新教材同步辅导2023年高中物理第三章热力学定律第一节热力学第一定律课件粤教版选择性必修第三册

第三章热力学定律学习目标物理与STSE1．理解分子势能与分子间距离的变化关系曲线．(难点)2．知道什么是内能，知道物体的内能跟温度和体积有关．(重点)3．知道做功与内能改变的数量关系，知道热传递的热量与内能变化的关系．(重点、难点)4．知道做功和热传递是改变内能的两种方式，且对改变系统内能是等效的．(难点)5．掌握热力学第一定律及其表达式

知识点一物体的内能1．分子动能．分子动能：由于分子永不停息地做无规则运动而具有的能量．2．分子势能．(1)分子势能：由分子间的相对位置决定的能．(2)决定因素．①宏观上：分子势能的大小与物体的体积有关．②微观上：分子势能与分子之间的距离有关．3．内能．(1)内能：物体中所有分子的动能与分子势能的总和．(2)普遍性：组成任何物体的分子都在做着无规则的热运动，所以任何物体都具有内能．(3)相关因素．①物体所含的分子总数由物质的量决定．②分子热运动的平均动能由温度决定．③分子势能与物体的体积有关．故物体的内能由物质的量、温度、体积共同决定，同时受物态变化的影响．知识点二改变物体内能的两种方式1．做功．(1)外界只对物体做功时，物体的内能增加．(2)物体只对外界做功时，物体的内能减少．(3)气体被迅速压缩时，外界对气体做功，气体的内能增加，温度升高．(4)气体的体积迅速膨胀时，气体对外界做功，气体的内能减少，温度降低．2．热传递．(1)热传递：高温物体总是自发地把它的内能传递给低温物体，这种没有做功而使物体内能改变的现象称为热传递．(2)热量：热传递时所转移的内能，是热传递过程中物体内能变化的量度．3．就改变物体的内能来说，热传递和做功是等效的，都可以作为内能变化的量度，理所当然内能、功、热量的单位是相同的．知识点三热力学第一定律及其应用1．改变内能的两种方式：做功与热传递．两者在改变系统内能方面是等价的．2．热力学第一定律：一个热力学系统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．3．热力学第一定律的表达式：ΔU＝Q＋W．1．以下说法正确的是(

)A．内能不可能为零B．温度相同，质量相同的物体具有相同的内能C．温度越高的物体，内能越大D．0℃的冰的内能比等质量的0℃的水的内能大解析：内能是所有分子的热运动动能和分子势能的总和，而分子动能又是由分子无规则运动引起的，所以分子动能不可能为零，那么物体的内能当然也不可能为零，A正确；物体的内能与物体的温度、体积和质量(物质的量)有关，B、C错误；因为0℃的冰熔化为0℃的水要吸收热量，所以冰熔化为水，内能增加，0℃的水的内能比等质量的0℃的冰的内能大，D错误．答案：A2．在下述现象中没有做功而使物体内能改变的是(

