高二 粵教版 物理 選擇性必修3第三章《第一節(jié) 熱力學(xué)第一定律》課件

第一節(jié)

熱力學(xué)第一定律高二—粵教版—物理—選擇性必修3第三章1．物體由大量分子組成；2．分子總在不停地做無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)的劇烈程度與物質(zhì)的溫度有關(guān)。3．分子間存在相互作用的引力和斥力；基礎(chǔ)知識(shí)回顧物體的內(nèi)能物體內(nèi)部的分子由于作熱運(yùn)動(dòng)，所以具有分子動(dòng)能。布朗運(yùn)動(dòng)微觀示意圖油膜法測(cè)量分子直徑彈弓發(fā)生彈性形變，有彈力的作用，具有彈性勢(shì)能工人在高空作業(yè)有重力的作用，具有重力勢(shì)能那么，在物體內(nèi)部的分子也具有勢(shì)能嗎？點(diǎn)電荷相互之間有電場(chǎng)力的作用，具有電勢(shì)能物體的內(nèi)能分子之間存在作用力，當(dāng)分子間距大于r0時(shí)，分子力表現(xiàn)為引力；當(dāng)分子間距小于r0時(shí)，分子力表現(xiàn)為斥力。當(dāng)分子間距改變，分子力做功，會(huì)引起能量的變化。

所以，分子間具有由他們相對(duì)位置決定的勢(shì)能，稱為分子勢(shì)能。物體的內(nèi)能若取無(wú)窮遠(yuǎn)處分子勢(shì)能為0。

當(dāng)分子間距從無(wú)限遠(yuǎn)到平衡位置r0時(shí)，分子力表現(xiàn)為引力。分子間距減少，分子力作正功，分子勢(shì)能減少；當(dāng)分子間距為平衡位置r0時(shí)，分子間作用力為零，分子勢(shì)能最小。當(dāng)分子間距小于r0時(shí)，分子間作用力表現(xiàn)為斥力。當(dāng)分子間距減少，分子力作負(fù)功，分子勢(shì)能增大；

綜上可得兩分子間勢(shì)能與分子間距的關(guān)系圖像。物體的內(nèi)能分子力F分子勢(shì)能Ep圖象隨分子間距離的變化情況r<r0F隨r增大而減小,表現(xiàn)為斥力r增大,F做正功,Ep減少r>r0r增大,F先增大后減小,表現(xiàn)為引力r增大,F做負(fù)功,Ep增大r=r0F引=F斥,F=0Ep最小,但不為零r>10r0引力和斥力都很微弱,F=0Ep=0物體的內(nèi)能

我們把物體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能和勢(shì)能總和稱為機(jī)械能。類似的，物體中所有分子的動(dòng)能和分子勢(shì)能的總和，叫做物體的內(nèi)能。內(nèi)能溫度溫度上升，分子動(dòng)能增加體積體積變化，分子間距變化，分子勢(shì)能變化那么，可以用什么方式可以使物體內(nèi)能發(fā)生變化呢？改變物體內(nèi)能的兩種方式——熱傳遞生活中，如把金屬勺子放在熱湯中，勺子溫度升高，內(nèi)能增大；食物放入冰箱，溫度下降，內(nèi)能減少；在太陽(yáng)光的照射下，太陽(yáng)能熱水器中的水溫度升高，內(nèi)能增大。這些例子，都是通過(guò)熱傳遞來(lái)改變物體內(nèi)能。熱傳遞可以改變物體內(nèi)能，熱傳遞過(guò)程中物體內(nèi)能變化的量稱為熱量。

