第三章熱力學(xué)定律學(xué)習(xí)目標(biāo)1.能以系統(tǒng)為研究對(duì)象,進(jìn)一步理解做功和傳熱在改變物體的內(nèi)能上是等效的,用綜合分析的方法推導(dǎo)出熱力學(xué)第一定律,理解各個(gè)物理量正負(fù)號(hào)的含義,培養(yǎng)推理能力和分析綜合能力.2.通過對(duì)內(nèi)燃機(jī)工作過程的分析,知道熱力學(xué)第一定律在實(shí)際生活中的應(yīng)用,會(huì)利用熱力學(xué)第一定律解釋和計(jì)算能量的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移問題,培養(yǎng)應(yīng)用物理知識(shí)解決實(shí)際問題的能力.2

熱力學(xué)第一定律知識(shí)點(diǎn)一

熱力學(xué)第一定律1.改變系統(tǒng)內(nèi)能的方式有哪些?這些方式有什么異同?答案:改變系統(tǒng)內(nèi)能的方式有兩種:做功和傳熱.不同點(diǎn):做功是其他形式的能與內(nèi)能之間的轉(zhuǎn)化,傳熱是內(nèi)能的轉(zhuǎn)移.相同點(diǎn):做功和傳熱在改變系統(tǒng)的內(nèi)能上是等效的.2.一個(gè)絕熱的熱力學(xué)系統(tǒng),外界對(duì)系統(tǒng)做功10J,系統(tǒng)的內(nèi)能如何變化?變化多少?答案:系統(tǒng)內(nèi)能增加,增加10J.3.單純對(duì)一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)傳熱10J,系統(tǒng)的內(nèi)能如何變化?變化多少?答案:系統(tǒng)內(nèi)能增加,增加10J.4.如果外界對(duì)一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)做功10J,同時(shí)給它傳熱10J,那么系統(tǒng)內(nèi)能如何變化?變化多少?答案:系統(tǒng)內(nèi)能增加,增加20J.5.熱力學(xué)第一定律:一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)能變化量等于

與

的和.表達(dá)式為

.外界向它傳遞的熱量外界對(duì)它所做的功ΔU=Q+W知識(shí)點(diǎn)二熱力學(xué)第一定律的應(yīng)用1.某個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng),如果外界對(duì)系統(tǒng)做功30J,系統(tǒng)向外界放熱10J,系統(tǒng)內(nèi)能如何變化?變化多少?答案:系統(tǒng)內(nèi)能增加,增加20J.2.對(duì)于公式ΔU=Q+W,ΔU為系統(tǒng)內(nèi)能的變化量,當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)能增加時(shí),ΔU取

