《2019-2020學(xué)年高中物理 第5章 熱力學(xué)定律 第1節(jié) 熱力學(xué)第一定律學(xué)案 魯科版選修3-3》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《2019-2020學(xué)年高中物理 第5章 熱力學(xué)定律 第1節(jié) 熱力學(xué)第一定律學(xué)案 魯科版選修3-3（12頁珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、第1節(jié)熱力學(xué)第一定律1.了解熱力學(xué)第一定律(重點(diǎn))2.會(huì)用UWQ解決一些簡單問題(重點(diǎn)難點(diǎn))3知道第一類永動(dòng)機(jī)不可能制成一、熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用1改變物體內(nèi)能的兩種方式：做功和熱傳遞2物體內(nèi)能的改變(1)如果物體與外界無熱傳遞，若外界對(duì)物體做功，則物體的內(nèi)能增加；若物體對(duì)外做功，物體的內(nèi)能減少(2)如果物體既不對(duì)外做功，外界也不對(duì)物體做功，則物體吸收熱量時(shí)，它的內(nèi)能增加；物體放出熱量時(shí)，它的內(nèi)能減少3熱力學(xué)第一定律(1)內(nèi)容：物體內(nèi)能的增加量U等于外界對(duì)物體所做的功W與物體從外界吸收的熱量Q之和(2)表達(dá)式：UWQ(3)符號(hào)規(guī)則：物體從外界吸熱時(shí)Q為正值，即Q0，物體向外界放熱時(shí)Q為負(fù)值，即

2、Q0，物體對(duì)外界做功時(shí)W為負(fù)值，即W0，物體的內(nèi)能減少時(shí)U為負(fù)值，即U0.(4)意義：一個(gè)物體內(nèi)能增加，必定有其他物體對(duì)它做功，或向它傳遞熱量與此同時(shí)，對(duì)此物體做功或向它傳熱的其他物體要減少等量的能量，而系統(tǒng)的總能量保持不變?cè)谝磺猩婕盁岈F(xiàn)象的宏觀過程中，能量可以發(fā)生轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)化，在轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)化過程中總能量守恒(1)外界對(duì)系統(tǒng)做功，系統(tǒng)的內(nèi)能一定增加()(2)系統(tǒng)內(nèi)能增加，一定是系統(tǒng)從外界吸收熱量()(3)系統(tǒng)從外界吸收熱量5 J，內(nèi)能可能增加5 J()(4)系統(tǒng)內(nèi)能減少，一定是系統(tǒng)對(duì)外界做功()提示：(1)(2)(3)(4)二、第一類永動(dòng)機(jī)1概念：不消耗任何能量而能永遠(yuǎn)對(duì)外做功的機(jī)器2結(jié)果：171

3、8世紀(jì)，人們提出了許多永動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方案，但都以失敗而告終3原因：設(shè)想能量能夠無中生有地創(chuàng)造出來，違背了熱力學(xué)第一定律4啟示：人類利用和改造自然時(shí)，必須遵循自然規(guī)律有一種所謂“全自動(dòng)”機(jī)械手表，既不需要上發(fā)條，也不用任何電源，卻能不停地走下去這是不是一種永動(dòng)機(jī)？如果不是，維持表針走動(dòng)的能量是從哪兒來的？提示：這不是永動(dòng)機(jī)是通過手臂的擺動(dòng)獲得能量改變物體內(nèi)能的兩種方式的比較1絕熱過程：物體只由于外界對(duì)它做功而與外界交換能量，它不從外界吸熱，也不向外界放熱，這樣的過程叫做絕熱過程2功和內(nèi)能變化的關(guān)系：當(dāng)物體從某一狀態(tài)經(jīng)過絕熱過程達(dá)到另一狀態(tài)時(shí)，內(nèi)能的增加量U就等于外界對(duì)物體所做的功W，用公式表示為：U

