【同步】高中物理鲁科版(2019)选择性必修3：第3章第1节热力学第一定律课件

第3章第1节热力学第一定律课标要求1.知道热力学第一定律,会利用热力学第一定律进行分析和计算。(物理观念)2.了解热力学第一定律的发现过程。(物理观念)3.知道第一类永动机及其不可能制成的原因。(物理观念)基础落实·必备知识全过关重难探究·能力素养全提升目录索引

学以致用·随堂检测全达标基础落实·必备知识全过关一、功、热量与内能1.功和内能的关系:如果一个物体既不吸热也不放热,那么当外界对它做功时,物体内能

,且增加量等于外界做的功;当物体对外界做功时,物体内能

,且减少量等于物体做的功。

2.热量和内能的关系:如果一个物体既不对外界做功,外界也不对它做功,当物体从外界

时,物体的内能增加,其增加量等于吸收的热量;当物体向外

时,物体内能减少,其减少量等于放出的热量。

3.热力学第一定律:如果物体和外界之间同时存在做功和热传递的过程,那么物体内能的改变量ΔU等于外界对物体所做的功W和物体从外界吸收的热量Q之和,公式为

。

增加

减少吸热放热ΔU=Q+W二、第一类永动机1.第一类永动机:有人幻想设计一种不消耗任何

而能永远对外做功的机器,这类机器通常被称为第一类永动机。

2.第一类永动机是

实现的。

能量不可能易错辨析

判一判(1)做功和热传递都可改变物体的内能,从效果上是等效的。(

)(2)外界对系统做功,系统的内能不一定增加。(

)(3)系统内能增加,一定是系统从外界吸收了热量。(

)(4)系统内能减少,一定是系统对外界做了功。(

)提示

系统内能增加,可能是系统从外界吸收了热量,也可能是外界对系统做了功。提示

系统内能减少,可能是系统对外界做了功,也可能是系统向外界放热。

√√××即学即用

练一练下列关于做功和传热的说法正确的是(

)A.做功和传热的实质是相同的B.做功和传热在改变物体内能上是等效的C.做功和传热是对同一过程中的两种说法D.做功和传热是不可能同时发生的B解析

做功和传热在改变物体内能上是等效的,但本质不同,做功是将其他形式的能量转化为内能或将内能转化为其他形式的能量,传热是内能的转移,且做功和传热可以同时进行,故B选项正确。重难探究·能力素养全提升探究一热力学第一定律情境探究打气筒是日常生活中的一种工具,当我们用打气筒给自行车打气时,就是在克服气体压力和摩擦力做功。打气的过程中,你有没有试着去摸一下打气筒的外壳?有什么感觉?这是怎么回事呢?要点提示

做功的过程是能量转化的过程,做功使得系统的内能增加了,所以温度升高。知识归纳1.对公式ΔU=Q+W符号的规定

符号WQΔU+外界对物体做功物体吸收热量内能增加-物体对外界做功物体放出热量内能减少2.几种特殊情况(1)绝热过程:Q=0,则ΔU=W,物体内能的增加量等于外界对物体做的功。(2)等容过程:W=0,则ΔU=Q,物体内能的增加量等于物体从外界吸收的热量。(3)等温过程:初、末状态物体的内能不变,即ΔU=0,则W=-Q(或Q=-W),外界对物体做的功等于物体放出的热量(或物体吸收的热量等于物体对外界做的功)。3.判断是否做功的方法(1)一般若物体体积增大,则表明物体对外界做功,W<0。(2)一般若物体体积减小,则表明外界对物体做功,W>0。4.对热力学第一定律的进一步理解(1)热力学第一定律不仅反映了做功和传热这两种改变内能的方法是等效的,而且给出了内能的变化量与做功和传热之间的定量关系。此定律表达式是标量式,应用时各量的单位应统一为国际单位制中的焦耳。(2)热力学第一定律是将单纯的绝热过程和单纯的传热过程中内能改变的定量表达推广到一般情况,既有做功又有传热的过程,其中ΔU表示内能改变的数量,W表示做功的数量,Q表示外界与物体间传热的数量。应用体验典例1

空气压缩机在一次压缩中,活塞对空气做了2×105J的功,同时空气的内能增加了1.5×105J,这一过程中空气向外界传递的热量是多少?答案

5×104

J解析

选择被压缩的空气为研究对象,根据热力学第一定律有ΔU=W+Q。由题意可知W=2×105

J,ΔU=1.5×105

J,代入上式得Q=ΔU-W=(1.5×105-2×105)J=-5×104

J。负号表示空气向外释放热量,即空气向外界传递的热量为5×104

J。针对训练1一定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,则下列各式中正确的是(

)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=-4×104JB解析

因为外界对气体做功,W取正值,即W=8×104

J;内能减少,ΔU取负值,即ΔU=-1.2×105

J;根据热力学第一定律ΔU=W+Q,可知Q=ΔU-W=(-1.2×105-8×104)J=-2×105

J,B选项正确。探究二第一类永动机情境探究有一种所谓“全自动”的机械手表,既不需要上发条,也不用任何电源,却能不停地走下去。这是不是一种永动机?如果不是,维持表针走动的能量是从哪里来的?要点提示

