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1、第三章第三章 热力学定律热力学定律学习目标学习目标1.能以系统为研究对象能以系统为研究对象,进一步理解做功和传热在改变物体的内能上是进一步理解做功和传热在改变物体的内能上是等效的等效的,用综合分析的方法推导出热力学第一定律用综合分析的方法推导出热力学第一定律,理解各个物理量正负理解各个物理量正负号的含义号的含义,培养推理能力和分析综合能力培养推理能力和分析综合能力.2.通过对内燃机工作过程的分析通过对内燃机工作过程的分析,知道热力学第一定律在实际生活中的知道热力学第一定律在实际生活中的应用应用,会利用热力学第一定律解释和计算能量的转化和转移问题会利用热力学第一定律解释和计算能量的转化和转移问题
2、,培养应培养应用物理知识解决实际问题的能力用物理知识解决实际问题的能力.2热力学第一定律热力学第一定律知识点一知识点一 热力学第一定律热力学第一定律1.改变系统内能的方式有哪些改变系统内能的方式有哪些?这些方式有什么异同这些方式有什么异同?答案答案:改变系统内能的方式有两种改变系统内能的方式有两种:做功和传热做功和传热.不同点不同点:做功是做功是其他形式的能与内能之间的转化其他形式的能与内能之间的转化,传热是内能的转移传热是内能的转移.相同点相同点:做功和传热在改变系统的内能上是等效的做功和传热在改变系统的内能上是等效的.2.一个绝热的热力学系统一个绝热的热力学系统,外界对系统做功外界对系统做
3、功10 J,系统的内能如系统的内能如何变化何变化?变化多少变化多少?答案答案:系统内能增加系统内能增加,增加增加10 J.3.单纯对一个热力学系统传热单纯对一个热力学系统传热10 J,系统的内能如何变化系统的内能如何变化?变化变化多少多少?答案答案:系统内能增加系统内能增加,增加增加10 J.4.如果外界对一个热力学系统做功如果外界对一个热力学系统做功10 J,同时给它传热同时给它传热10 J,那么那么系统内能如何变化系统内能如何变化?变化多少变化多少?答案答案:系统内能增加系统内能增加,增加增加20 J.5.热热力力学学第第一一定定律律:一一个个热热力力学学系系统统的的内内能能变变化化量量等
4、等于于 与与 的的和和.表达式表达式为为 .外界向它传递的热量外界向它传递的热量外界对它所做的功外界对它所做的功U=Q+W知识点二热力学第一定律的应用知识点二热力学第一定律的应用1.某个热力学系统某个热力学系统,如果外界对系统做功如果外界对系统做功30 J,系统向外界放热系统向外界放热10 J,系统内能如何变化系统内能如何变化?变化多少变化多少?答案答案:系统内能增加系统内能增加,增加增加20 J.2.对于公式对于公式 U=Q+W,U为系统内能的变化量为系统内能的变化量,当系统内能增加当系统内能增加时时,U取取 ;当系统内能减小时当系统内能减小时,U取取 ;当系统从外界吸当系统从外界吸收热量时
5、收热量时,Q取取 ;当系统向外界放出热量时当系统向外界放出热量时,Q取取 ;当外当外界对系统做功时界对系统做功时,W取取 ;当系统对外界做功时当系统对外界做功时,W取取 .(均选填均选填“正值正值”或或“负值负值”)正值正值负值负值正值正值负值负值正值正值负值负值小小试试身手身手判断下列说法的正误并和同学交流判断下列说法的正误并和同学交流(正确的打正确的打“”,错误的错误的打打“”).).1.做功和传热在改变物体的内能上是不等效的做功和传热在改变物体的内能上是不等效的.()2.热量和功由过程决定热量和功由过程决定,而内能由物体状态决定而内能由物体状态决定.()3.外界对系统做功外界对系统做功,
