第三章熱力學(xué)定律3.2熱力學(xué)第一定律目錄CONTENTS1

學(xué)習(xí)目標(biāo)2

新課導(dǎo)入3

新課講解4

課堂小結(jié)5

典例分析當(dāng)堂小練61．進(jìn)一步掌握能的轉(zhuǎn)化和守恒定律，并了解能的轉(zhuǎn)化和守恒定律的意義。2．運用公式△U＝W＋Q分析有關(guān)問題并具體進(jìn)行計算。學(xué)習(xí)目標(biāo)

汽缸內(nèi)有一定質(zhì)量的氣體，壓縮氣體的同時給汽缸加熱。那么，氣體內(nèi)能的變化會比單一方式（做功或傳熱）更明顯。這是為什么呢？新課導(dǎo)入

另一方面也向我們表明，為了改變系統(tǒng)的狀態(tài)，做功和傳熱這兩種方法是等價的。也就是說，一定數(shù)量的功與確定數(shù)量的熱相對應(yīng)。一方面表明，以不同的方式對系統(tǒng)做功時，只要系統(tǒng)始末兩個狀態(tài)是確定的，做功的數(shù)量就是確定的；焦耳的實驗ΔU=W單純地對系統(tǒng)做功做功：單純地對系統(tǒng)傳熱：△U＝Q當(dāng)外界既對系統(tǒng)做功又對系統(tǒng)傳熱時，內(nèi)能的變化量就應(yīng)該是：△U＝Q+W一、熱力學(xué)第一定律△U＝Q+W一個熱力學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)能增量等于外界向它傳遞的熱量與外界對它所做的功的和。熱力學(xué)第一定律ΔU

：物體內(nèi)能的增加量W：

外界對物體做的功Q：

物體吸收的熱量物理意義：不僅反映了做功與傳熱在改變系統(tǒng)內(nèi)能方面是等效的，而且給出了功、熱量跟系統(tǒng)內(nèi)能改變之間的定量關(guān)系。ΔU=U2-U1新課講解一定質(zhì)量的氣體，膨脹過程中是外界對氣體做功還是氣體對外界做功?如果膨脹時氣體對外做的功是135J，同時向外放熱85J，氣體內(nèi)能的變化量是多少?內(nèi)能是增加了還是減少了?請你通過這個例子總結(jié)功和熱量取正、負(fù)值的物理意義。解析：膨脹過程中氣體對外界做功系統(tǒng)對外做功：W=-135J系統(tǒng)向外放熱：Q=-85J根據(jù)熱力學(xué)第一定律：ΔU=W+Q代入得：ΔU=-135+（-85）=-220J內(nèi)能減少了220J。二、熱力學(xué)第一定律的應(yīng)用1、確定研究對象。2、正確選取正、負(fù)號ΔU=W+Q

物理量符號意義符號意義W＋－Q＋－ΔU＋－外界對物體做功物體對外界做功物體吸收熱量物體放出熱量內(nèi)能增加內(nèi)能減少一定質(zhì)量的氣體在某一過程中，外界對氣體做了8×104J的功，氣體的內(nèi)能減少了1.2×105J，則下列各式正確的是（）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

因為外界對氣體做功，W取正值，即W＝8×104J；氣體內(nèi)能減少，ΔU取負(fù)值，即ΔU＝－1.2×105J；根據(jù)熱力學(xué)第一定律ΔU＝W＋Q，可知Q＝ΔU－W＝－1.2×105J－8×104J＝－2×105J，B選項正確.氣體狀態(tài)變化的幾種特殊情況(1)絕熱過程：Q＝0，則ΔU＝W，系統(tǒng)內(nèi)能的增加(或減少)量等于外界對系統(tǒng)(或物體對外界)做的功．(2)等容過程：W＝0，則ΔU＝Q，物體內(nèi)能的增加量(或減少量)等于系統(tǒng)從外界吸收(或系統(tǒng)向外界放出)的熱量．(3)等溫過程：始末狀態(tài)一定質(zhì)量理想氣體的內(nèi)能不變，即ΔU＝0，則W＝－Q(或Q＝－W)，外界對系統(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)對外界做的功)．判斷氣體是否做功的方法一般情況下看氣體的體積是否變化．①若氣體體積增大，表明氣體對外界做功，W<0.②若氣體體積減小，表明外界對氣體做功，W>0.氣體狀態(tài)變化過程中的做功問題PVVaVb氣體等壓變化對外界做功P-V圖下方(與坐標(biāo)軸所圍的面積)的“面積”