)A．电流通过电炉丝使温度升高B．流星进入大气层运动温度升高C．铁锤打铁块使铁块温度升高D．在炉火上的水被烧开解析：电流通过电炉丝使温度升高，电流做了功，则A错误；流星进入大气层运动温度升高，流星克服大气摩擦做功而使温度升高，则B错误；铁锤打铁块使铁块温度升高，铁锤对铁块挤压撞击，故C错误；在炉火上的水被烧开，没有做功而使水的内能发生改变，故D正确．答案：D3．(2022·广东模拟预测)(多选)某汽车的四冲程内燃机利用奥托循环进行工作．该循环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．在状态a和c时的内能可能相等B．在a→b过程中，外界对其做的功等于内能增量C．b→c过程中增加的内能大于d→a过程中减少的内能D．在一次循环过程中吸收的热量小于放出的热量强减小，则温度降低，则状态d的温度高于状态a的温度，可得状态c的温度高于状态a的温度，根据一定质量的理想气体内能由温度决定，所以状态a的内能小于状态c的内能，A错误；在a→b过程中为绝热压缩，外界对气体做功ΔW>0，Q＝0，根据热力学第一定律，可知ΔU＝ΔW，即外界对其做的功全部用于增加内能，B正确；从b→c过程系统从外界吸收热量，从c→d过程系统对外做功，从d→a过程系统放出热量，从a→b过程外界对系统做功，根据p-V图像“面积”即为气体做功大小，可知c到d过程气体对外界做功，图像中b→c→d→a围成的图形的面积为气体对外界做的功，整个过程气体内能变为零，则Q吸－Q放>0.即在一次循环过程中吸收的热量大于放出的热量，则b→c过程中增加的内能大于d→a过程中减少的内能，D错误，C正确．答案：BC探究一分子势能1．分子势能与分子力做功的关系．(1)分子力做正功，分子势能减少，分子力做了多少正功，分子势能就减少多少．(2)分子力做负功，分子势能增加，克服分子力做了多少功，分子势能就增加多少．2．分子势能与分子间距的关系．如图为分子间作用力F合和分子势能Ep随r变化的图像．可以看到：(1)当r＝r0时，F合＝0，Ep最小(若以分子间距无限远处为0势能点，则此时Ep<0)．(2)当r>r0时，F合<0，即为引力，所以此时增大r，克服分子力做功，Ep增大．(3)当r<r0时，F合>0即为斥力，所以此时减小r，克服分子力做功，Ep增大．3．分子势能与体积的关系．分子势能与体积有关，一般体积变化，势能就变化(气体除外)，但不能说体积变大，势能就变大．【典例1】由于两个分子间的距离变化而使得分子势能变小，可确定在这一过程中(

)A．两分子间的相互作用力一定表现为引力B．一定克服分子间的相互作用力做功C．两分子间距离一定增大D．两分子间的相互作用力可能增大解析：由分子力做功与分子势能变化关系可知，分子力做正功时，分子势能减小，有两种可能性：一是r<r0，分子力表现为斥力，且分子间距离增大，二是r>r0，分子力表现为引力，且分子间距离减小．综上分析可知A、B、C选项错误，D选项正确．答案：D1．(多选)分子间有相互作用势能，规定两分子相距无穷远时两分子间的势能为零．设分子a固定不动，分子b以某一初速度从无穷远处向a运动，直至它们之间的距离最小．此过程中的下列说法不正确的是(