4、U2U1W.在絕熱過程中，外界對(duì)物體做功，物體的內(nèi)能增加，外界對(duì)物體做多少功，物體的內(nèi)能就增加多少；物體對(duì)外界做功，物體的內(nèi)能減少，物體對(duì)外界做多少功，物體的內(nèi)能就減少多少物體在絕熱過程中，外界對(duì)物體所做的功僅由過程的始、末兩個(gè)狀態(tài)決定，不依賴于做功的具體過程和方式，這一點(diǎn)與在力學(xué)中重力做的功僅由物體的起點(diǎn)和終點(diǎn)兩個(gè)位置決定，而與物體的運(yùn)動(dòng)路徑無關(guān)相類似3熱傳遞和內(nèi)能變化的關(guān)系熱傳遞是相互接觸的兩個(gè)物體(或同一物體的不同部分之間)，由于溫度不同，會(huì)自發(fā)地將熱量從高溫物體傳到低溫物體的過程(或從同一物體的高溫部分傳到低溫部分)，熱傳遞的條件是兩物體或同一物體的不同部分之間存在溫度差熱傳遞也可以改

5、變物體的內(nèi)能物體吸收了熱量，分子熱運(yùn)動(dòng)變得劇烈，分子平均動(dòng)能就增加，物體的內(nèi)能增大，反之物體的內(nèi)能就減少在只有熱傳遞的情況下，系統(tǒng)由狀態(tài)1到達(dá)狀態(tài)2，內(nèi)能增量為UU2U1，吸收的熱量即UQ，也就是說：物體吸收熱量，內(nèi)能增加，物體放出放量，內(nèi)能減少，并且內(nèi)能的變化量等于物體吸收或放出的熱量(1)內(nèi)能是狀態(tài)量，一個(gè)物體在不同的狀態(tài)下可以有不同的內(nèi)能(2)熱量是過程量，它表示由于熱傳遞而引起的變化過程中傳遞的能量下列說法正確的是()A物體放出熱量，其內(nèi)能一定減小B物體對(duì)外做功，其內(nèi)能一定減小C物體吸收熱量，同時(shí)對(duì)外做功，其內(nèi)能可能增加D物體放出熱量，同時(shí)對(duì)外做功，其內(nèi)能可能不變解析根據(jù)熱力學(xué)第一定律

6、(公式UQW)可知，做功和熱傳遞都可以改變物體的內(nèi)能，當(dāng)外界對(duì)物體做的功大于物體放出的熱量或物體吸收的熱量大于物體對(duì)外做的功時(shí)，物體的內(nèi)能增加，選項(xiàng)A、B錯(cuò)誤，選項(xiàng)C正確；物體放出熱量同時(shí)對(duì)外做功，則QW0，內(nèi)能減小，選項(xiàng)D錯(cuò)誤答案C在墻壁與外界無熱傳遞的封閉房間里，夏天為了降低溫度，同時(shí)打開電冰箱和電風(fēng)扇，兩電器工作較長時(shí)間后，房內(nèi)的氣溫將會(huì)怎樣變化？并說明原因解析：電冰箱是把里面的熱量轉(zhuǎn)移到外面，達(dá)到降溫的效果；電風(fēng)扇是通過風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)空氣流動(dòng)，使身體汗液蒸發(fā)起到對(duì)人體降溫的作用但從總體上，電冰箱、電風(fēng)扇消耗的電能最后都轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，因而房內(nèi)溫度升高答案：見解析對(duì)熱力學(xué)第一定律的理解1熱力

7、學(xué)第一定律的研究對(duì)象：研究功、熱量跟內(nèi)能的變化之間的定量關(guān)系2熱力學(xué)第一定律的表達(dá)式我們知道，做功和熱傳遞都可以改變物體的內(nèi)能在一般情況下，如果物體跟外界同時(shí)發(fā)生做功和熱傳遞的過程，那么，外界對(duì)物體所做的功W加上物體從外界吸收的熱量Q等于物體內(nèi)能的增量U，即UQW.上式所表示的功、熱量跟內(nèi)能改變之間的關(guān)系，叫做熱力學(xué)第一定律3對(duì)于理想氣體，常把熱力學(xué)第一定律與理想氣體狀態(tài)方程結(jié)合起來分析其狀態(tài)變化規(guī)律，常見的分析思路如下：(1)利用體積的變化分析做功問題氣體體積增大，對(duì)外做功；氣體體積減小，外界對(duì)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，

