2018-2019學(xué)年高中物理 第三章 熱力學(xué)第一定律 第二節(jié) 熱力學(xué)第一定律講義(含解析)粵教版選修3-3.doc
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2018-2019學(xué)年高中物理 第三章 熱力學(xué)第一定律 第二節(jié) 熱力學(xué)第一定律講義(含解析)粵教版選修3-3.doc
熱力學(xué)第一定律1熱力學(xué)第一定律的表達(dá)式為UQW,它不僅反映了做功和熱傳遞這兩種改變內(nèi)能方式的等效性,也給出了功、熱量跟內(nèi)能改變量的定量關(guān)系。2應(yīng)用熱力學(xué)第一定律進(jìn)行計(jì)算時(shí),要遵循各物理量的符號(hào)規(guī)定,Q>0,表示物體吸收熱量,W>0表示外界對(duì)物體做功,U>0,表示內(nèi)能增加,當(dāng)它們?yōu)樨?fù)值時(shí),都分別表示各自的相反過程。3在解決理想氣體的等壓膨脹過程問題時(shí),熱力學(xué)第一定律中各物理量符號(hào)為,W<0,U>0,Q>0,等壓壓縮時(shí)符號(hào)相反,在等容過程中,W0,UQ,在等溫過程中,U0,WQ。4將打氣筒的出氣口堵住,用力將活塞下壓,若對(duì)氣體做功10 J,氣體通過筒壁向外放熱1卡,則氣體的內(nèi)能改變了5.82 J(1卡4.18焦)。熱力學(xué)第一定律1.熱力學(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)第一定律的內(nèi)容及公式(1)內(nèi)容:如果物體跟外界同時(shí)發(fā)生做功和熱傳遞過程,那么,物體內(nèi)能的增加U就等于物體吸收的熱量Q和外界對(duì)物體做的功W之和。(2)公式:UWQ3對(duì)熱力學(xué)第一定律的理解(1)熱力學(xué)第一定律不僅反映了做功和熱傳遞這兩種改變內(nèi)能的過程是等效的,而且給出了內(nèi)能的變化量和做功與熱傳遞之間的定量關(guān)系,此定律是標(biāo)量式,應(yīng)用時(shí)熱量的單位應(yīng)統(tǒng)一為國際單位制中的焦耳。(2)對(duì)公式UQW符號(hào)的規(guī)定:符號(hào)WQU外界對(duì)物體做功物體吸收熱量內(nèi)能增加物體對(duì)外界做功物體放出熱量內(nèi)能減少(1)在絕熱過程中,Q0,WU,外界對(duì)物體做的功等于物體內(nèi)能的增加。(2)在應(yīng)用熱力學(xué)第一定律的過程中,應(yīng)特別分清W、Q的正、負(fù),以便更準(zhǔn)確地判斷U 的正、負(fù),U的正、負(fù)代表了變化過程中內(nèi)能是增加的還是減少的。1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:選C由熱力學(xué)第一定律UWQ可知,若物體放出熱量,外界對(duì)物體做正功,則U不一定為負(fù)值,即內(nèi)能不一定減小,故A項(xiàng)錯(cuò)誤;同理可分析出,B項(xiàng)和D項(xiàng)錯(cuò)誤,C項(xiàng)正確。熱力學(xué)第一定律應(yīng)用舉例1.理想氣體的等壓過程如圖所示是一定質(zhì)量氣體的等壓線,若氣體從狀態(tài)A變化到狀態(tài)B,該過程是等壓膨脹過程,V2>V1,T2>T1,體積增大,氣體對(duì)外做功,W<0,但理想氣體的內(nèi)能僅取決于溫度,溫度升高,內(nèi)能增大,U>0,則由熱力學(xué)第一定律有QUW>0,氣體吸收熱量,吸收的熱量一部分用來增加氣體的內(nèi)能,一部分轉(zhuǎn)化為對(duì)外所做的功。