;當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)能減小時(shí),ΔU取

;當(dāng)系統(tǒng)從外界吸收熱量時(shí),Q取

;當(dāng)系統(tǒng)向外界放出熱量時(shí),Q取

;當(dāng)外界對(duì)系統(tǒng)做功時(shí),W取

;當(dāng)系統(tǒng)對(duì)外界做功時(shí),W取

.(均選填“正值”或“負(fù)值”)正值負(fù)值正值負(fù)值正值負(fù)值小試身手判斷下列說法的正誤并和同學(xué)交流(正確的打“√”,錯(cuò)誤的打“×”).1.做功和傳熱在改變物體的內(nèi)能上是不等效的.()2.熱量和功由過程決定,而內(nèi)能由物體狀態(tài)決定.()3.外界對(duì)系統(tǒng)做功,系統(tǒng)的內(nèi)能一定增加.()4.系統(tǒng)內(nèi)能增加,一定是因?yàn)橄到y(tǒng)從外界吸收了熱量.()5.物體吸收熱量,同時(shí)對(duì)外做功,其內(nèi)能可能不變.()6.系統(tǒng)內(nèi)能減少,一定是因?yàn)橄到y(tǒng)對(duì)外界做功了.()×√××√×探究一熱力學(xué)第一定律問題情境如圖所示的汽缸中用活塞封閉一定質(zhì)量的氣體,汽缸與活塞之間的摩擦不計(jì).1.快速推動(dòng)活塞對(duì)汽缸內(nèi)氣體做功50J,氣體內(nèi)能改變多少?答案:快速推動(dòng)活塞對(duì)汽缸內(nèi)氣體做功,氣體與外界沒有熱交換,即Q=0,故氣體內(nèi)能增加50J.答案:氣體體積不變,外界對(duì)其做功W=0,氣體吸收熱量Q=50J,內(nèi)能增加50J.2.若保持氣體體積不變,外界對(duì)汽缸傳遞50J的熱量,則氣體內(nèi)能改變多少?3.如果發(fā)現(xiàn)氣體的內(nèi)能增加50J,那么僅根據(jù)這一點(diǎn)你能確定內(nèi)能變化的原因嗎?為什么?這說明什么?答案:不能確定氣體內(nèi)能變化的原因;因?yàn)闊o論外界對(duì)氣體做功50J,還是外界給氣體傳遞50J的熱量,氣體內(nèi)能都可以增加50J.這說明做功和傳熱在改變物體內(nèi)能上是等效的.答案:外界對(duì)氣體做功,故W=50J,氣體向外界放熱,Q=-30J,代入ΔU=Q+W可得ΔU=20J.這說明氣體的內(nèi)能增加了20J.4.如果推動(dòng)活塞對(duì)氣體做功50J,同時(shí)氣體通過汽缸向外界放熱30J,請(qǐng)根據(jù)熱力學(xué)第一定律計(jì)算后說明:氣體的內(nèi)能是如何變化的?變化了多少?過程建構(gòu)1.對(duì)ΔU=Q+W的理解.(1)熱力學(xué)第一定律不僅反映了做功和傳熱這兩種方式在改變系統(tǒng)內(nèi)能方面是等效的,而且給出了內(nèi)能的變化量與做功和傳熱之間的定量關(guān)系.(2)熱力學(xué)第一定律將單純的絕熱過程和單純的傳熱過程中內(nèi)能改變的定量表達(dá)推廣到一般情況,既有做功又有傳熱的過程.

(3)對(duì)公式ΔU=Q+W中ΔU、Q、W符號(hào)的規(guī)定.項(xiàng)目WQΔU正號(hào)外界對(duì)系統(tǒng)做功系統(tǒng)吸收熱量?jī)?nèi)能增加負(fù)號(hào)系統(tǒng)對(duì)外界做功系統(tǒng)放出熱量?jī)?nèi)能減少2.應(yīng)用ΔU=Q+W時(shí)的三種特殊情況:(1)若過程是絕熱的,即Q=0,則ΔU=W,系統(tǒng)內(nèi)能的變化量等于外界對(duì)系統(tǒng)做的功.(2)若過程中不做功,即W=0,則ΔU=Q,系統(tǒng)內(nèi)能的變化量等于系統(tǒng)從外界吸收的熱量.(3)若過程的始末狀態(tài)物體的內(nèi)能不變,即ΔU=0,則W=-Q(或Q=-W),外界對(duì)系統(tǒng)做的功等于系統(tǒng)放出的熱量(或系統(tǒng)吸收的熱量等于系統(tǒng)對(duì)外界做的功).【典例1】一定質(zhì)量的氣體,在被壓縮的過程中外界對(duì)氣體做功300J,但這一過程中氣體的內(nèi)能減少了300J,氣體在此過程中是吸熱還是放熱?吸收或放出多少熱量?解析:由題意知W=300J,ΔU=-300J,根據(jù)熱力學(xué)第一定律可得Q=ΔU-W=-300J-300J=-600J,Q為負(fù)值表示氣體放熱,因此氣體放出600J的熱量.答案:放熱

