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人教版 (2019)选择性必修 第三册第三章 热力学定律2 热力学第一定律试讲课ppt课件
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这是一份人教版 (2019)选择性必修 第三册第三章 热力学定律2 热力学第一定律试讲课ppt课件，共26页。PPT课件主要包含了热力学第一定律，热力学第一定律的应用，典例分析等内容，欢迎下载使用。
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？
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。
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；
单纯地对系统做功做功：
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：
1、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.
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
4、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.
定律中各量的正、负号及含义
ΔU = W + Q
5、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．
(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。
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
【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0.1 m，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= 2×10²×0.1 J = 200 J
系统向外放热：Q=-25J
气体内能的变化量：ΔU1= W1＋Q1= 200 J -25 J = 175 J
③正确选取W与Q的正负。
②明确气体状态变化过程。
【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0.1 m，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。
（2）气体膨胀过程中气体（系统）对外界所做功，W是负值：
W2= F2L2=-9×10²×0.1 J =-900 J
系统向外放热：Q=-30J
气体内能的变化量：ΔU2= W2＋Q2=-900 J - 30J =-930 J
【例题】一定质量的气体在某一过程中，外界对气体做了8×104 J的功，气体的内能减少了1.2×105 J，则下列各式正确的是（ ）A.W＝8×104 J，ΔU＝1.2×105 J，Q＝4×104 JB.W＝8×104 J，ΔU＝－1.2×105 J，Q＝－2×105 JC.W＝－8×104 J，ΔU＝1.2×105 J，Q＝2×104 JD.W＝－8×104 J，ΔU＝－1.2×105 J，Q＝－4×104 J
因为外界对气体做功，W取正值，即W＝8×104 J；气体内能减少，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 J－8×104 J＝－2×105 J，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= 1.6×105J W为正值，外界对气体做功，做了1.6×105J 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？
(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．
对于"热是什么"，历史上有两种不同的观点。一种是热的物质说（热质说），另一种是热的运动说（热动说）。
热动说：培根、玻意耳、笛卡儿、胡克、牛顿、伯努利、罗蒙诺索夫等人根据摩擦生热等现象，认为热是粒子运动的表现，物体由于粒子的剧烈运动而发热。但在他们的时代，这种观点缺乏足够的实验证据。
热质说认为，热是一种流质，名为热质，可以渗入一切物体，不生不灭，没有质量。一个物体是冷还是热，取决于其中所含热质的多少。热质说可以解释当时观察到的大部分热学现象：物体温度的变化是因为吸收、放出了热质，传热是热质的流动与传播，热膨胀是由于热质粒子之间的排斥，等等。但是，热质说无法解释伦福德的炮筒镗孔实验。
伦福德进行了反复的观察和实验，终于在1798 年公布了他的研究成果。他明确指出：在这些实验中被激发出来的热，除了把它看作“运动”之外，似乎很难看作其他任何东西。
到了19 世纪40 年代，英国物理学家焦耳以定量的实验为热动说的胜利画上了句号。
与伦福德同时代的英国化学家戴维，也通过实验否定了热质说。
做功与气体体积变化的关系
★★★气体的自由膨胀不做功。
【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→b 过程为绝热压缩过程，外界对其做正功，根据热力学第一定律，外界对其做的功全部用于增加内能，故 A 正确；由 A 的分析可知，状态 b 的温度比 a 的温度高，由状态 b 到 c 的过程是等容过程，压强增大，温度升高，所以 c 状态的温度大于 a 状态的温度，故气体分子的平均动能不可能相等，故 BC 错误；在 b→c 的过程中，气体吸收热量，从 c→d 是绝热过程，气体对外做功，从 d→a 是等容过程，温度降低，气体放热，在一次循环过程中，气体内能变化为零，而图像中 abcd 的面积为气体对外做功，所以气体吸收的热量大于放出的热量，故 D 错误。
【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
气体自由扩散，没有对外做功，又因为整个系统与外界没有热交换，根据热力学第一定律可知内能不变，故A正确；因为内能不变，故温度不变，平均动能不变，因为B闸舱 内为真空，对于座舱 A中充满的空气，根据玻意耳定律可知，扩散后压强减小，体积增大，所以气体的密集程度减小，根据气体压强的微观意义可知，气体分子单位时间对气缸壁单位面积碰撞的次数将变少，故C、D正确。
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
解析：物体吸收热量的同时，物体有可能对外做功，所以内能不一定增加，A错；物体放出热量的同时，有可能外界对物体做功，所以内能不一定减少，B错；当物体从外界吸收的热量与物体对外界做的功正好相等时，物体内能不变，C正确；当物体对外界做功，同时吸收热量，且吸收的热量比对外界做功多时，内能就有可能增加，D正确。
2、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0.2 m.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2×105 Pa.已知活塞的横截面积为0.04 m2，外部大气压强为1×105 Pa，加热过程中封闭气体吸收的热量为2 000 J，则封闭气体的内能变化量为（ ） A.400 J B.1200 J C.2 000 J D.2 800 J
解析：由题意可知，气体先等压变化，到活塞运动到挡板处再发生等容变化，等压变化过程气体对外做功，做功为W＝－p0Sx＝－1×105×0.04×0.2 J＝－800 J，由热力学第一定律可知，封闭气体的内能变化量为ΔU＝W＋Q＝(－800＋2 000)J＝1200 J。
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？
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。
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；
单纯地对系统做功做功：
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：
1、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.