这不是永动机。手表戴在手腕上,通过手臂的运动,机械手表获得能量,供手表指针走动。若将此手表长时间放置不动,它就会停下来。知识归纳第一类永动机是不可能实现的,第一类永动机本质上都是认为能量能无中生有地创造出来,违背了热力学第一定律,因而是不可能实现的。如果没有外界供给热量而对外做功,由ΔU=W+Q知,系统内能将减小。若想源源不断地做功,在无外界能量供给的情况下是不可能的。应用体验典例2

如图所示,一演示用的“永动机”转轮由5根轻杆和转轴构成,轻杆的末端装有用形状记忆合金制成的叶片。轻推转轮后,进入热水的叶片因伸展而“划水”,推动转轮转动。离开热水后,叶片形状迅速恢复,转轮因此能转动较长时间,下列说法正确的是(

)A.转轮依靠自身惯性转动,不需要消耗外界能量B.转轮转动所需的能量来自形状记忆合金自身C.转动的叶片不断搅动热水,水温升高D.叶片在热水中吸收的热量一定大于在空气中释放的热量D解析

形状记忆合金进入水中后受热,形状发生改变而搅动热水,能量来源于热水,热水温度会降低,故A、B、C错误;由能量守恒知,叶片吸收的能量一部分转化成叶片的动能,一部分释放于空气中,故D正确。针对训练2(多选)下列关于第一类永动机的说法正确的是(

)A.第一类永动机是不消耗任何能量却能源源不断对外做功的机器B.第一类永动机可以制成C.第一类永动机不可能制成的原因是技术问题D.第一类永动机不可能制成的原因是违背了热力学第一定律AD解析

第一类永动机是不消耗任何能量却能源源不断对外做功的机器,这是人们的美好愿望,但它违背了热力学第一定律,这也是它不可能制成的原因。故A、D正确,B、C错误。探究三热力学第一定律和气体实验定律的综合应用情境探究如图所示,一定质量的理想气体由a状态变化到b状态,请在图像基础上思考以下问题:(1)在变化过程中是气体对外界做功还是外界对气体做功?要点提示

由a状态变化到b状态,气体体积变大,因此气体对外界做功,即W<0。(2)在变化过程中气体吸热,还是向外放热?气体内能增加了还是减少了?要点提示

由p-V图像知从a状态变化到b状态,温度升高,故ΔU>0。由ΔU=W+Q得Q>0,即气体吸热,内能增加。知识归纳热力学第一定律与气体实验定律的结合点是气体的体积和温度,常见的分析思路如下:(1)利用体积的变化分析做功问题。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。一定质量的理想气体的内能仅与温度有关,温度升高,内能增加;温度降低,内能减小。(3)利用热力学第一定律判断是吸热还是放热。由热力学第一定律ΔU=W+Q,得Q=ΔU-W,若已知气体的做功情况和内能的变化情况,即可判断气体状态变化是吸热过程还是放热过程。应用体验典例3

如图所示,倒悬的导热气缸中封闭着一定质量的理想气体,轻质活塞可无摩擦地上下移动,活塞的横截面积为S,活塞的下面吊着一个重为G的物体,大气压强恒为p0,起初环境的热力学温度为T0时,活塞到气缸底面的距离为L。当环境温度逐渐升高时,活塞缓慢下降,该过程中活塞下降了0.1L,气缸中的气体吸收的热量为Q。求:(1)气缸内气体内能的增量ΔU;(2)最终的环境温度T。答案

(1)Q-0.1p0SL+0.1LG

(2)1.1T0解析

(1)密封气体的压强p=p0-密封气体对外做功大小W=pS×0.1L由热力学第一定律得ΔU=W+Q=Q-0.1p0SL+0.1LG(2)该过程是等压变化,由盖—吕萨克定律有

针对训练3(多选)一定质量的理想气体从状态A经过状态B变化到状态C,其V-T图像如图所示。下列说法正确的有(

)A.A→B的过程中,气体对外界做功B.A→B的过程中,气体放出热量C.B→C的过程中,气体压强不变D.A→B→C的过程中,气体内能增加BC解析

A→B的过程中,气体做等温变化,体积变小,外界对气体做功,由ΔU=W+Q知气体放出热量,A项错误,B项正确;B→C的过程中,为等压变化,气体压强不变,C项正确;A→B→C的过程中,气体温度降低,气体内能减少,D项错误。学以致用·随堂检测全达标1231.(多选)在下述各种现象中,不是由做功引起系统温度变化的是(

)A.在阳光照射下,水的温度升高B.用铁锤不断锤打铅块,铅块温度会升高C.在炉火上烧水,水的温度升高D.电视机工作一段时间,其内部元件温度升高AC解析

阳光照射下水温升高是热辐射使水的温度升高,在炉火上烧水是热传递使水的温度升高,用铁锤锤打铅块的过程,是做功的过程,铅块温度升高,是由于外界做功引起的,电视机工作时,电流通过各元件,电流做功使其温度升高。可见A、C不是由做功引起温度变化的,故选A、C。1232.如图所示,一密闭的气缸静置在水平地面上,外力推动活塞P压缩一定质量的理想气体,对缸内气体做功800J,同时气体向外界放热200J,则缸内气体的(

)A.温度升高,内能增加600JB.温度升高,内能减少200JC.温度降低,内能增加600JD.温度降低,内能减少200JA123解析

对一定质量的气体,由热力学第一定律ΔU=W+Q可知,ΔU=[800+(-200)]J=600

J,ΔU为正,表示内能增加了600

J,内能增加,气体分子的平均动能增加,温度升高,选项A正确。1233.(多选)一定质量的理想气体状态变化时气体的压强随着温度变化的p-t关