2022-2023年粤教版(2019)新教材高中物理选择性必修3 第3章热力学定律第1节热力学第一定律课件

第一节

热力学第一定律高二—粤教版—物理—选择性必修3第三章1．物体由大量分子组成；2．分子总在不停地做无规则运动，运动的剧烈程度与物质的温度有关。3．分子间存在相互作用的引力和斥力；基础知识回顾物体的内能物体内部的分子由于作热运动，所以具有分子动能。布朗运动微观示意图油膜法测量分子直径弹弓发生弹性形变，有弹力的作用，具有弹性势能工人在高空作业有重力的作用，具有重力势能那么，在物体内部的分子也具有势能吗？点电荷相互之间有电场力的作用，具有电势能物体的内能分子之间存在作用力，当分子间距大于r0时，分子力表现为引力；当分子间距小于r0时，分子力表现为斥力。当分子间距改变，分子力做功，会引起能量的变化。

所以，分子间具有由他们相对位置决定的势能，称为分子势能。物体的内能若取无穷远处分子势能为0。

当分子间距从无限远到平衡位置r0时，分子力表现为引力。分子间距减少，分子力作正功，分子势能减少；当分子间距为平衡位置r0时，分子间作用力为零，分子势能最小。当分子间距小于r0时，分子间作用力表现为斥力。当分子间距减少，分子力作负功，分子势能增大；

综上可得两分子间势能与分子间距的关系图像。物体的内能分子力F分子势能Ep图象随分子间距离的变化情况r<r0F随r增大而减小,表现为斥力r增大,F做正功,Ep减少r>r0r增大,F先增大后减小,表现为引力r增大,F做负功,Ep增大r=r0F引=F斥,F=0Ep最小,但不为零r>10r0引力和斥力都很微弱,F=0Ep=0物体的内能

我们把物体的机械运动的动能和势能总和称为机械能。类似的，物体中所有分子的动能和分子势能的总和，叫做物体的内能。内能温度温度上升，分子动能增加体积体积变化，分子间距变化，分子势能变化那么，可以用什么方式可以使物体内能发生变化呢？改变物体内能的两种方式——热传递生活中，如把金属勺子放在热汤中，勺子温度升高，内能增大；食物放入冰箱，温度下降，内能减少；在太阳光的照射下，太阳能热水器中的水温度升高，内能增大。这些例子，都是通过热传递来改变物体内能。热传递可以改变物体内能，热传递过程中物体内能变化的量称为热量。

习惯上我们所说的“物体吸热（或放热）多少”，实际上是指热传递使物体的内能增加（或减少）多少。

比如说，柴火烧水，水吸热后内能增加沸腾。烧开后熄灭柴火，开水对外放热，内能减少，温度下降，一段时间后会与外界温度一致。改变物体内能的两种方式——热传递改变物体内能的两种方式——做功对物体做功，可以改变物体内能。我们可以通过实验来研究做功如何改变物体内能如何知道物体的内能发生改变？一定质量的气体，分子数目不变。气体分子间距离很大，分子间作用力忽略不计，气体分子势能为零。所以气体内能仅与温度有关。实验中，推动活塞即对气体做功，测量气体的温度的变化，就可以研究做功与气体内能的变化的关系。一定质量的气体分子动能分子势能物体内能分子数目控制变量实验：研究活塞对气体做功与气体内能变化的关系℃℃改变物体内能的两种方式——做功迅速压缩气体迅速压缩气体的目的是：使过程中筒内气体与外界几乎没有热传递发生（绝热过程）。实验过程：首先推动活塞，迅速压缩气体，对气体做功。然后释放活塞，气体推动活塞做功。用电子温度计测量气体的温度的变化，研究做功与气体内能的变化的关系。活塞迅速压缩气体过程实验现象与分析：迅速压缩气体，对气体做功，筒内气体与外界几乎没有热传递发生，所以做功可以使物体内能增大。实验中筒内气体温度上升，气体分子动能增大，气体分子势能为零，所以筒内气体内能增大。1、气体内能的变化情况分析2、气体内能增加，说明什么？℃℃气体迅速膨胀过程实验现象与分析：实验中筒内气体温度下降，气体分子动能减少，气体分子势能为零，所以筒内气体内能减少。1、气体内能的变化情况分析℃℃气体膨胀向外做功，气体内能减少，所以做功可以使物体内能减少。2、气体内能减少，说明什么？改变物体内能的两种方式气体被压缩外界对气体做功气体温度上升，内能增加。气体膨胀气体对外界做功气体温度下降，内能减少。结论：在绝热过程中，外界对物体做功，物体内能增大。物体对外界做功，内能减少。改变物体内能的两种方式思考与讨论：做功和热传递都可以改变物体的内能，两者是等效的吗？做功和热传递又有什么区别呢？在实际中，我们可以用加热（热传递）的方法使一根铁棒升温，同时也可以用摩擦生热（做功）的方法使铁棒上升相同的温度。所以，对于改变物体内能来说，两者是等价的。但是从能量转化和转移的角度，两者有所区别。做功是内能与其他形式的能之间的转化，而热传递则是不同物体或部分之间内能的转移。综上所述，物体内能的改变，可以通过热传递和做功两种方式实现。压缩气体做功，可使其内能增大；而由于压缩过程比较缓慢，气体同时与外界进行热传递，把内能又转移到周围的环境中，于是缓慢压缩的过程中，筒内气体的内能几乎没有变化。2.同是压缩气体做功，为什么缓慢压缩气体的时候，气体的内能几乎不变？实验3.缓慢压缩筒内气体1.气体内能的变化情况分析实验中筒内气体温度几乎不变，气体分子动能不变，分子势能为零，所以筒内气体内能几乎不变。那么，通过做功和热传递，物体内能会变化，它们之间存在着什么样的定量关系呢？热力学第一定律及其应用若一个物体不与外界发生热传递，它的内能变化等于什么？若一个物体，外界对其没有做功，它的内能变化等于什么？综上，若一个物体既与外界发生热传递，同时外界又对其做功，它的内能变化等于什么？ΔU1=WΔU2=QΔU=ΔU1+ΔU2=Q+W热力学第一定律及其应用讨论和交流：根据热力学第一定律的物理意义，如何规定Q，W和ΔU的符号，才能全面反映功，热量和内能改变量间的定量关系呢？热力学第一定律：一个物体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。ΔU=Q+W热力学第一定律及其应用符号WQΔU+-ΔU=Q+W问题1：外界对物体做功，外界对物体传递热量（吸热），物体内能如何变化？问题2：物体对外界做功，物体对外界传递热量（放热），物体内能如何变化？内能增加内能减少物体吸收热量物体放出热量外界对物体做功物体对外界做功热力学第一定律及其应用