600J應(yīng)用熱力學(xué)第一定律解題的思路探究二熱力學(xué)第一定律的應(yīng)用問題情境如圖所示,一定質(zhì)量的理想氣體從狀態(tài)A依次經(jīng)過狀態(tài)B、C和D后再回到狀態(tài)A.其中,A→B和C→D為等溫過程,B→C和D→A為絕熱過程.1.A→B過程中,氣體的內(nèi)能如何變化?結(jié)合理想氣體的特點(diǎn),你認(rèn)為理想氣體的內(nèi)能與什么因素有關(guān)?答案:A→B過程中溫度不變,分子的平均動(dòng)能不變,理想氣體分子勢(shì)能為0,故氣體內(nèi)能不變;一定質(zhì)量的理想氣體其內(nèi)能由溫度決定,溫度升高,內(nèi)能增加,溫度降低,內(nèi)能減少.2.A→B、C→D過程中,氣體對(duì)外界做功還是外界對(duì)氣體做功?答案:A→B過程,氣體向外膨脹,體積增大,氣體對(duì)外界做功;C→D過程中,氣體被壓縮,體積減小,外界對(duì)氣體做功.3.若氣體在A→B過程中吸收63kJ的熱量,在C→D過程中放出38kJ的熱量,則氣體完成一次循環(huán)對(duì)外做的功為多少?答案:氣體在A→B過程中吸收63kJ的熱量,在C→D過程中放出38kJ的熱量,B→C和D→A為絕熱過程,故一次循環(huán)吸收的熱量為Q=(63-38)kJ=25kJ;一次循環(huán)回到初始狀態(tài)溫度不變,則ΔU=0;根據(jù)ΔU=Q+W可得W=-Q=-25kJ,即氣體對(duì)外做功25kJ.過程建構(gòu)1.判斷外界對(duì)氣體是否做功的方法.一般情況下外界對(duì)氣體做功與否,需看氣體的體積是否變化.(1)若氣體體積增大,則表明氣體對(duì)外界做功,W<0.(氣體對(duì)真空膨脹W=0)(2)若氣體體積減小,則表明外界對(duì)氣體做功,W>0.(3)氣體壓強(qiáng)不變時(shí),相當(dāng)于恒力做功,做功的數(shù)值W=pSΔl=pΔV;也可以借助p-V圖像求氣體做的功,如圖所示,氣體在A→B過程中對(duì)外做的功可以用圖線AB下方的陰影部分的面積表示.2.幾種常見的氣體變化過程.(1)絕熱過程:過程是絕熱的,即Q=0,W=ΔU,外界對(duì)氣體做的功等于氣體內(nèi)能的變化量.(2)等容過程:在該過程中氣體不做功,即W=0,則Q=ΔU,氣體吸收的熱量等于氣體內(nèi)能的變化量.(3)等溫過程:在過程的始末狀態(tài),理想氣體的內(nèi)能相等,即ΔU=0,則W+Q=0或W=-Q,表示氣體吸收的熱量全部用來對(duì)外做功或外界對(duì)氣體所做的功全部轉(zhuǎn)換為熱量放出.【典例2】(2023·廣東惠州)(多選)一定質(zhì)量的理想氣體從狀態(tài)a變化到狀態(tài)b,其過程如p-V圖中從a到b的直線所示.在此過程中

(

)A.氣體溫度先上升后下降B.氣體內(nèi)能一直增加C.氣體一直對(duì)外做功D.氣體吸收的熱量一直全部用于對(duì)外做功答案:

BC

【典例3】下圖是用導(dǎo)熱性能良好的材料制成的氣體實(shí)驗(yàn)裝置,開始時(shí)封閉的空氣柱長(zhǎng)度為22cm,現(xiàn)在用豎直向下的外力F壓縮氣體,使封閉空氣柱長(zhǎng)度變?yōu)?cm,人對(duì)系統(tǒng)做功100J,大氣壓強(qiáng)p0=1×105Pa,不計(jì)活塞重力,活塞的橫截面積S=1cm2.(1)若用足夠長(zhǎng)的時(shí)間緩慢壓縮氣體,則壓縮后氣體的壓強(qiáng)為多大?(2)若以適當(dāng)?shù)乃俣葔嚎s氣體,氣體向外散失的熱量為20J,則氣體的內(nèi)能增加多少?解析:(1)p0=1×105Pa,緩慢壓縮氣體,氣體溫度不變,由玻意耳定律得p0V0=pV,V0=l0S,V=lS,l0=22cm,l=2cm,代入數(shù)據(jù)解得p=1.1×106Pa.(2)大氣壓力對(duì)系統(tǒng)做功W1=p0S(l0-l)=2J,人對(duì)系統(tǒng)做功W2=100J,由熱力學(xué)第一定律得ΔU=W1+W2+Q,其中Q=-20J,解得ΔU=82J.答案:(1)1.1×106Pa