)A．a、b之间的势能先减小，后增大，再减小B．a、b之间的势能先增大，后减小，再增大C．a、b间的势能先减小，后增大D．分子b的加速度先增大，后减小，再增大解析：此过程由两个阶段组成：相距无穷远到r0，r0到距离最小．第一阶段分子引力先增大后减小，则加速度先增大，后减小，引力对b做正功，a、b之间的势能减小；第二阶段分子斥力一直增大，分子b的加速度一直增大，斥力对b做负功，a、b之间的势能增大．a、b之间的势能先减小，后增大；分子b的加速度先增大，后减小，再增大．故A、B正确．答案：AB探究二做功与内能变化的关系1．功和内能的区别．(1)功是过程量，内能是状态量．(2)在绝热过程中，做功一定能引起系统内能的变化．(3)系统的内能大，并不意味着做功多．在绝热过程中，只有内能变化越大时，对应着做功越大．2．功和内能的关系．(1)做功可以改变系统的内能，功是系统内能转化的量度．在国际单位制中，内能和功的单位都是焦耳．(2)绝热过程中功和内能变化的关系．当系统从某一状态经过绝热过程达到另一状态时，内能的改变量ΔU就等于外界对系统所做的功W，即ΔU＝U2－U1＝W.即在绝热过程中，外界对系统做功，系统的内能增加，外界对系统做多少功，系统的内能就增加多少；系统对外界做功，系统的内能减少，系统对外界做多少功，系统的内能就减少多少．3．做功改变系统内能的实质．做功改变系统内能的过程是将其他形式的能(如机械能)与内能相互转化的过程，做功使系统内能发生变化时，内能改变的多少用做功的数值来度量．【典例2】(2023·甘肃统考模拟)如图所示，导热性能良好的气缸悬挂在天花板上，用轻质活塞(下有轻质挂钩)封闭体积为V0的理想气体，外界大气压为p0，环境温度为T0，活塞截面积为S，与气缸之间的摩擦不计，现在活塞下面挂上质量为m的钩码，活塞缓慢下移，并最后静止在某一位置(未从气缸上脱落)，重力加速度为g.(1)求活塞静止时离气缸上底的距离；(2)如果取下钩码，要保持活塞的位置不变，环境温度需要改变到多少？气缸吸热还是放热？分析绝热过程的方法(1)在绝热的情况下，若外界对系统做正功，系统内能增加，ΔU为正值；若系统对外界做正功，系统内能减少，ΔU为负值．此过程做功的多少为内能转化多少的量度．(2)在绝热过程中，内能和其他形式的能一样也是状态量，气体的初、末状态确定了，即在初、末状态的内能也相应地确定了，内能的变化ΔU也确定了．而功是能量转化的量度，所以ΔU＝W，即W为恒量，这也是判断绝热过程的一种方法．2．(多选)如图所示，为焦耳实验装置图，用绝热性能良好的材料将容器包好，重物下落带动叶片搅拌容器里的水，引起水温升高．关于这个实验，下列说法正确的是(

)A．这个装置可测定做功和内能变化的关系B．做功增加了水的热量C．做功增加了水的内能D．功和热量是完全等价的，无区别解析：将做功过程和吸热过程在同等条件下比较，可测出做功和内能变化的关系，故A正确；做功增加了水的内能，热量只是热传递过程中内能改变的量度，故B错误，C正确；做功和传热产生的效果相同，但功和热量是不同的概念，D错误．答案：AC3．(2023·全国高三专题练习)如图所示，内壁光滑的绝热气缸内用绝热活塞封闭一定质量的理想气体，初始时气缸开口向上放置，活塞处于静止状态，将气缸缓慢转动90°过程中，缸内气体(

)A．内能增加，外界对气体做正功B．内能减小，所有分子热运动速率都减小C．温度降低，速率大的分子数占总分子数比例减少D．温度升高，速率大的分子数占总分子数比例增加解析：初始时气缸开口向上，活塞处于平衡状态，气缸内外气体对活塞的压力差与活塞的重力平衡，则有(p1－p0)s＝mg.气缸在缓慢转动的过程中，气缸内外气体对活塞的压力差大于重力沿气缸壁的分力，故气缸内气体缓慢地将活塞往外推，最后气缸水平，缸内气压等于大气压．气缸、活塞都是绝热的，故缸内气体与外界没有发生热传递，气缸内气体压强作用将活塞往外推，气体对外做功，根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W得：气体内能减小，故缸内理想气体的温度降低，分子热运动的平均速率减小，并不是所有分子热运动的速率都减小，A、B错误；气体内能减小，缸内理想气体的温度降低，分子热运动的平均速率减小，故速率大的分子数占总分子数的比例减小，C正确，D错误．答案：C探究三功、内能、热量和温度的区别与联系1．内能与温度．从宏观上看，温度表示的是物体的冷热程度；从微观上看，温度反映了分子热运动的剧烈程度，是分子平均动能的标志．物体的温度升高，其内能一定增加．但向物体传递热量，物体的内能却不一定增加(可能同时对外做功)．2．热量和内能．(1)内能是由系统的状态决定的，状态确定，系统的内能也随之确定．要使系统的内能发生变化，可以通过热传递或做功两种方式来完成．(2)热量是热传递过程中的特征物理量，热量只是反映物体在状态变化过程中所转移的能量，是用来衡量物体内能变化的，有过程，才有变化，离开过程，毫无意义．(3)对某一状态而言，只有“内能”，根本不存在“热量”和“功”．不能说一个系统中含有多少热量．3．热量与温度．热量是系统内能变化的量度，而温度是系统内大量分子做无规则运动剧烈程度的标志．热传递的前提条件是两个系统之间有温度差，热传递所传递的是热量而不是温度．4．热量与功．热量和功都是系统内能变化的量度，都是过程量，一定量的热量与一定量的功相当，热量可以通过系统转化为功，功也可以通过系统转化为热量，但它们之间有着本质的区别．5．改变内能的两种方式的比较．比较项目做功传热内能变化外界对物体做功，物体的内能增加；物体对外界做功，物体的内能减少物体吸收热，内能增加；物体放出热，内能减少物理实质其他形式的能与内能之间的转化不同物体间或同一物体不同部分之间内能的转移相互联系做一定量的功或传递一定量的热量在改变内能的效果上是相同的【典例3】关于热量、功和内能三个物理量，下列说法中正确的是(