8、內(nèi)能增加；溫度降低，內(nèi)能減小(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UWQ，則QUW，若已知?dú)怏w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應(yīng)用熱力學(xué)第一定律解題，一定要弄清熱學(xué)過程中物理量W、Q、U的正、負(fù)號(hào)，防止公式UWQ中因符號(hào)不清楚而出錯(cuò) 命題視角1用熱力學(xué)第一定律定性分析密閉有空氣的薄塑料瓶因降溫而變扁，此過程中瓶內(nèi)空氣(不計(jì)分子勢(shì)能)()A內(nèi)能減小，外界對(duì)其做功B內(nèi)能減小，吸收熱量C內(nèi)能增大，對(duì)外界做功D內(nèi)能增大，放出熱量解析密閉有空氣的薄塑料瓶降溫說明氣體的內(nèi)能減小，薄塑料瓶變扁說明外界對(duì)氣體做功；由熱力學(xué)第一定律可知，氣體在變化過程中

9、放出熱量，所以選項(xiàng)A正確答案A 命題視角2用熱力學(xué)第一定律進(jìn)行定量計(jì)算一定質(zhì)量的氣體，在從一個(gè)狀態(tài)變化到另一個(gè)狀態(tài)的過程中，吸收熱量280 J，并對(duì)外做功120 J，試問：(1)這些氣體的內(nèi)能發(fā)生了怎樣的變化？(2)如果這些氣體又返回原來的狀態(tài)，并放出了240 J熱量，那么在返回的過程中是氣體對(duì)外界做功，還是外界對(duì)氣體做功？做功多少？思路點(diǎn)撥根據(jù)熱力學(xué)第一定律進(jìn)行計(jì)算解析(1)由熱力學(xué)第一定律可得UWQ120 J280 J160 J，即氣體內(nèi)能增加了160 J.(2)由于氣體的內(nèi)能僅與狀態(tài)有關(guān)，所以氣體從狀態(tài)回到狀態(tài)過程中內(nèi)能的變化應(yīng)等于從狀態(tài)到狀態(tài)過程中內(nèi)能的變化，則從狀態(tài)到狀態(tài)的內(nèi)能應(yīng)減少

10、160 J，即U160 J，又Q240 J根據(jù)熱力學(xué)第一定律得：UWQ所以WUQ160 J(240 J)80 J即外界對(duì)氣體做功80 J.答案(1)內(nèi)能增加了160 J(2)外界對(duì)氣體做功80 J 命題視角3熱力學(xué)第一定律與理想氣體狀態(tài)方程的綜合應(yīng)用(多選)對(duì)于一定質(zhì)量的理想氣體，下列說法正確的是()A加熱壓縮，溫度一定升高，壓強(qiáng)一定增大B加熱膨脹，溫度一定升高，壓強(qiáng)一定減小C若溫度降低，壓強(qiáng)增大，則一定吸收熱量D若膨脹過程中壓強(qiáng)增大，則一定吸收熱量解析對(duì)A項(xiàng)：U又p，故A正確對(duì)B項(xiàng)：U無法確定，T無法確定，由C知，p變化無法確定，故B錯(cuò)誤對(duì)C項(xiàng)：V，Q0，吸熱，故D正確答案AD【通關(guān)練習(xí)】1

11、一定量的理想氣體在某一過程中，從外界吸收熱量2.5104 J，氣體對(duì)外界做功1.0104 J，則該理想氣體的()A溫度降低，密度增大B溫度降低，密度減小C溫度升高，密度增大D溫度升高，密度減小解析：選D.由熱力學(xué)第一定律UWQ得：U1.0104 J2.5104 J1.5104 J，因此氣體的內(nèi)能增大，故溫度升高，又因氣體對(duì)外做功，體積增大，故密度減小2 如圖，一定質(zhì)量的理想氣體，由狀態(tài)a經(jīng)過ab過程到達(dá)狀態(tài)b或者經(jīng)過ac過程到達(dá)狀態(tài)c.設(shè)氣體在狀態(tài)b和狀態(tài)c的溫度分別為Tb和Tc，在過程ab和ac中吸收的熱量分別為Qab和Qac，則()ATbTc，QabQacBTbTc，QabQac DTbT