若氣體從狀態(tài)B變化到狀態(tài)A,該過程為等壓壓縮,應(yīng)有W>0,U<0,QUW<0,這說明氣體放出的熱量等于外界對(duì)氣體所做的功與氣體內(nèi)能減小量的和。2理想氣體的等容過程等容過程中,體積V不變,W0,則由熱力學(xué)第一定律有UQ,若溫度升高時(shí),氣體吸收的熱量全部用來增加氣體的內(nèi)能,反之,氣體放出的熱量等于氣體內(nèi)能的減少。3理想氣體的等溫過程等溫過程中內(nèi)能不變,即U0,由熱力學(xué)第一定律有WQ,若氣體等溫壓縮,則W>0,Q<0,氣體放出熱量,外界對(duì)氣體所做的功全部轉(zhuǎn)換為放出的熱量,若氣體等溫膨脹,W<0,Q>0,氣體吸收熱量,吸收的熱量全部用來對(duì)外做功。(1)做功情況往往和物體的體積變化相聯(lián)系,一般情況下,體積增大時(shí),對(duì)外做功,W<0,體積減小時(shí),外界對(duì)物體做功,W>0。(2)氣體的狀態(tài)變化時(shí),往往要用到氣體的實(shí)驗(yàn)定律幫助分析體積和溫度的變化情況,從而得到做功情況和內(nèi)能的變化情況。2多選(2017全國卷)如圖,用隔板將一絕熱汽缸分成兩部分,隔板左側(cè)充有理想氣體,隔板右側(cè)與絕熱活塞之間是真空?,F(xiàn)將隔板抽開,氣體會(huì)自發(fā)擴(kuò)散至整個(gè)汽缸。待氣體達(dá)到穩(wěn)定后,緩慢推壓活塞,將氣體壓回到原來的體積。假設(shè)整個(gè)系統(tǒng)不漏氣。下列說法正確的是()A氣體自發(fā)擴(kuò)散前后內(nèi)能相同B氣體在被壓縮的過程中內(nèi)能增大C在自發(fā)擴(kuò)散過程中,氣體對(duì)外界做功D氣體在被壓縮的過程中,外界對(duì)氣體做功E氣體在被壓縮的過程中,氣體分子的平均動(dòng)能不變解析:選ABD抽開隔板,氣體自發(fā)擴(kuò)散過程中,氣體對(duì)外界不做功,與外界沒有熱交換,因此氣體的內(nèi)能不變,A項(xiàng)正確,C項(xiàng)錯(cuò)誤;氣體在被壓縮的過程中,外界對(duì)氣體做功,D項(xiàng)正確;由于氣體與外界沒有熱交換,根據(jù)熱力學(xué)第一定律可知,氣體在被壓縮的過程中內(nèi)能增大,因此氣體的溫度升高,氣體分子的平均動(dòng)能增大,B項(xiàng)正確,E項(xiàng)錯(cuò)誤。對(duì)熱力學(xué)第一定律的理解例1一個(gè)帶活塞的汽缸內(nèi)盛有一定量的氣體,若此氣體的溫度隨其內(nèi)能的增大而升高,則()A將熱量傳給氣體,其溫度必升高B壓縮氣體,其溫度升高C壓縮氣體,同時(shí)氣體向外界放熱,其溫度必不變D壓縮氣體,同時(shí)將熱量傳給氣體,其溫度必升高解析做功和熱傳遞是改變物體內(nèi)能的兩種方式,據(jù)熱力學(xué)第一定律UQW可知,單一的對(duì)氣體做功或氣體吸收熱量,其內(nèi)能不一定增加,但當(dāng)氣體既被壓縮又同時(shí)吸熱時(shí),內(nèi)能一定增加,溫度一定升高。故選項(xiàng)D正確。答案D借題發(fā)揮做功和熱傳遞在改變物體內(nèi)能上是等效的,且它們可以同時(shí)進(jìn)行,它們都可以使系統(tǒng)內(nèi)能增加或減少,即溫度升高或降低,也可以是一種方式使系統(tǒng)內(nèi)能增加,另一種方式使系統(tǒng)內(nèi)能減少,總之要看這兩種方式的共同作用結(jié)果。