表示做功多少。W=PΔV非等壓變化應(yīng)用熱力學(xué)第一定律解題的一般步驟(1)根據(jù)符號法則寫出各已知量(W、Q、ΔU)的正負(fù)；(2)根據(jù)方程ΔU＝W＋Q求出未知量；(3)再根據(jù)未知量結(jié)果的正負(fù)來確定吸放熱情況、做功情況或內(nèi)能變化情況．氣體實驗定律和熱力學(xué)第一定律的綜合應(yīng)用熱力學(xué)第一定律與理想氣體狀態(tài)方程結(jié)合問題的分析思路：(1)利用體積的變化分析做功情況．氣體體積增大，氣體對外界做功；氣體體積減小，外界對氣體做功．(2)利用溫度的變化分析理想氣體內(nèi)能的變化．一定質(zhì)量的理想氣體的內(nèi)能僅與溫度有關(guān)，溫度升高，內(nèi)能增加；溫度降低，內(nèi)能減?。?3)利用熱力學(xué)第一定律判斷是吸熱還是放熱．由熱力學(xué)第一定律ΔU＝W＋Q，則Q＝ΔU－W，若已知氣體的做功情況和內(nèi)能的變化情況，即可判斷氣體狀態(tài)變化是吸熱過程還是放熱過程。課堂小結(jié)如圖，一臺四沖程內(nèi)燃機，活塞在壓縮沖程某段時間內(nèi)移動的距離為0.1m，這段過程活塞對氣體的壓力逐漸增大，其做的功相當(dāng)于2×103N的恒力使活塞移動相同距離所做的功（圖甲）。內(nèi)燃機工作時汽缸溫度高于環(huán)境溫度，該過程中壓縮氣體傳遞給汽缸的熱量為25J。⑴求上述壓縮過程中氣體內(nèi)能的變化量。⑵燃燒后的高壓氣體對活塞做功，氣體推動活塞移動0.1m，其做的功相當(dāng)于9×103N的恒力使活塞移動相同距離所做的功（圖乙），該做功過程氣體傳遞給汽缸的熱量為30J，求此做功過程氣體內(nèi)能的變化量。典例分析①確定研究對象：汽缸中的氣體。（1）壓縮過程活塞（外界）對氣體（系統(tǒng)）做功，W是正值：W1=F1l1=2×102×0.1J=200J系統(tǒng)向外放熱：Q=-25J氣體內(nèi)能的變化量：ΔU1=W1＋Q1=200J-25J=175J③正確選取W與Q的正負(fù)。②明確氣體狀態(tài)變化過程。分析：解析：

①確定研究對象：汽缸中的氣體。③正確選取W與Q的正負(fù)。②明確氣體狀態(tài)變化過程。分析：解析：

（2）氣體膨脹過程中氣體（系統(tǒng)）對外界所做功，W是負(fù)值：W2=F2L2=-9×102×0.1J=-900J系統(tǒng)向外放熱：Q=-30J氣體內(nèi)能的變化量：ΔU2=W2＋Q2=-900J-30J=-930J【例題2】某汽車的四沖程內(nèi)燃機利用奧托循環(huán)進(jìn)行工作，該循環(huán)可視為由兩個絕熱過程和兩個等容過程組成如圖所示為一定質(zhì)量的理想氣體所經(jīng)歷的奧托循環(huán)，則該氣體（）A.在a→b的過程中，外界對其做的功全部用于增加內(nèi)能B.在狀態(tài)a和c時氣體分子的平均動能可能相等C.在b→c的過程中，氣體溫度不變D.在一次循環(huán)過程中氣體吸收的熱量小于放出的熱量Aa→b過程為絕熱壓縮過程，外界對其做正功，根據(jù)熱力學(xué)第一定律，外界對其做的功全部用于增加內(nèi)能，故A正確；由A的分析可知，狀態(tài)b的溫度比a的溫度高，由狀態(tài)b到c的過程是等容過程，壓強增大，溫度升高，所以c狀態(tài)的溫度大于a狀態(tài)的溫度，故氣體分子的平均動能不可能相等，故BC錯誤；在b→c的過程中，氣體吸收熱量，從c→d是絕熱過程，氣體對外做功，從d→a是等容過程，溫度降低，氣體放熱，在一次循環(huán)過程中，氣體內(nèi)能變化為零，而圖像中abcd的面積為氣體對外做功，所以氣體吸收的熱量大于放出的熱量，故D錯誤。解析：【例題3】氣閘艙是載人航天器中供航天員進(jìn)入太空或由太空返回用的氣密性裝置，其原理圖如圖所示。座艙A與氣閘艙B之間裝有閥門K，座艙A中充滿空氣，氣閘艙B內(nèi)為真空。航天員從太空返回氣閘艙時，打開閥門K，A中的氣體進(jìn)入B中，最終達(dá)到平衡。假設(shè)此過程中系統(tǒng)與外界沒有熱交換，艙內(nèi)氣體可視為理想氣體，下列說法正確的是（）A.氣體并沒有對外做功，氣體內(nèi)能不變B.氣體溫度不變，體積增大，壓強減小C.氣體體積膨脹，對外做功，內(nèi)能減小D.氣體體積變大，氣體分子單位時間對氣缸壁單位面積碰撞的次數(shù)將變少ABD