)A．热量、功和内能三者的物理意义相同，只是说法不同B．热量、功都可以作为物体内能变化的量度C．热量、功和内能的单位不同D．功由过程决定，而热量和内能由物体的状态决定解析：热量、功和内能是三个不同的物理量，它们的物理意义不同，故A错误；功与热量都是能量转化的量度，热量和功都可以作为物体内能变化的量度，故B正确；热量、功和内能的单位相同，都是焦耳，故C错误；功和热量由过程决定，内能由物体的状态决定，故D错误．答案：B热传递、做功和内能的改变的认知误区(1)误认为有热传递或做功时，内能一定变化．如果只是做功或只是进行热传递都会改变物体的内能，但是如果做功的同时还有热的传递，则内能不一定会发生变化．(2)对做功与内能变化关系认识不清．在判断内能增加或减少时，一定要搞清是对内做功还是对外做功，是从外界吸收热还是向外界放出热．4．关于温度、热量、功和内能，以下说法正确的是(

)A．同一物体温度高时，含有的热量多B．物体的内能越大，含有的热量就越多，温度也越高C．外界对系统做功W，内能必定增加D．发生热传递的条件是两物体之间存在温度差解析：热量是物体间进行热传递时内能变化的量度，不能说物体含有多少热量，故A错误；物体的内能越大，温度不一定越高，故B错误；由于做功和热传递都可引起物体内能的变化，只根据做功无法准确判断物体内能的变化，故C错误；物体间发生热传递的条件是存在温度差，故D正确．答案：D5．如图所示，A、B是两个完全相同的球，分别浸没在水和水银的同一深度处，A、B两球用同一种材料制成，当温度稍微升高时，球的体积会明显变大．如果开始水和水银的温度相同，且两液体温度同时缓慢升高到同一值，两球膨胀后，体积相等，则(

)A．A球吸收的热量较多

B．B球吸收的热量较多C．两球吸收的热量一样多 D．无法确定解析：A、B两球升高同样的温度，体积又相同，则二者内能的变化相同，而B球是处在水银中的，B球膨胀时受到的压力大，对外做功多，因此B球吸收的热量较多一些，故B正确．答案：B探究四应用热力学第一定律解题的方法与步骤解题步骤(1)明确研究对象．是哪个热力学系统．(2)分析研究过程．①利用体积的变化分析做功问题(不考虑真空扩散)．气体体积增大，气体对外界做功；气体体积减小，外界对气体做功．②利用温度的变化分析理想气体内能的变化．一定量的理想气体的内能只与温度有关：温度升高，内能增加；温度降低，内能减少．③分析研究对象内能的变化情况．(3)根据符号法则确定ΔU、Q、W的正负，并利用热力学第一定律ΔU＝Q＋W列出方程进行求解．(4)根据解的正负说明所求物理量的含义．【典例4】

