熱力學第一定律課件

第1節(jié)

熱力學第一定律第三章熱力學定律

問題：在空氣壓縮引火儀底部放置少量的硝化棉，迅速壓下筒中的活塞，會有什么現象？你能解釋這個現象嗎？解釋：當迅速壓下活塞時，活塞壓縮筒內空氣做功，使筒內空氣的內能增大，溫度升高，達到硝化棉的燃點使其燃燒。結論：做功可以改變物體的內能。

19世紀30年代，人們逐漸認識到，為了使系統(tǒng)的熱力學狀態(tài)發(fā)生變化，既可以向它傳熱，也可以對它做功。

從1840年開始，英國物理學家焦耳進行了多種多樣的實驗，以求精確測定外界對系統(tǒng)做功和傳熱對于系統(tǒng)狀態(tài)的影響，以及功與熱的相互關系。這項研究工作為熱力學第一定律和能量守恒定律的建立奠定了堅實的實驗基礎焦耳

焦耳測量了熱與機械功之間的當量關系——熱功當量，為熱力學第一定律和能量守恒定律的建立奠定了實驗基礎。焦耳的實驗1818年12月24日生于英國曼徹斯特，起初研究電學和磁學。1840年在英國皇家學會上宣布了電流通過導體產生熱量的定律，即焦耳定律。絕熱過程系統(tǒng)只通過對外界做功或外界對它做功而與外界交換能量，它不從外界吸熱，也不向外界放熱，這樣的過程叫做絕熱過程。焦耳實驗是一個需要在絕熱過程中完成的實驗

焦耳的實驗焦耳的代表性實驗一：焦耳熱功當量實驗裝置—機械功

重物下落帶動葉片攪拌容器中的水，引起水溫上升

實驗結論：

只要重力所做的功相同，容器內水溫上升的數值都是相同的，即系統(tǒng)內能的變化是相同的。

焦耳的實驗焦耳的代表性實驗二：焦耳熱功當量實驗裝置—電功

實驗結論：對同一個系統(tǒng)，如果過程是絕熱的，只要所做的電功相等，則系統(tǒng)溫度上升的數值是相同的，即系統(tǒng)的內能的變化是相同的。

焦耳的實驗汽缸內有一定質量的氣體，壓縮氣體的同時給汽缸加熱。那么，氣體內能的變化會比單一方式（做功或傳熱）更明顯。這是為什么呢？改變內能的兩種方式做功W熱傳遞Q對內對外吸熱放熱內能增加內能增加內能減少內能減少（外界對物體做功）（物體對外界做功）（物體從外界吸熱）（物體對外界放熱）

做功和熱傳遞都可以改變物體的內能，二者是等效的。那么，做功和熱傳遞有什么區(qū)別？做功的實質是內能與其他形式的能之間的轉化；熱傳遞的實質是不同物體（或同一物體不同部分）之間內能的轉移。若一個物體不與外界發(fā)生熱傳遞（絕熱），它的內能變化等于什么？若一個物體，外界對其沒有做功（無功），它的內能變化等于什么？綜上，若一個物體既與外界發(fā)生熱傳遞，同時外界又對其做功，它的內能變化等于什么？ΔU=WΔU=QΔU=Q+W1、內容：一個熱力學系統(tǒng)的內能變化量（增量）等于外界向它傳遞的熱量與外界對它所做的功的和.2、物理意義：熱力學第一定律不僅反映了做功與傳熱在改變系統(tǒng)內能方面是等效的，而且給出了功、熱量跟系統(tǒng)內能改變之間的定量關系.3、表達式：ΔU：物體內能的增加量

W：

外界對物體做的功

Q：

物體吸收的熱量

ΔU＝W+Q4、推廣：上式也適用于物體對外做功、向外界散熱和內能減少的情況。但要注意各量的符號.熱力學第一定律典例：一定質量的氣體，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，氣體內能的變化量是多少?內能是增加了還是減少了?請你通過這個例子總結功和熱量取正、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=-135J系統(tǒng)向外放熱：Q=-85J根據熱力學第一定律：ΔU=W+Q代入得：ΔU=-135+（-85）=-220J內能減少了220J5、定律中各量的正、負號及含義ΔU=W+Q