氣體自由擴散，沒有對外做功，又因為整個系統(tǒng)與外界沒有熱交換，根據(jù)熱力學(xué)第一定律可知內(nèi)能不變，故A正確；因為內(nèi)能不變，故溫度不變，平均動能不變，因為B閘艙內(nèi)為真空，對于座艙A中充滿的空氣，根據(jù)玻意耳定律可知，擴散后壓強減小，體積增大，所以氣體的密集程度減小，根據(jù)氣體壓強的微觀意義可知，氣體分子單位時間對氣缸壁單位面積碰撞的次數(shù)將變少，故C、D正確。解析：學(xué)以致用·隨堂檢測全達(dá)標(biāo)1.(多選)下列關(guān)于能量轉(zhuǎn)化現(xiàn)象的說法中，正確的是(

)A．用太陽灶燒水是光能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能B．電燈發(fā)光是電能轉(zhuǎn)化為光能C．煤燃燒是內(nèi)能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能D．風(fēng)車發(fā)電是風(fēng)的動能轉(zhuǎn)化為電能答案：ABD解析：用太陽灶燒水是光能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，A正確；電燈發(fā)光是電能轉(zhuǎn)化為光能，B正確；煤燃燒是化學(xué)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，C錯誤；風(fēng)車發(fā)電是風(fēng)的動能轉(zhuǎn)化為電能，D正確．2.如圖所示是密閉的汽缸，外力推動活塞P壓縮氣體(可視為理想氣體)，對缸內(nèi)氣體做功800J，同時氣體向外界放熱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：對一定質(zhì)量的理想氣體，由熱力學(xué)第一定律ΔU＝W＋Q可知，ΔU＝800J＋(－200J)＝600J，ΔU為正，表示內(nèi)能增加了600J，對一定質(zhì)量的理想氣體來說，內(nèi)能等于所有分子動能的和，內(nèi)能增加，則氣體分子的平均動能增加，溫度升高，A正確．3.(多選)約翰·維爾金斯設(shè)計了一種磁力“永動機”，如圖所示，在斜坡頂上放一塊強有力的磁鐵，斜坡上端有一個小孔，斜面下有一個連接小孔直至底端的彎曲軌道．維爾金斯認(rèn)為：如果在斜坡底端放一個小鐵球，那么由于磁鐵的吸引，小鐵球就會向上運動，當(dāng)小球運動到小孔P處時，它就要掉下，再沿著斜面下的彎曲軌道返回斜坡底端Q，由于有速度而可以對外做功，然后又被磁鐵吸引回上端，到小孔P處又掉下．關(guān)于維爾金斯“永動機”，正確的認(rèn)識應(yīng)該是(

)A.一定不可能實現(xiàn)B．如果忽略斜面的摩擦，維爾金斯“永動機”一定可以實現(xiàn)C．如果忽略斜面的摩擦，鐵球質(zhì)量較小，磁鐵磁性又較強，則維爾金斯“永動機”可以實現(xiàn)D．違背了能量守恒定律答案：AD解析：維爾金斯“永動機”不可能實現(xiàn)，因為它違背了能量守恒定律．小球上升過程中，磁場力對小球做正功，使小球增加了機械能；但小球下落時，同樣也受到磁場力，而且磁場力做負(fù)功，這個負(fù)功與上升過程的正功相互抵消，可