6、系统的内能一定增加系统的内能一定增加.()4.系统内能增加系统内能增加,一定是因为系统从外界吸收了热量一定是因为系统从外界吸收了热量.()5.物体吸收热量物体吸收热量,同时对外做功同时对外做功,其内能可能不变其内能可能不变.()6.系统内能减少系统内能减少,一定是因为系统对外界做功了一定是因为系统对外界做功了.()探究一探究一热力学第一定律热力学第一定律问题情境问题情境如图所示的汽缸中用活塞封闭一定质量的气体如图所示的汽缸中用活塞封闭一定质量的气体,汽缸与活塞之汽缸与活塞之间的摩擦不计间的摩擦不计.1.快速推动活塞对汽缸内气体做功快速推动活塞对汽缸内气体做功50 J,气体内能改变多少气体内能改
7、变多少?答案答案:快速推动活塞对汽缸内气体做功快速推动活塞对汽缸内气体做功,气体与外界没有热交换气体与外界没有热交换,即即Q=0,故气体内能增加故气体内能增加50 J.答案答案:气体体积不变气体体积不变,外界对其做功外界对其做功W=0,气体吸收热气体吸收热量量Q=50 J,内能增加内能增加50 J.2.若保持气体体积不变若保持气体体积不变,外界对汽缸传递外界对汽缸传递50 J的热量的热量,则气体内则气体内能改变多少能改变多少?3.如果发现气体的内能增加如果发现气体的内能增加50 J,那么仅根据这一点你能确定内那么仅根据这一点你能确定内能变化的原因吗能变化的原因吗?为什么为什么?这说明什么这说明
8、什么?答案答案:不能确定气体内能变化的原因不能确定气体内能变化的原因;因为无论外界对气体做功因为无论外界对气体做功50 J,还是外界给气体传递还是外界给气体传递50 J的热量的热量,气体内能都可以增加气体内能都可以增加50 J.这说明做功和传热在改变物体内能上是等效的这说明做功和传热在改变物体内能上是等效的.答案答案:外界对气体做功外界对气体做功,故故W=50 J,气体向外界放热气体向外界放热,Q=-30 J,代代入入U=Q+W可得可得U=20 J.这说明气体的内能增加了这说明气体的内能增加了20 J.4.如果推动活塞对气体做功如果推动活塞对气体做功50 J,同时气体通过汽缸向外界放热同时气体
9、通过汽缸向外界放热30 J,请根据热力学第一定律计算后说明请根据热力学第一定律计算后说明:气体的内能是如何变气体的内能是如何变化的化的?变化了多少变化了多少?过程建构过程建构1.对对U=Q+W的理解的理解.(1)热力学第一定律不仅反映了做功和传热这两种方式在改变热力学第一定律不仅反映了做功和传热这两种方式在改变系统内能方面是等效的系统内能方面是等效的,而且给出了内能的变化量与做功和传而且给出了内能的变化量与做功和传热之间的定量关系热之间的定量关系.(2)热力学第一定律将单纯的绝热过程和单纯的传热过程中内热力学第一定律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能改变的定量
10、表达推广到一般情况,既有做功又有传热的过程既有做功又有传热的过程.(3)对公式对公式U=Q+W中中U、Q、W符号的规定符号的规定.项目项目WQU正号正号外界对系统做功外界对系统做功系统吸收热量系统吸收热量内能增加内能增加负号负号系统对外界做功系统对外界做功系统放出热量系统放出热量内能减少内能减少2.应用应用U=Q+W时的三种特殊情况时的三种特殊情况:(1)若过程是绝热的若过程是绝热的,即即Q=0,则则U=W,系统内能的变化量等于系统内能的变化量等于外界对系统做的功外界对系统做的功.(2)若过程中不做功若过程中不做功,即即W=0,则则U=Q,系统内能的变化量等于系统内能的变化量等于系统从外界吸收
11、的热量系统从外界吸收的热量.(3)若过程的始末状态物体的内能不变若过程的始末状态物体的内能不变,即即U=0,则则W=-Q(或或Q=-W),外界对系统做的功等于系统放出的热量外界对系统做的功等于系统放出的热量(或系统吸收或系统吸收的热量等于系统对外界做的功的热量等于系统对外界做的功).【典例【典例1】一定质量的气体】一定质量的气体,在被压缩的过程中外界对气体做功在被压缩的过程中外界对气体做功300 J,但这一过程中气体的内能减少了但这一过程中气体的内能减少了300 J,气体在此过程中气体在此过程中是吸热还是放热是吸热还是放热?吸收或放出多少热量吸收或放出多少热量?解析解析:由题意知由题意知W=3
