3.2 熱力學(xué)第一定律（教案） 高二物理人教版（2019）選擇性必修第三冊

第三章熱力學(xué)定律第2節(jié)熱力學(xué)第一定律教學(xué)設(shè)計問題與目標(biāo)1.通過對物體內(nèi)能改變方式的定量分析，從能量轉(zhuǎn)化的觀點理解熱力學(xué)第一定律的形式和內(nèi)涵。

2.通過對四沖程內(nèi)燃機(jī)工作過程的分析，學(xué)會用ΔU=W+Q分析和解決相關(guān)問題。重點與難點重點

熱力學(xué)第一定律ΔU=W+Q的理解。

難點

ΔU=W+Q中三個物理量正負(fù)號的理解。教學(xué)準(zhǔn)備教師要求多媒體課件、柴油機(jī)模型、電動機(jī)、燈泡、打氣筒等。學(xué)生要求回顧功、熱量和內(nèi)能改變的關(guān)系。教學(xué)過程一、導(dǎo)入新課我們已經(jīng)學(xué)習(xí)了改變物體內(nèi)能的兩種方式，也知道了內(nèi)能改變的過程就是內(nèi)能和其他形式能的轉(zhuǎn)化或內(nèi)能的轉(zhuǎn)移過程，那么在能的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移中，符合什么規(guī)律呢?

本節(jié)課我們就來學(xué)習(xí)這個問題。二、新課教學(xué)1.熱力學(xué)第一定律(1)一個物體，它既沒有吸收熱量，也沒有放出熱量，那么：①如果外界對物體做的功為W，則它的內(nèi)能如何變化?變化了多少?②如果物體對外界做的功為W，則它的內(nèi)能如何變化？變化了多少？

(2)如果外界既沒有對物體做功，物體也沒有對外界做功，那么：

①如果物體從外界吸收熱量Q，它的內(nèi)能如何變化?變化了多少?

②如果物體對外界放出熱量Q，它的內(nèi)能如何變化?變化了多少?

學(xué)生交流討論，解答思考題。師生共同總結(jié)：一個物體，如果它既沒有吸收熱量，也沒有放出熱量，那么，外界對它做多少功，它的內(nèi)能就增加多少；物體對外界做多少功，它的內(nèi)能就減少多少。

如果外界既沒有對物體做功，物體也沒有對外界做功，那么，物體吸收了多少熱量，它的內(nèi)能就增加多少，物體放出了多少熱量，它的內(nèi)能就減少多少。

(3)如果物體在與外界同時發(fā)生做功和熱傳遞的過程中，內(nèi)能的變化與熱量Q及做的功W之間又有什么關(guān)系呢？

總結(jié)：做功和熱傳遞都可以改變物體的內(nèi)能。在一般情況下，如果物體跟外界同時發(fā)生做功和熱傳遞的過程，那么，外界對物體做的功W加上物體從外界吸收的熱量Q等于物體內(nèi)能的增加，即ΔU=W+Q。上述公式表示功、熱量跟內(nèi)能改變之間的關(guān)系，也就是說，一個熱力學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)能變化量等于外界向它傳遞的熱量與外界對它所做的功的和。這個關(guān)系叫作熱力學(xué)第一定律。

2.如何理解熱力學(xué)第一定律

問題1：改變內(nèi)能的兩種方式是什么?

做功與熱傳遞。兩者在改變系統(tǒng)內(nèi)能方面是等效的。

問題2：如圖所示，快速推動活塞對汽缸內(nèi)氣體做功10J，氣體內(nèi)能改變了多少?若保持氣體體積不變，外界對汽缸傳遞10J的熱量，氣體內(nèi)能改變了多少?無論是推動活塞對汽缸內(nèi)氣體做功10J還是外界對汽缸傳遞10J的熱量，氣體的內(nèi)能都增加了10J。

問題3：一根金屬絲經(jīng)過某一物理過程，溫度升高了。

除非事先知道，否則根本無法判斷是通過做功的方法還是通過熱傳遞的方法使它的內(nèi)能增加的。因為單純地對系統(tǒng)做功和單純地對系統(tǒng)傳熱都能改變系統(tǒng)的內(nèi)能。既然它們在改變系統(tǒng)內(nèi)能方面是等價的，那么，當(dāng)外界對系統(tǒng)做功為W，又對系統(tǒng)傳熱為Q時，系統(tǒng)內(nèi)能的增量ΔU應(yīng)該是多少?