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
4、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.
定律中各量的正、负号及含义
ΔU = W + Q
5、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．
(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。
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
【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0.1 m，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= 2×10²×0.1 J = 200 J
系统向外放热：Q=-25J
气体内能的变化量：ΔU1= W1＋Q1= 200 J -25 J = 175 J
③正确选取W与Q的正负。
②明确气体状态变化过程。
【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0.1 m，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。
（2）气体膨胀过程中气体（系统）对外界所做功，W是负值：
W2= F2L2=-9×10²×0.1 J =-900 J
系统向外放热：Q=-30J
气体内能的变化量：ΔU2= W2＋Q2=-900 J - 30J =-930 J
【例题】一定质量的气体在某一过程中，外界对气体做了8×104 J的功，气体的内能减少了1.2×105 J，则下列各式正确的是（ ）A.W＝8×104 J，ΔU＝1.2×105 J，Q＝4×104 JB.W＝8×104 J，ΔU＝－1.2×105 J，Q＝－2×105 JC.W＝－8×104 J，ΔU＝1.2×105 J，Q＝2×104 JD.W＝－8×104 J，ΔU＝－1.2×105 J，Q＝－4×104 J
因为外界对气体做功，W取正值，即W＝8×104 J；气体内能减少，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 J－8×104 J＝－2×105 J，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= 1.6×105J W为正值，外界对气体做功，做了1.6×105J 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？
(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．
对于"热是什么"，历史上有两种不同的观点。一种是热的物质说（热质说），另一种是热的运动说（热动说）。
热动说：培根、玻意耳、笛卡儿、胡克、牛顿、伯努利、罗蒙诺索夫等人根据摩擦生热等现象，认为热是粒子运动的表现，物体由于粒子的剧烈运动而发热。但在他们的时代，这种观点缺乏足够的实验证据。
热质说认为，热是一种流质，名为热质，可以渗入一切物体，不生不灭，没有质量。一个物体是冷还是热，取决于其中所含热质的多少。热质说可以解释当时观察到的大部分热学现象：物体温度的变化是因为吸收、放出了热质，传热是热质的流动与传播，热膨胀是由于热质粒子之间的排斥，等等。但是，热质说无法解释伦福德的炮筒镗孔实验。
伦福德进行了反复的观察和实验，终于在1798 年公布了他的研究成果。他明确指出：在这些实验中被激发出来的热，除了把它看作“运动”之外，似乎很难看作其他任何东西。
到了19 世纪40 年代，英国物理学家焦耳以定量的实验为热动说的胜利画上了句号。
与伦福德同时代的英国化学家戴维，也通过实验否定了热质说。
做功与气体体积变化的关系
★★★气体的自由膨胀不做功。
【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→b 过程为绝热压缩过程，外界对其做正功，根据热力学第一定律，外界对其做的功全部用于增加内能，故 A 正确；由 A 的分析可知，状态 b 的温度比 a 的温度高，由状态 b 到 c 的过程是等容过程，压强增大，温度升高，所以 c 状态的温度大于 a 状态的温度，故气体分子的平均动能不可能相等，故 BC 错误；在 b→c 的过程中，气体吸收热量，从 c→d 是绝热过程，气体对外做功，从 d→a 是等容过程，温度降低，气体放热，在一次循环过程中，气体内能变化为零，而图像中 abcd 的面积为气体对外做功，所以气体吸收的热量大于放出的热量，故 D 错误。
【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
气体自由扩散，没有对外做功，又因为整个系统与外界没有热交换，根据热力学第一定律可知内能不变，故A正确；因为内能不变，故温度不变，平均动能不变，因为B闸舱 内为真空，对于座舱 A中充满的空气，根据玻意耳定律可知，扩散后压强减小，体积增大，所以气体的密集程度减小，根据气体压强的微观意义可知，气体分子单位时间对气缸壁单位面积碰撞的次数将变少，故C、D正确。
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
解析：物体吸收热量的同时，物体有可能对外做功，所以内能不一定增加，A错；物体放出热量的同时，有可能外界对物体做功，所以内能不一定减少，B错；当物体从外界吸收的热量与物体对外界做的功正好相等时，物体内能不变，C正确；当物体对外界做功，同时吸收热量，且吸收的热量比对外界做功多时，内能就有可能增加，D正确。
2、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0.2 m.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2×105 Pa.已知活塞的横截面积为0.04 m2，外部大气压强为1×105 Pa，加热过程中封闭气体吸收的热量为2 000 J，则封闭气体的内能变化量为（ ） A.400 J B.1200 J C.2 000 J D.2 800 J
解析：由题意可知，气体先等压变化，到活塞运动到挡板处再发生等容变化，等压变化过程气体对外做功，做功为W＝－p0Sx＝－1×105×0.04×0.2 J＝－800 J，由热力学第一定律可知，封闭气体的内能变化量为ΔU＝W＋Q＝(－800＋2 000)J＝1200 J。
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