nèi)能的變化量：U1= W1Q1= 200 J -25 J = 175 J正確選取W與Q的正負。明確氣體狀態(tài)變化過程。分析：解析： 確定研究對象：汽缸中的氣體。正確選取W與Q的正負。明確氣體狀態(tài)變化過程。分析：解析： （2）氣體膨脹過程中氣體（系統(tǒng)）對外

8、界所做功，W是負值：W2= F2L2=-9100.1 J =-900 J系統(tǒng)向外放熱：Q=-30J氣體內(nèi)能的變化量：U2= W2Q2=-900 J - 30J =-930 J【例題2】某汽車的四沖程內(nèi)燃機利用奧托循環(huán)進行工作，該循環(huán)可視為由兩個絕熱過程和兩個等容過程組成如圖所示為一定質(zhì)量的理想氣體所經(jīng)歷的奧托循環(huán)，則該氣體（ ） A.在 ab 的過程中，外界對其做的功全部用于增加內(nèi)能 B.在狀態(tài) a 和 c 時氣體分子的平均動能可能相等 C.在 bc 的過程中，氣體溫度不變 D.在一次循環(huán)過程中氣體吸收的熱量小于放出的熱量 A ab 過程為絕熱壓縮過程，外界對其做正功，根據(jù)熱力學(xué)第一定律，外界

9、對其做的功全部用于增加內(nèi)能，故 A 正確；由 A 的分析可知，狀態(tài) b 的溫度比 a 的溫度高，由狀態(tài) b 到 c 的過程是等容過程，壓強增大，溫度升高，所以 c 狀態(tài)的溫度大于 a 狀態(tài)的溫度，故氣體分子的平均動能不可能相等，故 BC 錯誤；在 bc 的過程中，氣體吸收熱量，從 cd 是絕熱過程，氣體對外做功，從 da 是等容過程，溫度降低，氣體放熱，在一次循環(huán)過程中，氣體內(nèi)能變化為零，而圖像中 abcd 的面積為氣體對外做功，所以氣體吸收的熱量大于放出的熱量，故 D 錯誤。解析：【例題3】氣閘艙是載人航天器中供航天員進入太空或由太空返回用的氣密性裝置，其原理圖如圖所示。座艙A與氣閘艙B之間

10、裝有閥門K，座艙A中充滿空氣，氣閘艙B內(nèi)為真空。航天員從太空返回氣閘艙時，打開閥門K，A中的氣體進入B中，最終達到平衡。假設(shè)此過程中系統(tǒng)與外界沒有熱交換，艙內(nèi)氣體可視為理想氣體，下列說法正確的是（ ）A.氣體并沒有對外做功，氣體內(nèi)能不變B.氣體溫度不變，體積增大，壓強減小C.氣體體積膨脹，對外做功，內(nèi)能減小D.氣體體積變大，氣體分子單位時間對氣缸壁單位面積碰撞的次數(shù)將變少ABD 氣體自由擴散，沒有對外做功，又因為整個系統(tǒng)與外界沒有熱交換，根據(jù)熱力學(xué)第一定律可知內(nèi)能不變，故A正確；因為內(nèi)能不變，故溫度不變，平均動能不變，因為B閘艙 內(nèi)為真空，對于座艙 A中充滿的空氣，根據(jù)玻意耳定律可知，擴散后壓

11、強減小，體積增大，所以氣體的密集程度減小，根據(jù)氣體壓強的微觀意義可知，氣體分子單位時間對氣缸壁單位面積碰撞的次數(shù)將變少，故C、D正確。解析：1、下列關(guān)于內(nèi)能的說法正確的是（ ） A.物體吸收熱量，內(nèi)能一定增加 B.物體放出熱量，內(nèi)能一定減少 C.當做功和熱傳遞同時存在時，物體的內(nèi)能可能不變 D.物體對外做功，內(nèi)能可能增加CD當堂小練解析：物體吸收熱量的同時，物體有可能對外做功，所以內(nèi)能不一定增加，A錯；物體放出熱量的同時，有可能外界對物體做功，所以內(nèi)能不一定減少，B錯；當物體從外界吸收的熱量與物體對外界做的功正好相等時，物體內(nèi)能不變，C正確；當物體對外界做功，同時吸收熱量，且吸收的熱量比對外界

12、做功多時，內(nèi)能就有可能增加，D正確。2、如圖所示，內(nèi)壁光滑的絕熱汽缸固定在水平面上，其右端由于有擋板，厚度不計的絕熱活塞不能離開汽缸，汽缸內(nèi)封閉著一定質(zhì)量的理想氣體，活塞距汽缸右端的距離為0.2 m.現(xiàn)對封閉氣體加熱，活塞緩慢移動，一段時間后停止加熱，此時封閉氣體的壓強變?yōu)?105 Pa.已知活塞的橫截面積為0.04 m2，外部大氣壓強為1105 Pa，加熱過程中封閉氣體吸收的熱量為2 000 J，則封閉氣體的內(nèi)能變化量為（ ）A.400 J B.1200 J C.2 000 J D.2 800 JB解析：由題意可知，氣體先等壓變化，到活塞運動到擋板處再發(fā)生等容變化，等壓變化過程氣體對外做功，做功為Wp0Sx11050.040.2 J800 J，由熱力學(xué)第一定律可知，封閉氣體的內(nèi)能變化量為UWQ(8002 000)J1200 J。3、一定質(zhì)量的理想氣體，從狀態(tài)a開始，經(jīng)歷ab、bc、ca三個過程回到原狀態(tài)，其VT圖像如圖所示，其中圖線ab的反向延長線過坐標原點O，圖線bc平行于T軸，圖線ca平行于V軸，則（ ）A.ab過程中氣體壓強不變，氣體從外界吸熱B.bc過程中氣體體積不變，氣體不吸熱也不放熱C.ca過程中氣體溫度不變，氣體從外界吸熱D.整個變化過程中氣體的內(nèi)能先減少后增加A解析：由題圖中圖線ab的反向延長線過坐標原點O，可知a到b過程中，氣體壓強不變，體積變大，氣