12、c，Qab0，故溫度一定升高，故A選項(xiàng)正確課時(shí)作業(yè)一、單項(xiàng)選擇題1關(guān)于物體內(nèi)能的變化情況的說法正確的是()A吸熱的物體的內(nèi)能一定增加B體積膨脹的物體的內(nèi)能一定減少C外界對(duì)物體做功，其內(nèi)能一定增加D絕熱壓縮物體，其內(nèi)能一定增加解析：選D.改變物體內(nèi)能的途徑有兩種：做功和熱傳遞在其中一種改變內(nèi)能的途徑不確定的情況下，不能根據(jù)另一種改變內(nèi)能途徑的情況判斷物體內(nèi)能的變化2給旱區(qū)送水的消防車停于水平地面，在緩慢放水過程中，若車胎不漏氣，胎內(nèi)氣體溫度不變，不計(jì)分子間勢(shì)能，則胎內(nèi)氣體()A從外界吸熱B對(duì)外界做負(fù)功C分子平均動(dòng)能減小 D內(nèi)能增加解析：選A.緩慢放水過程中，胎內(nèi)氣體體積增大、溫度不變，由于不計(jì)分

13、子勢(shì)能，內(nèi)能不變，故分子平均動(dòng)能不變，選項(xiàng)C、D錯(cuò)誤；由體積增大可知?dú)怏w對(duì)外界做正功，或克服外界做功，選項(xiàng)B錯(cuò)誤由UWQ知U0，W0，氣體從外界吸熱，選項(xiàng)A正確故選A.3一定質(zhì)量的理想氣體，從某一狀態(tài)開始，經(jīng)過一系列變化后又回到開始的狀態(tài)，用W1表示外界對(duì)氣體做的功，W2表示氣體對(duì)外界做的功，Q1表示氣體吸收的熱量，Q2表示氣體放出的熱量，則在整個(gè)過程中一定有()AQ1Q2W2W1BQ1Q2CW1W2 DQ1Q2解析：選A.解答本題的切入點(diǎn)是，對(duì)一定質(zhì)量的理想氣體，在某一狀態(tài)下其內(nèi)能是確定的首先，對(duì)一定質(zhì)量的理想氣體，經(jīng)過一系列的狀態(tài)變化后又回到原狀態(tài)，表明整個(gè)過程中內(nèi)能的變化為零，即通過做功

14、和熱傳遞引起的內(nèi)能變化相互抵消，所以A選項(xiàng)正確4景頗族的祖先發(fā)明的點(diǎn)火器如圖所示，用牛角做套筒，木質(zhì)推桿前端粘著艾絨猛推推桿，艾絨即可點(diǎn)燃，對(duì)筒內(nèi)封閉的氣體，在此壓縮過程中()A氣體溫度升高，壓強(qiáng)不變B氣體溫度升高，壓強(qiáng)變大C氣體對(duì)外界做正功，氣體內(nèi)能增加D外界對(duì)氣體做正功，氣體內(nèi)能減少解析：選B.氣體體積減小，故外界對(duì)氣體做正功，做功時(shí)間短，故可認(rèn)為無熱傳遞，由UWQ，W0，氣體內(nèi)能增加，溫度上升由C可知，溫度上升體積減小，壓強(qiáng)必增大5.如圖所示，在豎直放置的圓柱容器內(nèi)，用活塞密封一部分氣體，活塞質(zhì)量為m，容器的橫截面積為S，活塞與容器壁間無摩擦，平衡時(shí)容器內(nèi)的密閉氣體的壓強(qiáng)為p，外界大氣壓

