热力学第一定律（教学课件）（人教版2019选择性必修第三册）

第2节热力学第一定律第三章

人教版

选择性必修第三册热力学第一定律01热力学第一定律的应用02做功与气体体积变化的关系03典例分析04压缩气体，内能增大，给气体加热内能也是增大。两者叠加所以就更明显。新课导入汽缸内有一定质量的气体，压缩气体的同时给汽缸加热。那么，气体内能的变化会比单一方式（做功或传热）更明显。这是为什么呢？

另一方面也向我们表明，为了改变系统的状态，做功和传热这两种方法是等价的。也就是说，一定数量的功与确定数量的热相对应。

一方面表明，以不同的方式对系统做功时，只要系统始末两个状态是确定的，做功的数量就是确定的；焦耳的实验ΔU=W单纯地对系统做功做功：单纯地对系统传热：△U＝Q当外界既对系统做功又对系统传热时，内能的变化量就应该是：△U＝Q+W新课导入热力学第一定律PART011、内容：一个热力学系统的内能变化量（增量）等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的和.2、物理意义：热力学第一定律不仅反映了做功与传热在改变系统内能方面是等效的，而且给出了功、热量跟系统内能改变之间的定量关系.3、表达式：ΔU：物体内能的增加量W：

外界对物体做的功Q：

物体吸收的热量ΔU＝W+Q4、推广：上式也适用于物体对外做功、向外界散热和内能减少的情况。但要注意各量的符号.物理量符号意义符号意义W＋外界对物体做功－物体对外界做功Q＋物体吸收热量－物体放出热量ΔU＋内能增加－内能减少气体被压缩气体膨胀定律中各量的正、负号及含义

ΔU=W+Q5、判断是否做功的方法一般情况下外界对系统做功与否，需要看物体的体积是否变化。①若系统体积增大，表明系统对外界做功，W

＜0；②若系统体积减小，表明外界对系统做功，Ｗ

＞0．6、几种特殊情况(1)若过程是绝热的，即Q＝0，则ΔU＝W，系统内能的增加量等于外界对物体做的功。(2)若过程中不做功（单纯传热），即W＝0，则ΔU＝Q，系统内能的增加量等于物体从外界吸收的热量。(3)若过程的始末状态系统的内能不变，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)。(4)对于理想气体，温度变化，内能一定变化，等温过程ΔU＝0。【特别提醒】

(1)当做功和热传递同时发生时，物体的内能可能增加，也可能减小，还可能保持不变。(2)物体内能发生变化可能是由做功引起的，也可能是由热传递引起的，还可能是两者共同作用的结果。一定质量的气体，膨胀过程中是外界对气体做功还是气体对外界做功?如果膨胀时气体对外做的功是135J，同时向外放热85J，气体内能的变化量是多少?内能是增加了还是减少了?请你通过这个例子总结功和热量取正、负值的物理意义。解析：膨胀过程中气体对外界做功系统对外做功：W=-135J系统向外放热：Q=-85J根据热力学第一定律：ΔU=W+Q代入得：ΔU=-135+（-85）=-220J内能减少了220J。思考与讨论小试牛刀1.如图所示，某同学将空的薄金属桶开口向下压入水中。设水温均匀且恒定，桶内空气无泄漏(不计气体分子间的相互作用)，则被淹没的金属桶在缓慢下降过程中，桶内空气(

)A．从外界吸热 B．向外界放热C．内能增大 D．内能减小B小试牛刀2．在一个大气压下，1kg的100℃的水变为1kg的100℃的水蒸气的过程，下列说法中正确的是(

)A．内能不变，对外界做功，一定是吸热过程B．内能增加，吸收的热量等于内能的增加量C．内能不变，吸收的热量等于对外界做的功D．内能增加，从外界吸热，吸收的热量等于对外界做的功和增加的内能之和D热力学第一定律的应用PART02用热力学第一定律解释生活中的现象热的本质【例题】如图，一台四冲程内燃机，活塞在压缩冲程某段时间内移动的距离为0.1m，这段过程活塞对气体的压力逐渐增大，其做的功相当于2×103N的恒力使活塞移动相同距离所做的功（图甲）。内燃机工作时汽缸温度高于环境温度，该过程中压缩气体传递给汽缸的热量为25J。⑴求上述压缩过程中气体内能的变化量。①确定研究对象：汽缸中的气体。（1）压缩过程活塞（外界）对气体（系统）做功，W是正值：W1=F1l1=2×10²×0.1J=200J系统向外放热：Q=-25J气体内能的变化量：ΔU1=W1＋Q1=200J-25J=175J③正确选取W与Q的正负。②明确气体状态变化过程。分析：解析：

【例题】如图，一台四冲程内燃机，活塞在压缩冲程某段时间内移动的距离为0.1m，这段过程活塞对气体的压力逐渐增大，其做的功相当于2×103N的恒力使活塞移动相同距离所做的功（图甲）。内燃机工作时汽缸温度高于环境温度，该过程中压缩气体传递给汽缸的热量为25J。⑵燃烧后的高压气体对活塞做功，气体推动活塞移动0.1m，其做的功相当于9×103N的恒力使活塞移动相同距离所做的功（图乙），该做功过程气体传递给汽缸的热量为30J，求此做功过程气体内能的变化量。①确定研究对象：汽缸中的气体。③正确选取W与Q的正负。②明确气体状态变化过程。分析：解析：

