熱力學(xué)第一定律

by甘騰勝@20230515新粵教版(2019)高中物理選擇性必修第三冊第三章3.1熱力學(xué)第一定律溫故知新分子動理論的基本觀點：1、物質(zhì)由大量分子構(gòu)成2、分子在永不停息地做無規(guī)則運動3、分子間既有引力也有斥力物體內(nèi)部的分子由于作熱運動，所以具有分子動能。布朗運動微觀示意圖那么，在物體內(nèi)部的分子也具有勢能嗎？彈弓發(fā)生彈性形變，有彈力的作用，具有彈性勢能工人在高空作業(yè)有重力的作用，具有重力勢能點電荷相互之間有電場力的作用，具有電勢能。各種勢能分子勢能分子之間存在作用力，當(dāng)分子間距大于r0時，分子力表現(xiàn)為引力。當(dāng)分子間距小于r0時，分子力表現(xiàn)為斥力。當(dāng)分子間距改變，分子力做功，會引起能量的變化。分子間具有由他們相對位置決定的勢能，稱為分子勢能。分子勢能若取無窮遠(yuǎn)處分子勢能為0。

當(dāng)分子間距從無限遠(yuǎn)到平衡位置r0時，分子力表現(xiàn)為引力。分子間距減少，分子力做正功，分子勢能減少。當(dāng)分子間距為平衡位置r0時，分子間作用力為零，分子勢能最小。當(dāng)分子間距小于r0時，分子間作用力表現(xiàn)為斥力。當(dāng)分子間距減少，分子力做負(fù)功，分子勢能增大。綜上可得兩分子間勢能與分子間距的關(guān)系圖像。物體的內(nèi)能我們把物體的機械運動的動能和勢能總和稱為機械能。類似的，物體中所有分子的動能和分子勢能的總和，叫做物體的內(nèi)能。內(nèi)能溫度溫度上升，分子動能增加體積體積變化，分子間距變化，分子勢能變化那么，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。在太陽光的照射下，太陽能熱水器中的水溫度升高，內(nèi)能增大。這些例子，都是通過熱傳遞來改變物體內(nèi)能。改變物體內(nèi)能的兩種方式熱傳遞熱傳遞可以改變物體內(nèi)能，熱傳遞過程中物體內(nèi)能變化的量稱為熱量。習(xí)慣上我們所說的“物體吸熱（或放熱）多少”，實際上是指熱傳遞使物體的內(nèi)能增加（或減少）多少。柴火燒水，水吸熱后內(nèi)能增加沸騰。燒開后熄滅柴火，開水對外放熱，內(nèi)能減少，溫度下降，一段時間后會與外界溫度一致。改變物體內(nèi)能的兩種方式做功對物體做功，可以改變物體內(nèi)能。我們可以通過實驗來研究做功如何改變物體內(nèi)能。一定質(zhì)量的氣體分子動能分子勢能物體內(nèi)能分子數(shù)目控制變量實驗探究如何知道物體的內(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，氣體分子勢能為零。所以氣體內(nèi)能僅與溫度有關(guān)。實驗中，測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。實驗探究迅速壓縮氣體的目的是：使過程中筒內(nèi)氣體與外界幾乎沒有熱傳遞發(fā)生（絕熱過程）。結(jié)論：在絕熱過程中，外界對物體做功，物體內(nèi)能增大。物體對外界做功，內(nèi)能減少。思考：實驗中壓縮過程，誰對誰做功？氣體內(nèi)能怎樣變化？壓縮過程，外界對氣體做功，氣體內(nèi)能增大（溫度升高）。改變物體內(nèi)能的兩種方式綜上所述，物體內(nèi)能的改變，可以通過熱傳遞和做功兩種方式實現(xiàn)。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？在實際中，我們可以用加熱（熱傳遞）的方法使一根鐵棒升溫，同時也可以用摩擦生熱（做功）的方法使鐵棒上升相同的溫度。所以，對于改變物體內(nèi)能來說，兩者是等價的。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。熱力學(xué)第一定律符號法則符號WQΔU+-內(nèi)能增加內(nèi)能減少物體吸收熱量物體放出熱量外界對物體做功物體對外界做功ΔU＝W＋Q理想氣體四個特殊過程一、等溫過程（溫度不變）二、等容過程（體積不變）三、等壓過程（壓強不變）四、絕熱過程（與外界無熱量交換）思考與討論：根據(jù)熱力學(xué)第一定律和氣體實驗定律，討論這四個過程中內(nèi)能與熱量、功的關(guān)系，還有壓強與體積的關(guān)系并畫出壓強與體積的圖像。ΔU＝W＋QPV/T=C例一定質(zhì)量的理想氣體從狀態(tài)A經(jīng)等壓過程到狀態(tài)B，如圖所示。在這個過程中，氣體壓強p=1×105Pa，吸收的熱量Q=7.0×102J，求此過程中氣體內(nèi)能的增量。理想氣體從狀態(tài)A經(jīng)等壓過程到狀態(tài)B，由蓋呂薩克定律可得解得：在該過程中，外界對氣體做功為：根據(jù)熱力學(xué)第一定律：解得：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)第一定律分子勢能分子動能ΔU=Q+WW>0,外界對物體做功W<0,物體對外界做功Q>0,物體吸熱Q<0,物體放熱小結(jié)熱力學(xué)第一定律【練1】(單)下列說法中正確的是A．物體吸收熱量，其內(nèi)能必增加B．外界對物體做功，物體內(nèi)能必增加C．物體吸收熱量，同時對外做功，其內(nèi)能可能減少D．物體溫度不變，其內(nèi)能也一定不變C【練2】(單)如圖為某種椅子與其升降部分的結(jié)構(gòu)示意圖，M、N兩筒間密閉了一定質(zhì)量的氣體，M可沿N的內(nèi)壁上下滑動，設(shè)筒內(nèi)氣體不與外界發(fā)生熱交換，在M向下滑動的過程中A．外界對氣體做功，氣體內(nèi)能增大B．外界對氣體做功，氣體內(nèi)能減小C．氣體對外界做功，氣體內(nèi)能增大D．氣體對外界做功，氣體內(nèi)能減小A熱力學(xué)第一定律【練3】(單)一定量的理想氣體在某一過程中，從外界吸收熱量2.5×104J，氣體對外界做功1.0×104J，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D熱力學(xué)第一定律【練4】(多)如圖，一絕熱容器被隔板K隔開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．氣體壓強變小，溫度降低D．氣體壓強變小，溫度不變BD熱力學(xué)第一