物理量符號意義符號意義W＋－Q＋－ΔU＋－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能增加內能減少熱力學第一定律6、幾種特殊情況(1)若過程是絕熱的，即Q＝0，則ΔU＝W，物體內能的增加量等于外界對物體做的功。(2)若過程中不做功，即W＝0，則ΔU＝Q，物體內能的增加量等于物體從外界吸收的熱量。(3)若過程的始末狀態(tài)物體的內能不變，即ΔU＝0，則W＝－Q(或Q＝－W)，外界對物體做的功等于物體放出的熱量(或物體吸收的熱量等于物體對外界做的功)。ΔU=W+Q

熱力學第一定律理想氣體內能的判斷理想氣體：在任何溫度、任何壓強下都遵從氣體實驗定律的氣體。1、忽略分子勢能，只有分子動能2、內能看溫度，做功看體積ΔU＝W+Q3、溫度不變，理想氣體內能不變△U=04、氣體體積減小→外界對氣體做功W＞05、氣體積增大→氣體對外界做功W＜0【例1】如圖所示，密封在容器內的理想氣體在保持壓強p不變的情況下，體積從V1膨脹到V2，氣體向外推動活塞。請問氣體的內能變化情況是什么樣的呢？首先，理想氣體的內能只與溫度有關，與體積無關。氣體發(fā)生等壓變化，由蓋-呂薩克定律：

可得，氣體體積增大，溫度升高，內能變大。又由熱力學第一定律：

可得，氣體體積增大，對外界做功，W小于0；內能變大，ΔU大于0；所以Q必須大于0，氣體從外界吸收熱量，一部分用來增加內能，另一部分轉化為對外所做的功。++?【例2】如圖所示，某同學將空的玻璃瓶開口向下緩緩壓入水中。設水溫均勻且恒定，瓶內空氣無泄漏，不計空氣分子間的相互作用，則被淹沒的玻璃瓶在下降的過程中，氣體是吸熱還是放熱，為什么？解：在玻璃瓶下降的過程中，瓶內氣體的壓強隨著水深度變大而變大，氣體溫度不變，體積減少。由玻意耳定律：

可得，氣體內能不變，ΔU等于0。壓強變大，體積減少，外界對氣體做功，W大于0，由熱力學第一定律：

可得，Q小于0，氣體對外界放出熱量，且放出熱量Q與外界做功W相等。+?0【例3】如圖，一臺四沖程內燃機，活塞在壓縮沖程某段時間內移動的距離為0.1m，這段過程活塞對氣體的壓力逐漸增大，其做的功相當于2×103N的恒力使活塞移動相同距離所做的功（圖甲）。內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。⑴求上述壓縮過程中氣體內能的變化量。①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=2×102×0.1J=200J系統(tǒng)向外放熱：Q=-25J氣體內能的變化量：ΔU1=W1＋Q1=200J-25J=175J③正確選取W與Q的正負。②明確氣體狀態(tài)變化過程。分析：解析：

【例3】如圖，一臺四沖程內燃機，活塞在壓縮沖程某段時間內移動的距離為0.1m，這段過程活塞對氣體的壓力逐漸增大，其做的功相當于2×103N的恒力使活塞移動相同距離所做的功（圖甲）。內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。⑵燃燒后的高壓氣體對活塞做功，氣體推動活塞移動0.1m，其做的功相當于9×103N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能的變化量。①確定研究對象：汽缸中的氣體。③正確選取W與Q的正負。②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)）對外界所做功，W是負值：W2=F2L2=-9×102×0.1J=-900J系統(tǒng)向外放熱：Q=-30J氣體內能的變化量：ΔU2=W2＋Q2=-900J-30J=-930J1、恒溫水槽中的氣泡緩慢上升的過程中（）A．壓強增加，外界對氣泡做功，氣泡對外放熱B．壓強增加，氣泡對外做功，氣泡從外界吸熱C．壓強減小，外界對氣泡做功，氣泡對外放熱D．壓強減小，氣泡對外做功，氣泡從外界吸熱D隨堂鞏固2、采用渦輪增壓技術可提高汽車發(fā)動機效率。將渦輪增壓簡化為以下兩個過程，一定質量的理想氣體首先經過絕熱過程被壓縮，然后經過等壓過程回到初始溫度，則（

）A．絕熱過程中，氣體分子平均動能增加

B．絕熱過程中，外界對氣體做負功C．等壓過程中，外界對氣體做正功

D．等壓過程中，氣體內能不變3、(2017·全國卷Ⅱ)如圖，用隔板將一絕熱汽缸分成兩部分，隔板左側充有理想氣體，隔板右側與絕熱活塞之間是真空。現將隔板抽開，氣體會自發(fā)擴散至整個汽缸。待氣體達到穩(wěn)定后，緩慢推壓活塞，將氣體壓回到原來的體積。假設整個系統(tǒng)不漏氣。下列說法正確的是(