熱力學(xué)第一定律的應(yīng)用例2多選(2017全國卷)如圖,一定質(zhì)量的理想氣體從狀態(tài)a出發(fā),經(jīng)過等容過程ab到達(dá)狀態(tài)b,再經(jīng)過等溫過程bc到達(dá)狀態(tài)c,最后經(jīng)等壓過程ca回到初態(tài)a。下列說法正確的是()A在過程ab中氣體的內(nèi)能增加B在過程ca中外界對(duì)氣體做功C在過程ab中氣體對(duì)外界做功D在過程bc中氣體從外界吸收熱量E在過程ca中氣體從外界吸收熱量解析ab過程中氣體壓強(qiáng)增大,體積不變,則溫度升高,內(nèi)能增加,A項(xiàng)正確;ab過程發(fā)生等容變化,氣體對(duì)外界不做功,C項(xiàng)錯(cuò)誤;一定質(zhì)量的理想氣體內(nèi)能僅由溫度決定,bc過程發(fā)生等溫變化,內(nèi)能不變,bc過程中氣體體積增大,氣體對(duì)外界做正功,根據(jù)熱力學(xué)第一定律可知?dú)怏w從外界吸收熱量,D項(xiàng)正確;ca過程發(fā)生等壓變化,氣體體積減小,外界對(duì)氣體做功,B項(xiàng)正確;ca過程中氣體溫度降低,內(nèi)能減小,外界對(duì)氣體做功,根據(jù)熱力學(xué)第一定律可知?dú)怏w向外界放熱,E項(xiàng)錯(cuò)誤。答案ABD借題發(fā)揮熱力學(xué)第一定律的考查一般與氣體的實(shí)驗(yàn)定律相結(jié)合,在進(jìn)行計(jì)算時(shí),除特別注意各物理量的正、負(fù)外,還要注意等壓過程中壓力做的功的求法,因等壓過程中,氣體壓力恒定,壓力所做功相當(dāng)于恒力做功,即WpSLpV。1關(guān)于物體的內(nèi)能及其變化,以下說法正確的是()A物體的溫度改變時(shí),其內(nèi)能必定改變B物體對(duì)外做功,其內(nèi)能不一定改變,向物體傳遞熱量,其內(nèi)能也不一定改變C物體對(duì)外做功,其內(nèi)能必定改變,物體向外傳出一定熱量,其內(nèi)能必定改變D若物體與外界不發(fā)生熱交換,則物體的內(nèi)能必定不改變解析:選B溫度變化物體的分子動(dòng)能變化,但內(nèi)能可能不變,A錯(cuò);改變內(nèi)能有兩種方式:做功和熱傳遞,由熱力學(xué)第一定律可知B正確,C、D錯(cuò)。2多選(2016全國卷)關(guān)于氣體的內(nèi)能,下列說法正確的是()A質(zhì)量和溫度都相同的氣體,內(nèi)能一定相同B氣體溫度不變,整體運(yùn)動(dòng)速度越大,其內(nèi)能越大C氣體被壓縮時(shí),內(nèi)能可能不變D一定量的某種理想氣體的內(nèi)能只與溫度有關(guān)E一定量的某種理想氣體在等壓膨脹過程中,內(nèi)能一定增加解析:選CDE氣體的內(nèi)能由物質(zhì)的量、溫度和體積決定,質(zhì)量和溫度都相同的氣體,內(nèi)能可能不同,A錯(cuò)誤。內(nèi)能與物體的運(yùn)動(dòng)速度無關(guān),B錯(cuò)誤。氣體被壓縮時(shí),同時(shí)對(duì)外傳熱,根據(jù)熱力學(xué)第一定律知內(nèi)能可能不變,C正確。一定量的某種理想氣體的內(nèi)能只與溫度有關(guān),D正確。根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程,一定量的某種理想氣體在壓強(qiáng)不變的情況下,體積變大,則溫度一定升高,內(nèi)能一定增加,E正確。3.多選如圖,一絕熱容器被隔板K隔成a、b兩部分。已知a內(nèi)有一定量的稀薄氣體,b內(nèi)為真空,抽開隔板K后a內(nèi)氣體進(jìn)入b,最終達(dá)到平衡狀態(tài)。