系統(tǒng)內(nèi)能的增量為ΔU=W+Q。

問題4：怎樣理解公式ΔU=W+Q?

熱力學(xué)第一定律不僅適用于外界對物體做功和吸收

熱量的內(nèi)能增加的情況，也適用于物體對外做功并向外界散熱的內(nèi)能減少的情況。教師引導(dǎo)學(xué)生從熱力學(xué)第一定律的內(nèi)容來分析上述三個物理量的符號的規(guī)定。具體如下：

如果系統(tǒng)的內(nèi)能是減少的，則ΔU的符號為“-”，相反則為“+”；同理，系統(tǒng)放出熱量，Q的符號取“-”，吸收熱量則取“+”；氣體對外界做功，W的符號取“-”，外界對系統(tǒng)做的功則取“+”。總而言之，與定律內(nèi)容相反的取“-”號，否則取“+”號。詳見下表：WQΔU符號外界對物體做功物體吸收熱量內(nèi)能增加+物體對外界做功物體放出熱量內(nèi)能減少-3.氣體狀態(tài)變化與物理量對應(yīng)的方法

(1)絕熱過程：過程是絕熱的，即Q=0，則W=ΔU，外界對系統(tǒng)做的功等于系統(tǒng)內(nèi)能的增加。

(2)等容過程：無做功過程，即W=0，則Q=ΔU，系統(tǒng)吸收的熱量等于系統(tǒng)內(nèi)能的增加。

(3)等溫過程：在過程的始、末狀態(tài)，系統(tǒng)的內(nèi)能不變，即ΔU=0，則W+Q=0或W=-Q，表示吸收的熱量全部用來做功或外界對氣體所做的功全部轉(zhuǎn)換為熱量放出。

4.應(yīng)用熱力學(xué)第一定律解題的一般步驟

(1)首先選定研究對象是哪個熱力學(xué)系統(tǒng)。

(2)根據(jù)符號法則寫出各已知量W、Q、ΔU的正負(fù)。

(3)根據(jù)方程ΔU=Q+W求出未知量。

(4)根據(jù)未知量結(jié)果的正負(fù)來確定吸熱、放熱情況或做功情況。

5.典例講解【例題】

如圖(3.2-1)所示，一臺四沖程內(nèi)燃機(jī)，活塞在壓縮沖程某段時間內(nèi)移動的距離為0.1m，這段過程活塞對氣體的壓力逐漸增大，其做的功相當(dāng)于2×103N的恒力使活塞移動相同距離所做的功[如圖(3.2-2)甲所示]。內(nèi)燃機(jī)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。(1)求上述壓縮過程中氣體內(nèi)能的變化量。

(2)燃燒后的高壓氣體對活塞做功，氣體推動活塞移動0.1m，其做的功相當(dāng)于9×103N的恒力使活塞移動相同距離所做的功[如圖(b)所示]，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。

分析根據(jù)熱力第一定律，在第(1)問中，活塞壓縮氣體的過程是外界對系統(tǒng)做功，活塞對氣體所做的功W1為正值；在第(2)問中，氣體膨脹推動活塞的過程是系統(tǒng)對外界做功，氣體對外界所做的功W2為負(fù)值。在兩種情況下，氣體都把熱量傳遞給了汽缸，都屬于放熱，因此Q1、Q2均為負(fù)值。

解(1)壓縮過程活塞對氣體做的功W1=F1l1=2×103×0.1J=200J，

氣體內(nèi)能的變化量ΔU1=W1+Q1=(200-25)J=175J。

(2)氣體膨脹過程中氣體對外界所做的功W2=F2l2=-9×103×0.1J=-900J，

氣體內(nèi)能的變化量ΔU2=W2+Q2=(-900-30)J=-930J。

汽缸內(nèi)氣體在壓縮過程中內(nèi)能增加了175J，在膨脹做功過程中氣體內(nèi)能減少了930J。三、課堂小結(jié)本節(jié)課我們主要學(xué)習(xí)了：

熱力學(xué)第一定律：熱力學(xué)第一定律是研究功、熱量和內(nèi)能改變之間關(guān)系的定律。

一個熱力學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)能變化量等于外界向它傳遞的熱量與外界對它所做的功的和。這個關(guān)系叫作熱力學(xué)第一定律。即ΔU=W+Q。