15、恒為p0.當(dāng)氣體從外界吸收熱量Q、活塞升高h(yuǎn)后再次平衡(可認(rèn)為氣體壓強(qiáng)恒為p不變)則在此過程中密閉氣體增加的內(nèi)能等于()AQ BQmghCQmghp0Sh DQmghp0Sh解析：選C.氣體前后兩個(gè)狀態(tài)用1和2表示，對(duì)應(yīng)內(nèi)能為U1和U2，當(dāng)氣體從狀態(tài)1變化到狀態(tài)2時(shí)，能流圖如圖所示從能流圖可以看出：UQWQmghp0Sh.6如圖，容器A、B各有一個(gè)可以自由移動(dòng)的輕活塞，活塞下面是水，上面是大氣，大氣壓恒定A、B的底部由帶閥門K的管道相連，整個(gè)裝置與外界絕熱原先A中水面比B中的高，打開閥門，使A中的水逐漸向B中流動(dòng)，最后達(dá)到平衡在這個(gè)過程中()A大氣壓對(duì)水不做功，水的內(nèi)能減少B水克服大氣壓做功，

16、水的內(nèi)能減少C大氣壓對(duì)水不做功，水的內(nèi)能不變D大氣壓對(duì)水不做功，水的內(nèi)能增加解析：選D.打開閥門K，使A中的水逐漸流向B中，最后水面持平，A中水面下降hA，B中水面上升hB，相當(dāng)于A端SAhA體積的水移到B端，且SAhASBhB，這部分水的重心降低，重力對(duì)水做正功，重力勢(shì)能減小了大氣壓力做功情況是大氣壓對(duì)A容器中的水做正功，對(duì)B容器中的水做負(fù)功所以，大氣壓力對(duì)水做的總功為p0SAhAp0SBhB，由于SAhASBhB，所以大氣壓對(duì)水做的總功為零，又由于系統(tǒng)絕熱，與外界沒有熱交換，只有水重力做功，重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，故選項(xiàng)D正確二、多項(xiàng)選擇題7用密封性好、充滿氣體的塑料袋包裹易碎品，如圖所示，充

17、氣袋四周被擠壓時(shí)，假設(shè)袋內(nèi)氣體與外界無熱交換，則袋內(nèi)氣體()A體積減小，內(nèi)能增大B體積減小，壓強(qiáng)減小C對(duì)外界做負(fù)功，內(nèi)能增大D對(duì)外界做正功，壓強(qiáng)減小解析：選AC.實(shí)際氣體在溫度不太低、壓強(qiáng)不太大時(shí)可看作理想氣體充氣袋被擠壓，氣體體積減小，外界對(duì)氣體做正功，則W0，即氣體對(duì)外界做負(fù)功，由于袋內(nèi)氣體與外界無熱交換，即Q0，根據(jù)熱力學(xué)第一定律UWQ知，內(nèi)能增大，溫度升高，選項(xiàng)A、C正確；根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程C可判斷壓強(qiáng)一定增大，選項(xiàng)B、D錯(cuò)誤8 實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，某同學(xué)用導(dǎo)熱性能良好的汽缸和活塞將一定質(zhì)量的理想氣體封閉在汽缸內(nèi)(活塞與汽缸壁之間無摩擦)，待活塞靜止后，再用一個(gè)裝有與室溫溫度相同的水的小滴管貼

18、近活塞，將滴管內(nèi)的水緩慢滴注在活塞上方，如圖所示在此過程中，若大氣壓強(qiáng)與室內(nèi)的溫度均保持不變，則下列說法正確的是()A單位時(shí)間內(nèi)，缸內(nèi)氣體分子對(duì)活塞撞擊的次數(shù)保持不變B汽缸內(nèi)氣體的內(nèi)能不變C外界對(duì)缸內(nèi)氣體做的功等于缸內(nèi)氣體向外界釋放的熱量D外界對(duì)缸內(nèi)氣體做的功等于缸內(nèi)氣體增加的內(nèi)能解析：選BC.此過程是等溫變化，即內(nèi)能不變，根據(jù)熱力學(xué)第一定律可知外界對(duì)缸內(nèi)氣體做的功等于缸內(nèi)氣體向外界釋放的熱量，故B、C正確、D錯(cuò)誤；此過程壓強(qiáng)增大體積縮小，由壓強(qiáng)的微觀含義可知A錯(cuò)誤9下列關(guān)于第一類永動(dòng)機(jī)的說法正確的是()A第一類永動(dòng)機(jī)是不消耗任何能量卻能源源不斷地對(duì)外做功的機(jī)器B第一類永動(dòng)機(jī)不能制成的原因是違