在此過程中()A氣體對(duì)外界做功,內(nèi)能減少B氣體不做功,內(nèi)能不變C氣體壓強(qiáng)變小,溫度降低D氣體壓強(qiáng)變小,溫度不變解析:選BD絕熱容器的稀薄氣體與外界沒有熱傳遞,Q0,稀薄氣體向真空擴(kuò)散沒有做功,W0。根據(jù)熱力學(xué)第一定律稀薄氣體的內(nèi)能不變,則溫度不變,A、C錯(cuò)誤,B正確。稀薄氣體擴(kuò)散體積增大,壓強(qiáng)必然減小,D正確。4.如圖是密閉的氣缸,外力推動(dòng)活塞P壓縮氣體,對(duì)缸內(nèi)氣體做功800 J,同時(shí)氣體向外界放熱200 J,缸內(nèi)氣體的()A溫度升高,內(nèi)能增加600 JB溫度升高,內(nèi)能減少200 JC溫度降低,內(nèi)能增加600 JD溫度降低,內(nèi)能減少200 J解析:選A由熱力學(xué)第一定律,UQW200 J800 J600 J,內(nèi)能增加600 J,則溫度一定升高,A正確。5.如圖所示,某同學(xué)將空的薄金屬筒開口向下壓入水中。設(shè)水溫均勻且恒定,筒內(nèi)空氣無泄漏,不計(jì)氣體分子間的相互作用,則被淹沒的金屬筒在緩慢下降的過程中,筒內(nèi)空氣的體積減小并且()A從外界吸熱 B內(nèi)能增大C向外界放熱 D內(nèi)能減小解析:選C筒緩慢下降過程是等溫過程,氣體體積減小,外界對(duì)氣體做正功,W為正,又因?yàn)椴挥?jì)氣體分子間的相互作用,氣體內(nèi)能僅由溫度決定,溫度不變,U0,由熱力學(xué)第一定律WQU,知QUW,因此,Q為負(fù)值,即向外界放熱。故C正確。6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)分子勢能)()A內(nèi)能增大,放出熱量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)能減小,外界對(duì)其做功解析:選D不計(jì)分子勢能時(shí)瓶內(nèi)空氣的內(nèi)能只與其溫度有關(guān),溫度降低時(shí)其內(nèi)能減小。塑料瓶變扁時(shí)瓶內(nèi)空氣體積減小,外界對(duì)其做功。再由熱力學(xué)第一定律知此過程中瓶內(nèi)空氣要放出熱量,故只有D正確。7給旱區(qū)送水的消防車停于水平面,在緩緩放水的過程中,若車胎不漏氣,胎內(nèi)氣體溫度不變,不計(jì)分子勢能,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)能減少 D內(nèi)能增加解析:選A胎內(nèi)氣體經(jīng)歷了一個(gè)溫度不變,壓強(qiáng)減小,體積增大的過程。不計(jì)分子勢能,溫度不變,分子平均動(dòng)能和內(nèi)能不變。體積增大氣體對(duì)外界做正功。根據(jù)熱力學(xué)第一定律知?dú)怏w一定從外界吸熱,A正確。8多選如圖,水平放置的密封氣缸內(nèi)的氣體被一豎直隔板分隔為左右兩部分,隔板可在氣缸內(nèi)無摩擦滑動(dòng),右側(cè)氣體內(nèi)有一電熱絲。氣缸壁和隔板均絕熱。初始時(shí)隔板靜止,左右兩邊氣體溫度相等。現(xiàn)給電熱絲提供一微弱電流,通電一段時(shí)間后切斷電源。當(dāng)缸內(nèi)氣體再次達(dá)到平衡時(shí),與初始狀態(tài)相比()A右邊氣體溫度升高,左邊氣體溫度不變B左右兩邊氣體溫度都升高C左邊氣體壓強(qiáng)增大D右邊氣體內(nèi)能的增加量等于電熱絲放出的熱量解析:選BC當(dāng)電熱絲通電后,右邊的氣體溫度升高氣體膨脹,將隔板向左推,對(duì)左邊的氣體做功,根據(jù)熱力學(xué)第一定律,內(nèi)能增加,氣體的溫度升高。