習(xí)慣上我們所說(shuō)的“物體吸熱（或放熱）多少”，實(shí)際上是指熱傳遞使物體的內(nèi)能增加（或減少）多少。

比如說(shuō)，柴火燒水，水吸熱后內(nèi)能增加沸騰。燒開(kāi)后熄滅柴火，開(kāi)水對(duì)外放熱，內(nèi)能減少，溫度下降，一段時(shí)間后會(huì)與外界溫度一致。改變物體內(nèi)能的兩種方式——熱傳遞改變物體內(nèi)能的兩種方式——做功對(duì)物體做功，可以改變物體內(nèi)能。我們可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)研究做功如何改變物體內(nèi)能如何知道物體的內(nèi)能發(fā)生改變？一定質(zhì)量的氣體，分子數(shù)目不變。氣體分子間距離很大，分子間作用力忽略不計(jì)，氣體分子勢(shì)能為零。所以氣體內(nèi)能僅與溫度有關(guān)。實(shí)驗(yàn)中，推動(dòng)活塞即對(duì)氣體做功，測(cè)量氣體的溫度的變化，就可以研究做功與氣體內(nèi)能的變化的關(guān)系。一定質(zhì)量的氣體分子動(dòng)能分子勢(shì)能物體內(nèi)能分子數(shù)目控制變量實(shí)驗(yàn)：研究活塞對(duì)氣體做功與氣體內(nèi)能變化的關(guān)系℃℃改變物體內(nèi)能的兩種方式——做功迅速壓縮氣體迅速壓縮氣體的目的是：使過(guò)程中筒內(nèi)氣體與外界幾乎沒(méi)有熱傳遞發(fā)生（絕熱過(guò)程）。實(shí)驗(yàn)過(guò)程：首先推動(dòng)活塞，迅速壓縮氣體，對(duì)氣體做功。然后釋放活塞，氣體推動(dòng)活塞做功。用電子溫度計(jì)測(cè)量氣體的溫度的變化，研究做功與氣體內(nèi)能的變化的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)視頻活塞迅速壓縮氣體過(guò)程實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與分析：迅速壓縮氣體，對(duì)氣體做功，筒內(nèi)氣體與外界幾乎沒(méi)有熱傳遞發(fā)生，所以做功可以使物體內(nèi)能增大。實(shí)驗(yàn)中筒內(nèi)氣體溫度上升，氣體分子動(dòng)能增大，氣體分子勢(shì)能為零，所以筒內(nèi)氣體內(nèi)能增大。1、氣體內(nèi)能的變化情況分析2、氣體內(nèi)能增加，說(shuō)明什么？℃℃氣體迅速膨脹過(guò)程實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與分析：實(shí)驗(yàn)中筒內(nèi)氣體溫度下降，氣體分子動(dòng)能減少，氣體分子勢(shì)能為零，所以筒內(nèi)氣體內(nèi)能減少。1、氣體內(nèi)能的變化情況分析℃℃氣體膨脹向外做功，氣體內(nèi)能減少，所以做功可以使物體內(nèi)能減少。2、氣體內(nèi)能減少，說(shuō)明什么？改變物體內(nèi)能的兩種方式氣體被壓縮外界對(duì)氣體做功氣體溫度上升，內(nèi)能增加。氣體膨脹氣體對(duì)外界做功氣體溫度下降，內(nèi)能減少。結(jié)論：在絕熱過(guò)程中，外界對(duì)物體做功，物體內(nèi)能增大。物體對(duì)外界做功，內(nèi)能減少。改變物體內(nèi)能的兩種方式思考與討論：做功和熱傳遞都可以改變物體的內(nèi)能，兩者是等效的嗎？做功和熱傳遞又有什么區(qū)別呢？在實(shí)際中，我們可以用加熱（熱傳遞）的方法使一根鐵棒升溫，同時(shí)也可以用摩擦生熱（做功）的方法使鐵棒上升相同的溫度。所以，對(duì)于改變物體內(nèi)能來(lái)說(shuō)，兩者是等價(jià)的。但是從能量轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的角度，兩者有所區(qū)別。做功是內(nèi)能與其他形式的能之間的轉(zhuǎn)化，而熱傳遞則是不同物體或部分之間內(nèi)能的轉(zhuǎn)移。綜上所述，物體內(nèi)能的改變，可以通過(guò)熱傳遞和做功兩種方式實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)2.緩慢壓縮筒內(nèi)氣體壓縮氣體做功，可使其內(nèi)能增大；而由于壓縮過(guò)程比較緩慢，氣體同時(shí)與外界進(jìn)行熱傳遞，把內(nèi)能又轉(zhuǎn)移到周圍的環(huán)境中，于是緩慢壓縮的過(guò)程中，筒內(nèi)氣體的內(nèi)能幾乎沒(méi)有變化。2.同是壓縮氣體做功，為什么緩慢壓縮氣體的時(shí)候，氣體的內(nèi)能幾乎不變？實(shí)驗(yàn)3.緩慢壓縮筒內(nèi)氣體1.氣體內(nèi)能的變化情況分析實(shí)驗(yàn)中筒內(nèi)氣體溫度幾乎不變，氣體分子動(dòng)能不變，分子勢(shì)能為零，所以筒內(nèi)氣體內(nèi)能幾乎不變。那么，通過(guò)做功和熱傳遞，物體內(nèi)能會(huì)變化，它們之間存在著什么樣的定量關(guān)系呢？熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用若一個(gè)物體不與外界發(fā)生熱傳遞，它的內(nèi)能變化等于什么？若一個(gè)物體，外界對(duì)其沒(méi)有做功，它的內(nèi)能變化等于什么？綜上，若一個(gè)物體既與外界發(fā)生熱傳遞，同時(shí)外界又對(duì)其做功，它的內(nèi)能變化等于什么？ΔU1=WΔU2=QΔU=ΔU1+ΔU2=Q+W熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用討論和交流：根據(jù)熱力學(xué)第一定律的物理意義，如何規(guī)定Q，W和ΔU的符號(hào)，才能全面反映功，熱量和內(nèi)能改變量間的定量關(guān)系呢？熱力學(xué)第一定律：一個(gè)物體的內(nèi)能增量等于外界向它傳遞的熱量與外界對(duì)它所做的功的和。ΔU=Q+W熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用符號(hào)WQΔU+-ΔU=Q+W問(wèn)題1：外界對(duì)物體做功，外界對(duì)物體傳遞熱量（吸熱），物體內(nèi)能如何變化？問(wèn)題2：物體對(duì)外界做功，物體對(duì)外界傳遞熱量（放熱），物體內(nèi)能如何變化？?jī)?nèi)能增加內(nèi)能減少物體吸收熱量物體放出熱量外界對(duì)物體做功物體對(duì)外界做功熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用