)A．氣體自發(fā)擴散前后內能相同B．氣體在被壓縮的過程中內能增大C．在自發(fā)擴散過程中，氣體對外界做功D．氣體在被壓縮的過程中，外界對氣體做功E．氣體在被壓縮的過程中，氣體分子的平均動能不變4、如圖所示，一個內壁光滑的圓柱形汽缸，高度為L、底面積為S，缸內有一個質量為m的活塞，封閉了一定質量的理想氣體。溫度為熱力學溫標T0時，用繩子系住汽缸底，將汽缸倒過來懸掛起來，汽缸處于豎直狀態(tài)，缸內氣體高為L0。已知重力加速度為g，大氣壓強為p0，不計活塞厚度及活塞與缸體的摩擦，求：(1)采用緩慢升溫的方法使活塞與汽缸脫離，缸內氣體的溫度至少要升高到多少？(2)從開始升溫到活塞剛要脫離汽缸，缸內氣體壓力對活塞做功多少？(3)當活塞剛要脫離汽缸時，缸內氣體的內能增加量為ΔU，則氣體在活塞下移的過程中吸收的熱量為多少？熱力學第一定律表述：一個熱力學系統(tǒng)的內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數學表達式：ΔU=Q+W定律中各量的正、負號及含義

W=0，則ΔU=Q

Q

=0，則ΔU=WΔU=0，則W=-

Q

5、如圖，一封閉著理想氣體的絕熱汽缸置于水平地面上，用輕彈簧連接的兩絕熱活塞將汽缸分為f、g、h三部分，活塞與汽缸壁間沒有摩擦。初始時彈簧處于原長，三部分中氣體的溫度、體積、壓強均相等?，F通過電阻絲對f中的氣體緩慢加熱，停止加熱并達到穩(wěn)定后（）

A．h中的氣體內能增加 B．f與g中的氣體溫度相等C．f與h中的氣體溫度相等 D．f與h中的氣體壓強相等6、如圖，一豎直放置的汽缸上端開口，汽缸壁內有卡口a和b，a、b間距為h，a距缸底的高度為H；活塞只能在a、b間移動，其下方密封有一定質量的理想氣體。已知活塞質量為m，面積為S，厚度可忽略；活塞和汽缸壁均絕熱，不計它們之間的摩擦。開始時活塞處于靜止狀態(tài)，上、下方氣體壓強均為p0，溫度均為T0。現用電熱絲緩慢加熱汽缸中的氣體，直至活塞剛好到達b處。求此時汽缸內氣體的溫度以及在此過程中氣體對外所做的功。（重力加速度大小為g）7、如圖所示，一定質量的理想氣體由a狀態(tài)變化到b狀態(tài)，下列說法正確的有(

)A．外界對氣體做功B．氣體對外界做功C．氣體向外界放熱D．氣體從外界吸熱BD

[由圖可看出從a到b氣體體積增大溫度升高，內能增大，氣體對外界做功，氣體從外界吸收熱量，故B、D正確．]√√8、(2017·全國卷Ⅲ)如圖，一定質量的理想氣體從狀態(tài)a出發(fā)，經過等容過程ab到達狀態(tài)b，再經過等溫過程bc到達狀態(tài)c，最后經等壓過程ca回到初態(tài)a。下列說法正確的是(

)A．在過程ab中氣體的內能增加B．在過程ca中外界對氣體做功C．在過程ab中氣體對外界做功D．在過程bc中氣體從外界吸收熱量E．在過程ca中氣體從外界吸收熱量

10、如圖所示，一定質量的理想氣體分別經歷a→b和a→c兩個過程，其中a→b為等溫過程，狀態(tài)b、c的體積相同，則（）A．狀態(tài)a的內能大于狀態(tài)b B．狀態(tài)a的溫度高于狀態(tài)cC．a→c過程中氣體吸收熱量 D．a→c過程中外界對氣體做正功11、一定質量的理想氣體由狀態(tài)a變?yōu)闋顟B(tài)c，其過程如p—V圖中a→c直線段所示，狀態(tài)b對應該線段的中點。下列說法正確的是（

）A．a→b是等溫過程B．a→b過程中氣體吸熱C．a→c過程中狀態(tài)b的溫度最低D．a→c過程中外界對氣體做正功12、一定量的理想氣體從狀態(tài)a經狀態(tài)b變化到狀態(tài)c，其過程如T-V圖上的兩條線段所示，則氣體在（