根據(jù)氣體定律左邊的氣體壓強(qiáng)增大,A錯(cuò)誤,B、C正確;右邊氣體內(nèi)能的增加值為電熱絲發(fā)出的熱量減去對(duì)左邊的氣體所做的功,D錯(cuò)。9多選(2017江蘇高考)一定質(zhì)量的理想氣體從狀態(tài)A經(jīng)過狀態(tài)B變化到狀態(tài)C,其VT圖像如圖所示。下列說法正確的有()AAB的過程中,氣體對(duì)外界做功BAB的過程中,氣體放出熱量CBC的過程中,氣體壓強(qiáng)不變DABC的過程中,氣體內(nèi)能增加解析:選BC由題圖可知,從A到B氣體的體積減小,外界對(duì)氣體做功,A項(xiàng)錯(cuò)誤;從A到B過程氣體的溫度不變,內(nèi)能不變,根據(jù)熱力學(xué)第一定律可知,氣體放出熱量,B項(xiàng)正確;從B到C過程中是一個(gè)常數(shù),氣體發(fā)生的是等壓變化,氣體的溫度降低,內(nèi)能減少,C項(xiàng)正確,D項(xiàng)錯(cuò)誤。10.多選如圖所示,密閉氣缸左側(cè)導(dǎo)熱,其余部分絕熱性能良好,絕熱輕活塞K把氣缸分隔成體積相等的兩部分,K與氣缸壁的接觸是光滑的,兩部分中分別充有相同質(zhì)量、相同溫度的同種氣體a和b,氣體分子之間相互作用勢能可忽略,當(dāng)外界環(huán)境溫度緩慢降低到某一值后,a、b各自達(dá)到新的平衡()Aa的體積減小了,壓強(qiáng)降低了Bb的溫度降低了C散失熱量后a的分子熱運(yùn)動(dòng)比b的分子熱運(yùn)動(dòng)激烈Da減少的內(nèi)能小于b減少的內(nèi)能解析:選AB由于左側(cè)導(dǎo)熱,導(dǎo)致a部分內(nèi)能減小,對(duì)擋板K的分子作用力變小,擋板向左運(yùn)動(dòng),a的體積減小了;同時(shí),b部分氣體膨脹,壓強(qiáng)變小,此時(shí)a、b兩部分壓強(qiáng)相同,A正確。b部分氣體膨脹,對(duì)外做功,內(nèi)能減小,溫度降低,B正確。擋板受力平衡,a體積小,單位時(shí)間內(nèi)碰撞擋板的分子數(shù)多,a部分單個(gè)分子的平均動(dòng)能小于b部分的,就是說散失熱量后a的分子熱運(yùn)動(dòng)沒有b的分子熱運(yùn)動(dòng)激烈,C錯(cuò)。同理,溫度是氣體分子平均動(dòng)能的標(biāo)志,a的內(nèi)能小于b的內(nèi)能,D錯(cuò)。11若對(duì)物體做1 200 J的功,可使物體溫度升高3 ,改用熱傳遞的方式,使物體溫度同樣升高3 ,那么物體應(yīng)吸收多少熱量?如果對(duì)該物體做3 000 J的功,物體的溫度升高5 ,表明該過程中,物體應(yīng)吸收或放出多少熱量?解析:做功和熱傳遞在改變物體內(nèi)能上是等效的,因此物體用做功方式溫度升高3 ,如用吸熱方式,也使溫度升高3應(yīng)吸收1 200 J的熱量。由題意知:1 200 Jcm3,物體溫度升高5時(shí)增加的內(nèi)能Ucm55 J2 000 J,由熱力學(xué)第一定律有:QUW(2 0003 000) J1 000 J,因此,物體放出1 000 J的熱量。答案:1 200 J放出1 000 J的熱量12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,迅速打開容器蓋后,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。解得:T21 200 K,t2927。(2)由熱力學(xué)第一定律UQW,得U(20)(15) kJ35 kJ,故內(nèi)能減少35 kJ。答案:(1)927(2)內(nèi)能減少35 kJ