(多选)如图，用隔板将一绝热气缸分成两部分，隔板左侧充有理想气体，隔板右侧与绝热活塞之间是真空的．现将隔板抽开，气体会自发扩散至整个气缸．待气体达到稳定后，缓慢推压活塞，将气体压回到原来的体积．假设整个系统不漏气．下列说法正确的是(

)A．气体自发扩散前后内能相同B．气体在被压缩的过程中内能增大C．在自发扩散过程中，气体对外界做功D．气体在被压缩的过程中，外界对气体做功E．气体在被压缩的过程中，气体分子的平均动能不变解析：气体向真空自发扩散过程中，气体不对外界做功，由热力学第一定律得W＋Q＝ΔU，W＝0，Q＝0，则内能不变，A正确，C错误；气体被压缩的过程中，外界对气体做功，W>0，Q＝0，由热力学第一定律W＋Q＝ΔU可知ΔU>0，B、D正确；由于理想气体的内能只与温度有关，所以气体被压缩的过程中，温度升高，气体分子的平均动能增大，E错误．答案：ABD热力学第一定律W＋Q＝ΔU中，若气体对外界做功，W<0，外界对气体做功，W>0；气体从外界吸热，Q>0，气体向外界散热，Q<0；内能增大，ΔU>0，内能减小，ΔU<0.一定质量的理想气体由于分子间作用力可以忽略，没有分子势能，内能只与温度有关．6.(2023·江苏统考模拟)如图所示，一定质量理想气体被活塞封闭在内壁光滑的气缸中，气缸和活塞绝热性能良好，活塞的横截面积为S，质量为m，静止在与气缸底部距离为L的小挡板上；密闭气体的压强、温度与外界大气相同，分别为p0和T0.现接通电热丝加热气体，电热丝两端电压为U，电流为I，通电时间为t，活塞缓慢向上移动距离2L后静止，重力加速度为g.求该过程：(1)气体内能的增量ΔU；(2)最终温度T.解析：(1)活塞移动时受力平衡p1S＝p0S＋mg，气体对外界做功W＝p1S2L，气体吸收的热量Q＝UIt.根据热力学第一定律ΔU＝Q－W，解得ΔU＝UIt－(p0S＋mg)2L.探究五热力学第一定律的理解1．符号法则．热力学第一定律的数学表达式也适用于物体对外做功、向外界散热和内能减少的情况，因此在使用ΔU＝Q＋W时，为了区别以上两种情况，在应用ΔU＝Q＋W进行计算时，它们的正、负号规定如下：(1)外界对系统做功，W>0，即W为正值；系统对外界做功，也就是外界对系统做负功，W<0，即W为负值．(2)外界对系统传递热量，也就是系统从外界吸收热量，Q>0，即Q为正值；外界从系统吸收热量，也就是系统向外界放出热量，Q<0，即Q为负值．(3)系统内能增加，ΔU>0，即ΔU为正值；系统内能减少，ΔU<0，即ΔU为负值．2．热力学第一定律的几种典型应用．(1)若过程是绝热的，即Q＝0，则W＝ΔU，外界对物体做的功等于物体内能的增加量．(2)若过程中不做功，即W＝0，则Q＝ΔU，物体吸收的热量等于物体内能的增加量．(3)若过程中物体的始、末内能不变，即ΔU＝0，则W＋Q＝0或W＝－Q，外界对物体做的功等于物体放出的热量．【典例5】一定质量的气体从外界吸收了4.2×105J的热量，同时气体对外做了6×105J的功，问：(1)物体的内能是增加还是减少？变化量是多少？(2)分子势能是增加还是减少？(3)分子的平均动能是增加还是减少？解析：(1)气体从外界吸热，故Q＝4.2×105J，气体对外做功，故W＝－6×10