19、背了熱力學(xué)第一定律C第一類永動(dòng)機(jī)不能制成的原因是技術(shù)問題D第一類永動(dòng)機(jī)不能制成的原因是違背了能量守恒定律解析：選AD.第一類永動(dòng)機(jī)是不消耗任何能量卻能源源不斷對(duì)外做功的機(jī)器，這是人們的美好愿望，但它違背了能量守恒定律這也是它不能制成的原因故A、D兩項(xiàng)正確，B、C兩項(xiàng)錯(cuò)誤10.如圖所示，a、b、c、d表示一定質(zhì)量的理想氣體狀態(tài)變化過程中的四個(gè)狀態(tài)，圖中ad平行于橫坐標(biāo)軸，cd平行于縱坐標(biāo)軸，ab的延長線過原點(diǎn)以下說法正確的是()A從狀態(tài)d到c，氣體不吸熱也不放熱B從狀態(tài)c到b，氣體放熱C從狀態(tài)a到d，氣體對(duì)外做功D從狀態(tài)b到a，氣體吸熱解析：選BCD.從狀態(tài)d到c，溫度不變，理想氣體內(nèi)能不變，但

20、是由于壓強(qiáng)減小，所以體積增大，對(duì)外做功，還要保持內(nèi)能不變，一定要吸收熱量，故A錯(cuò)誤氣體從狀態(tài)c到狀態(tài)b是一個(gè)降壓、降溫過程，同時(shí)體積減小，外界對(duì)氣體做功，而氣體的內(nèi)能還要減小(降溫)，就一定要伴隨放熱的過程，故B正確氣體從狀態(tài)a到狀態(tài)d是一個(gè)等壓、升溫的過程，同時(shí)體積增大，所以氣體要對(duì)外做功，故C正確氣體從狀態(tài)b到狀態(tài)a是一個(gè)等容變化過程，隨壓強(qiáng)的增大，氣體的溫度升高，內(nèi)能增大，而在這個(gè)過程中氣體的體積沒有變化，就沒有做功，氣體內(nèi)能的增大是因?yàn)闅怏w吸熱的結(jié)果，故D正確三、非選擇題11如圖所示，一定質(zhì)量的理想氣體從狀態(tài)A經(jīng)等壓過程到狀態(tài)B.此過程中，氣體壓強(qiáng)p1.0105 Pa，吸收的熱量Q7.

21、0102 J，求此過程中氣體內(nèi)能的增量解析：等壓變化，對(duì)外做的功Wp(VBVA)根據(jù)熱力學(xué)第一定律UQW，解得U5.0102 J.答案：5.0102 J12.爆米花酥脆可口、老少皆宜，是許多人喜愛的休閑零食，如圖為高壓爆米花的裝置原理圖，玉米在鐵質(zhì)的密閉容器內(nèi)被加熱，封閉氣體被加熱成高溫高壓氣體，當(dāng)打開容器蓋后，“嘭”的一聲氣體迅速膨脹，壓強(qiáng)急劇減小，玉米粒就“爆炸”成了爆米花設(shè)當(dāng)?shù)販囟葹閠127 ，大氣壓為p0，已知密閉容器打開前的氣體壓強(qiáng)達(dá)到4p0.試分析：(1)容器內(nèi)的氣體看作理想氣體，求容器內(nèi)氣體的溫度(2)假定在一次打開的過程中，容器內(nèi)氣體膨脹對(duì)外界做功15 kJ，并向外釋放了20 kJ的熱量，容器內(nèi)原有氣體的內(nèi)能如何變化？變化了多少？解析：(1)根據(jù)查理定律：p1p0，T1300 K，p24p0.整理得：T21 200 K，t2927 .(2)由熱力學(xué)第一定律UQW得U20 kJ15 kJ35 kJ，故內(nèi)能減少35 kJ.答案：(1)927 (2)減少35 kJ12