12、00 J,U=-300 J,根据热力学第一定律可得根据热力学第一定律可得Q=U-W=-300 J-300 J=-600 J,Q为负值表示气体放热为负值表示气体放热,因此气因此气体放出体放出600 J的热量的热量.答案答案:放热放热600 J应用热力学第一定律解题的思路应用热力学第一定律解题的思路探究探究二热力学第一定律的应用二热力学第一定律的应用问题情境问题情境如图所示如图所示,一定质量的理想气体从状态一定质量的理想气体从状态A依次经依次经过状态过状态B、C和和D后再回到状态后再回到状态A.其中其中,AB和和CD为等温过程为等温过程,BC和和DA为绝热过程为绝热过程.1.AB过程中过程中,气体
13、的内能如何变化气体的内能如何变化?结合理想气体的特结合理想气体的特点点,你认为理想气体的内能与什么因素有关你认为理想气体的内能与什么因素有关?答案答案:AB过程中温度不变过程中温度不变,分子的平均动能不变分子的平均动能不变,理想气体分理想气体分子势能为子势能为0,故气体内能不变故气体内能不变;一定质量的理想气体其内能由温一定质量的理想气体其内能由温度决定度决定,温度升高温度升高,内能增加内能增加,温度降低温度降低,内能减少内能减少.2.AB、CD过程中过程中,气体对外界做功还是外界对气体做功气体对外界做功还是外界对气体做功?答案答案:AB过程过程,气体向外膨胀气体向外膨胀,体积增大体积增大,气
14、体对外界做功气体对外界做功;CD过程中过程中,气体被压缩气体被压缩,体积减小体积减小,外界对气体做功外界对气体做功.3.若气体在若气体在AB过程中吸收过程中吸收63 kJ的热量的热量,在在CD过程中放出过程中放出38 kJ的热量的热量,则气体完成一次循环对外做的功为多少则气体完成一次循环对外做的功为多少?答案答案:气体在气体在AB过程中吸收过程中吸收63 kJ的热量的热量,在在CD过程中放出过程中放出38 kJ的热量的热量,BC和和DA为绝热过程为绝热过程,故一次循环吸收的热量故一次循环吸收的热量为为Q=(63-38)kJ=25 kJ;一次循环回到初始状态温度不变一次循环回到初始状态温度不变,
15、则则U=0;根据根据U=Q+W可得可得W=-Q=-25 kJ,即气体对外做功即气体对外做功25 kJ.过程建构过程建构1.判断外界对气体是否做功的方法判断外界对气体是否做功的方法.一般情况下外界对气体做功与否一般情况下外界对气体做功与否,需看气体的体积是否变化需看气体的体积是否变化.(1)若气体体积增大若气体体积增大,则表明气体对外界做功则表明气体对外界做功,W0.(3)气体压强不变时气体压强不变时,相当于恒力做功相当于恒力做功,做功的做功的数值数值W=pSl=pV;也可以借助也可以借助p-V图像求气图像求气体做的功体做的功,如图所示如图所示,气体在气体在AB过程中对外过程中对外做的功可以用图
16、线做的功可以用图线AB下方的阴影部分的面下方的阴影部分的面积表示积表示.2.几种常见的气体变化过程几种常见的气体变化过程.(1)绝热过程绝热过程:过程是绝热的过程是绝热的,即即Q=0,W=U,外界对气体做的功等外界对气体做的功等于气体内能的变化量于气体内能的变化量.(2)等容过程等容过程:在该过程中气体不做功在该过程中气体不做功,即即W=0,则则Q=U,气体吸收气体吸收的热量等于气体内能的变化量的热量等于气体内能的变化量.(3)等温过程等温过程:在过程的始末状态在过程的始末状态,理想气体的内能不变理想气体的内能不变,即即U=0,则则W+Q=0或或W=-Q,表示气体吸收的热量全部用来对外做功或外表示气体吸收的热量全部用来对外做功或外界对气体所做的功全部转换为热量放出界对气体所做的功全部转换为热量放出.【典例【典例2】(多选多选)如图所示如图所示,一定质量的理想气体从状态一定质量的理想气体从状态a出发出发,经过经过ab、bc和和ca三个过程回到初状态三个过程回到初状态a,其中其中bc过程过程气体的温度不变气体的温度不变.下列说法正确的是下列说法正确的是()A.在过程在过程ab中气体的内能增