（2）气体膨胀过程中气体（系统）对外界所做功，W是负值：W2=F2L2=-9×10²×0.1J=-900J系统向外放热：Q=-30J气体内能的变化量：ΔU2=W2＋Q2=-900J-30J=-930J【例题】一定质量的气体在某一过程中，外界对气体做了8×104J的功，气体的内能减少了1.2×105J，则下列各式正确的是（）A.W＝8×104J，ΔU＝1.2×105J，Q＝4×104JB.W＝8×104J，ΔU＝－1.2×105J，Q＝－2×105JC.W＝－8×104J，ΔU＝1.2×105J，Q＝2×104JD.W＝－8×104J，ΔU＝－1.2×105J，Q＝－4×104J解析：B

因为外界对气体做功，W取正值，即W＝8×104J；气体内能减少，ΔU取负值，即ΔU＝－1.2×105J；根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，可知Q＝ΔU－W＝－1.2×105J－8×104J＝－2×105J，B选项正确.【例题】一定量的气体从外界吸收了2.6×105J的热量，内能增加了4.2×105J。问：①是气体对外界做了功，还是外界对气体做了功？做了多少焦耳的功？解：①根据ΔU=W+Q得W=ΔU－Q=4.2×105J－2.6×105J=1.6×105JW为正值，外界对气体做功，做了1.6×105J的功。＇②同理可得：W=ΔU－Q=1.6×105J－2.6×105J=－1.0×105J

W为负值，说明气体对外界做功（气体体积变大），做了1.0×105J的功。＇＇②如果气体吸收的热量仍为2.6×105J不变，但是内能只增加了1.6×105J，这一过程做功情况怎样？变式训练解题的一般步骤(1)根据符号法则写出各已知量(W、Q、ΔU)的正、负．(3)再根据未知量结果的正、负来确定吸热、放热情况或做功情况．(2)根据方程ΔU＝W＋Q求出未知量．总结小试牛刀一个系统内能增加了20J．如果系统与周围环境不发生热交换，周围环境需要对系统做的功为()A．40JB．－40JC．－20JD．20JD做功与气体体积变化的关系PART03压缩气体V减小外界对气体做功绝热U增加气体不自由膨胀V增加气体对外界做功绝热U减小气体自由膨胀V增加气体对外界不做功绝热U不变K气体AK气体A真空BK气体A真空B★★★气体的自由膨胀不做功。PVVaVb气体等压变化对外界做功P-V图下方(与坐标轴所围的面积)的“面积”

表示做功多少。W=PΔV非等压变化推动活塞缓慢移动，外力F=pS活塞发生很小位移Δx，ΔW=FΔx=pSΔx=pΔVpSΔxVpOV2V1计算对气体做功【例题】20mol氧气由状态1变化到状态2所经历的过程如图所示(1)沿1→3→2折线；(2)沿1→2直线.试分别求出这两个过程中外界对气体做功.氧气视为理想气体.1020304050V/Lp/×105Pa51020015132解(1)1→3，不做功3→2，做功为W32=20×105×40×10-3J =8×104J总功W132=8×104J(2)由面积求：W1→2 =(5+20)×105×40×10-3J/2

=5×104J小试牛刀图为某种椅子与其升降部分的结构示意图，M、N两筒间密封了一定质量的气体，M可沿N的内壁上下滑动，设筒内气体不与外界发生热交换，在M向下滑动的过程中(

)A．外界对气体做功，气体内能增大B．外界对气体做功，气体内能减小C．气体对外界做功，气体内能增大D．气体对外界做功，气体内能减小A典例分析PART03【例题】某汽车的四冲程内燃机利用奥托循环进行工作，该循环可视为由两个绝热过程和两个等容过程组成如图所示为一定质量的理想气体所经历的奥托循环，则该气体（）A.在a→b的过程中，外界对其做的功全部用于增加内能B.在状态a和c时气体分子的平均动能可能相等C.在b→c的过程中，气体温度不变D.在一次循环过程中气体吸收的热量小于放出的热量A小试牛刀【例题】气闸舱是载人航天器中供航天员进入太空或由太空返回用的气密性装置，其原理图如图所示。座舱A与气闸舱B之间装有阀门K，座舱A中充满空气，气闸舱B内为真空。航天员从太空返回气闸舱时，打开阀门K，A中的气体进入B中，最终达到平衡。假设此过程中系统与外界没有热交换，舱内气体可视为理想气体，下列说法正确的是（）A.气体并没有对外做功，气体内能不变B.气体温度不变，体积增大，压强减小C.气体体积膨胀，对外做功，内能减小D.气体体积变大，气体分子单位时间对气缸壁单位面积碰撞的次数将变少ABD小试牛刀1、下列关于内能的说法正确的是（）

A.物体吸收热量，内能一定增加B.物体放出热量，内能一定减少C.当做功和热传递同时存在时，物体的内能可能不变D.物体对外做功，内能可能增加CD小试牛刀2．一定质量的理想气体在某一过程中，外界对气体做功7.0×104J，气体内能减少1.3×105J，则此过程(

)A．气体从外界吸收热量2.0×105JB．气体向外界放出热量2.0×105JC．气体从外界吸收热量6.0×104JD．气体向外界放出热量6.0×104JB3、如图所示，内壁光滑的绝热汽缸固定在水平面上，其右端由于有挡板，厚度不计的绝热活塞不能离开汽缸，汽缸内封闭着一定质量的理想气体，活塞距汽缸右端的距离为0.2m.现对封闭气体加热，活塞缓慢移动，一段时间后停止加热，此时封闭气体的压强变为2×105Pa.已知活塞的横截面积为0.04m2，外部大气压强为1×105Pa