該定律既適用于外界對物體做功，物體吸熱，內(nèi)能增加的情況，也適用于物體對外做功，向外界散熱，內(nèi)能減少的情況。為了區(qū)別以上兩種情況，在應(yīng)用ΔU=W+Q進(jìn)行計算時、它們的正負(fù)號規(guī)定如下：

W>0，表示外界對系統(tǒng)做功，W<0，表示系統(tǒng)對外界做功；Q>0，表示系統(tǒng)從外界吸熱，Q<0，表示系統(tǒng)向外界放熱；ΔU>0，表示系統(tǒng)內(nèi)能增加，ΔU<0，表示系統(tǒng)內(nèi)能減少。四、作業(yè)設(shè)計完成課本第53頁練習(xí)題課堂練習(xí)1.下列說法正確的是()A．物體放出熱量，其內(nèi)能一定減少B．外界對物體做功，其內(nèi)能一定增加C．物體吸收熱量同時對外做功，其內(nèi)能一定減少D．物體吸收熱量且外界對物體做功，其內(nèi)能一定增加2.密閉有空氣的薄塑料瓶因降溫而變扁，此過程中瓶內(nèi)空氣（不計分子勢能）()A.內(nèi)能增大，放出熱量 B.內(nèi)能減小，吸收熱量C.內(nèi)能增大，對外界做功 D.內(nèi)能減小，外界對其做功3.出租車常以天然氣作為燃料，加氣站儲氣罐中天然氣的溫度隨氣溫升高的過程中，若儲氣罐內(nèi)氣體體積及質(zhì)量均不變，則罐內(nèi)氣體（可視為理想氣體）()A.壓強(qiáng)增大，內(nèi)能減小 B.吸收熱量，內(nèi)能增大C.壓強(qiáng)減小，分子平均動能增大 D.對外做功，分子平均動能減小4.在熱力學(xué)第一定律的表達(dá)式中關(guān)于各個物理量的正、負(fù),下列說法中正確的是(

)A.外界對物體做功時W為正,吸熱時Q為負(fù),內(nèi)能增加時為正

B.物體對外界做功時W為負(fù),吸熱時Q為正,內(nèi)能增加時為負(fù)

C.物體對外界做功時W為負(fù),吸熱時Q為正,內(nèi)能增加時為正

D.外界對物體做功時W為負(fù),吸熱時Q為負(fù),內(nèi)能增加時為負(fù)答案以及解析1.答案：D解析：A.根據(jù)熱力學(xué)第一定律知，內(nèi)能的增量由和共同決定，物體放出熱量，但做功不確定，所以其內(nèi)能不一定減少，故A錯誤。B.同理，熱量傳遞不確定，其內(nèi)能也不一定增加，故B錯誤。C.物體吸收熱量，有，物體作為做功，有，但符合并不確定，根據(jù)熱力學(xué)第一定律知，也不確定，所以其內(nèi)能不一定減少，故C錯誤。D.物體吸收熱量且外界對物體做功，有，，根據(jù)熱力學(xué)第一定律知，，即其內(nèi)能一定增加，故D正確。故選：D。2.答案：D解析：不計分子勢能時，氣體的內(nèi)能由溫度決定，當(dāng)溫度降低時，內(nèi)能減小。塑料瓶變扁，內(nèi)部氣體體積減小，外界對它做了功，根據(jù)熱力學(xué)第一定律，它會放出熱量，故D正確。3.答案：B解析：因儲氣罐內(nèi)氣體體積不變，故氣體對外界不做功。罐內(nèi)氣體從外界吸收熱量，氣體體積及質(zhì)量均不變，溫度升高，分子平均動能增大，內(nèi)能增大，壓強(qiáng)變大。只有B正確。4.答案：C解析：外界對物體做功時W為正,反之為負(fù);吸熱時Q為正,反之為負(fù);內(nèi)能增加時為正,反之為負(fù)。故C正確。板書設(shè)計第2節(jié)熱力學(xué)第一定律1.做功W、熱傳遞Q、內(nèi)能變化量ΔU的物理意義

(1)做功：是能量的轉(zhuǎn)化，是一種形式的能向另一種形式的能轉(zhuǎn)化，功是能量轉(zhuǎn)化的量度，用W表示。

(2)熱傳遞：是能量的轉(zhuǎn)移，是熱量由一個物體傳遞給另一個物體，傳遞的能量用熱量Q表示。

(3)內(nèi)能的改變：是物體內(nèi)所有分子的熱運動動能和勢能之和發(fā)生了變化，宏觀表現(xiàn)在溫度