例1.如图所示，密封在容器内的理想气体在保持压强p不变的情况下，体积从V1膨胀到V2，气体向外推动活塞。请问气体的内能变化情况是什么样的呢？热力学第一定律及其应用

首先，理想气体的内能只与温度有关，与体积无关。气体发生等压变化，由盖-吕萨克定律：

可得，气体体积增大，温度升高，内能变大。又由热力学第一定律：

可得，气体体积增大，对外界做功，W小于0；内能变大，ΔU大于0;所以Q必须大于0，气体从外界吸收热量。++➖热力学第一定律及其应用

例2.如图所示，某同学将空的玻璃瓶开口向下缓缓压入水中。设水温均匀且恒定，瓶内空气无泄漏，不计空气分子间的相互作用，则被淹没的玻璃瓶在下降的过程中，气体是吸热还是放热，为什么？热力学第一定律及其应用

答：在玻璃瓶下降的过程中，瓶内气体的压强随着水深度变大而变大，气体温度不变，体积减少。由玻意耳定律：

可得，气体内能不变，ΔU等于0。压强变大，体积减少，外界对气体做功，W大于0，由热力学第一定律：

可得，Q小于0，气体对外界放出热量，且放出热量Q与外界做功W相等。+➖0例3.一定质量的理想气体从状态A经等压过程到状态B，如图所示。在这个过程中，气体压强

p=1×105Pa，吸收的热量Q=

7.0×10²J，求此过程中气体内能的增量。理想气体从状态A经等压过程到状态B，由盖吕萨克定律可得解得：在该过程中，外界对气体做功为：根据热力学第一定律：解得：课堂小结内能改变内能的方式热力学第一定律：做功热传递热力学第一定律分子势能分子动能ΔU=Q+WW>0,外界对物体做功W<0,物体对外界做功Q>0,物体吸热Q<0,物体放热1.物体的内能不变，能否说明外界既没有对物体做功，也没有发生热传递？答：不能，内能不变，有可能是外界对物体做的功等于物体放出的热量或者物体吸收的热量等于物体对外界做的功。这都会使物体内能不变。2．物体内能大，能不能理解为物体内部存储的热量多？答：不能，像做功一样，热量的概念只有在涉及能量的转移时才有意义。我们不能说物体具有多少热量，只能说某一过程中物体吸收或放出多少热量。3.如果用Q表示物体吸收的能量，用W表示物体对外界所做的功，ΔU表示物体内能的增加，那么热力学第一定律可以表达为Q=W+ΔU。怎样解释这个表达式的物理意义?答：系统从外界吸收的热量Q等于系统对外界做的功与系统内能增量之和。这种表述是从热机的效率角度考虑，外界传递给系统的热量，一部分用来增加系统的内能，另一部分就是系统对外所做的功。4．把一空的矿泉水瓶拧紧后放入冰箱，经过一段时间取出，可以观察到什么现象？此过程瓶内气体的内能如何变化？（不计分子势能）答：我们可以观察到瓶子变瘪，因为水瓶放入冰箱后，瓶内气体温度降低。而气体压强始终与大气压相等，几乎不变，所以体积减少。此过程瓶内气体温度降低，内能减少，而且体积减少，外界对气体做功。由热力学第一定律:ΔU=Q+W，过程中气体放热。5.如图所示，用隔板将一绝热气缸分成两部分，隔