(2)82J氣體做功情況、內(nèi)能變化情況及吸、放熱情況的判斷(1)做功情況:根據(jù)氣體體積變化判斷做功情況.氣體膨脹,氣體對(duì)外界做功,但氣體向真空自由膨脹時(shí)不做功;氣體被壓縮,外界對(duì)氣體做功.(2)內(nèi)能變化情況:理想氣體的內(nèi)能和溫度有關(guān).溫度升高,理想氣體的內(nèi)能增加;溫度降低,理想氣體的內(nèi)能減少.(3)吸熱或放熱情況:一般通過熱力學(xué)第一定律ΔU=Q+W分析、判斷.Q>0,氣體從外界吸收熱量;Q<0,氣體向外放出熱量.課堂評(píng)價(jià)1.(多選)下列過程可能發(fā)生的是(

)A.物體吸收熱量,同時(shí)對(duì)外做功,內(nèi)能增加B.物體吸收熱量,同時(shí)對(duì)外做功,內(nèi)能減少C.外界對(duì)物體做功,同時(shí)物體吸熱,內(nèi)能減少D.外界對(duì)物體做功,同時(shí)物體放熱,內(nèi)能增加解析:根據(jù)熱力學(xué)第一定律ΔU=Q+W,做功和傳熱都可以改變物體的內(nèi)能,故由此可確定選項(xiàng)A、B、D正確,選項(xiàng)C錯(cuò)誤.答案:ABD2.水槍是孩子們喜愛的玩具,下圖是常見氣壓式水槍儲(chǔ)水罐的示意圖.從儲(chǔ)水罐充氣口充入氣體,達(dá)到一定壓強(qiáng)后,關(guān)閉充氣口,扣動(dòng)扳機(jī)將閥門M打開,水就會(huì)從槍口噴出.罐內(nèi)氣體可看作理想氣體,在水不斷噴出的過程中,若罐內(nèi)氣體的溫度不變,則(

)A.罐內(nèi)氣體的壓強(qiáng)變大B.罐內(nèi)氣體對(duì)外界不做功C.罐內(nèi)氣體從外界吸熱D.罐內(nèi)氣體的分子平均動(dòng)能變小答案:C解析:在水不斷噴出的過程中,罐內(nèi)氣體溫度不變,根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程可知,罐內(nèi)氣體的壓強(qiáng)減小,選項(xiàng)A錯(cuò)誤.罐內(nèi)氣體的體積增大,氣體對(duì)外界做功,選項(xiàng)B錯(cuò)誤.罐內(nèi)氣體可看作理想氣體,氣體溫度不變,其內(nèi)能不變,氣體對(duì)外做功,根據(jù)熱力學(xué)第一定律可知,罐內(nèi)氣體從外界吸收熱量,選項(xiàng)C正確.溫度是分子平均動(dòng)能的標(biāo)志,溫度不變則分子的平均動(dòng)能不變,選項(xiàng)D錯(cuò)誤.3.下圖是密閉的汽缸,汽缸內(nèi)密封一定量的理想氣體.外力推動(dòng)活塞P壓縮氣體,對(duì)缸內(nèi)氣體做功800J,同時(shí)氣體向外界放熱200J,則缸內(nèi)氣體的(

)A.溫度升高,內(nèi)能增加600JB.溫度升高,內(nèi)能減少200JC.溫度降低,內(nèi)能增加600JD.溫度降低,內(nèi)能減少200J答案:A解析:由熱力學(xué)第一定律可知,ΔU=Q+W=-200J+800J=600J,內(nèi)能增加600J,則缸內(nèi)氣體溫度一定升高,選項(xiàng)A正確.4.

(2022·廣東潮州)(多選)列車運(yùn)行的平穩(wěn)性與車廂的振動(dòng)密切相關(guān),車廂底部安裝的空氣彈簧可以有效減振,空氣彈簧主要由活塞、汽缸及內(nèi)封的一定質(zhì)量的氣體構(gòu)成.上下乘客及劇烈顛簸均能引起車廂振動(dòng),上下乘客時(shí)汽缸內(nèi)氣體的體積變化緩慢,氣體與外界有充分的熱交換;劇烈顛簸時(shí)汽缸內(nèi)氣體的體積變化較快,氣體與外界來不及熱交換.若汽缸內(nèi)氣體視為理想氣體,在氣體