例1.如圖所示，密封在容器內(nèi)的理想氣體在保持壓強(qiáng)p不變的情況下，體積從V1膨脹到V2，氣體向外推動(dòng)活塞。請(qǐng)問(wèn)氣體的內(nèi)能變化情況是什么樣的呢？熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用

首先，理想氣體的內(nèi)能只與溫度有關(guān)，與體積無(wú)關(guān)。氣體發(fā)生等壓變化，由蓋-呂薩克定律：

可得，氣體體積增大，溫度升高，內(nèi)能變大。又由熱力學(xué)第一定律：

可得，氣體體積增大，對(duì)外界做功，W小于0；內(nèi)能變大，ΔU大于0;所以Q必須大于0，氣體從外界吸收熱量。++?熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用

例2.如圖所示，某同學(xué)將空的玻璃瓶開(kāi)口向下緩緩壓入水中。設(shè)水溫均勻且恒定，瓶?jī)?nèi)空氣無(wú)泄漏，不計(jì)空氣分子間的相互作用，則被淹沒(méi)的玻璃瓶在下降的過(guò)程中，氣體是吸熱還是放熱，為什么？熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用

答：在玻璃瓶下降的過(guò)程中，瓶?jī)?nèi)氣體的壓強(qiáng)隨著水深度變大而變大，氣體溫度不變，體積減少。由玻意耳定律：

可得，氣體內(nèi)能不變，ΔU等于0。壓強(qiáng)變大，體積減少，外界對(duì)氣體做功，W大于0，由熱力學(xué)第一定律：

可得，Q小于0，氣體對(duì)外界放出熱量，且放出熱量Q與外界做功W相等。+?0例3.一定質(zhì)量的理想氣體從狀態(tài)A經(jīng)等壓過(guò)程到狀態(tài)B，如圖所示。在這個(gè)過(guò)程中，氣體壓強(qiáng)

p=1×105Pa，吸收的熱量Q=

7.0×102J，求此過(guò)程中氣體內(nèi)能的增量。理想氣體從狀態(tài)A經(jīng)等壓過(guò)程到狀態(tài)B，由蓋呂薩克定律可得解得：在該過(guò)程中，外界對(duì)氣體做功為：根據(jù)熱力學(xué)第一定律：解得：課堂小結(jié)內(nèi)能改變內(nèi)能的方式熱力學(xué)第一定律：做功熱傳遞熱力學(xué)第一定律分子勢(shì)能分子動(dòng)能ΔU=Q+WW>0,外界對(duì)物體做功W<0,物體對(duì)外界做功Q>0,物體吸熱Q<0,物體放熱課程到此結(jié)束，謝謝！第一節(jié)

熱力學(xué)第一定律答疑高二—粵教版—物理—選擇性必修3第三章1.物體的內(nèi)能不變，能否說(shuō)明外界既沒(méi)有對(duì)物體做功，也沒(méi)有發(fā)生熱傳遞？答：不能，內(nèi)能不變，有可能是外界對(duì)物體做的功等于物體放出的熱量或者物體吸收的熱量等于物體對(duì)外界做的功。這都會(huì)使物體內(nèi)能不變。2．物體內(nèi)能大，能不能理解為物體內(nèi)部存儲(chǔ)的熱量多？答：不能，像做功一樣，熱量的概念只有在涉及能量的轉(zhuǎn)移時(shí)才有意義。我們不能說(shuō)物體具有多少熱量，只能說(shuō)某一過(guò)程中物體吸收或放出多少熱量。3.如果用Q表示物體吸收的能量，用W表示物體對(duì)外界所做的功，ΔU表示物體內(nèi)能的增加，那么熱力學(xué)第一定律可以表達(dá)為Q=W+ΔU。怎樣解釋這個(gè)表達(dá)式的物理意義?答：系統(tǒng)從外界吸收的熱量Q等于系統(tǒng)對(duì)外界做的功與系統(tǒng)內(nèi)能增量之和。這種表述是從熱機(jī)的效率角度考慮，外界傳遞給系統(tǒng)的熱量，一部分用來(lái)增加系統(tǒng)的內(nèi)能，另一部分就是系統(tǒng)對(duì)外所做的功。4．把一空的礦泉水瓶擰緊后放入冰箱，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間取出，可以觀察到什么現(xiàn)象？此過(guò)程瓶?jī)?nèi)氣體的內(nèi)能如何變化？（不計(jì)分子勢(shì)能）答：我們可以觀察到瓶子變癟，因?yàn)樗糠湃氡浜螅績(jī)?nèi)氣體溫度降低。而氣體壓強(qiáng)始終與大氣壓相等，幾乎不變，所以體積減少。此過(guò)程瓶?jī)?nèi)氣體溫度降低，內(nèi)能減少，而且體積減少，外界對(duì)氣體做功。由熱力學(xué)第一定律:ΔU=Q+W，過(guò)程中氣體放熱。5.如圖所示，用隔板將一絕熱氣缸分成兩部分，隔板左側(cè)充有理想氣體