3.2 熱力學(xué)第一定律（教案） 高二物理人教版（2019）選擇性必修第三冊(cè)

第三章熱力學(xué)定律第2節(jié)熱力學(xué)第一定律教學(xué)設(shè)計(jì)問(wèn)題與目標(biāo)1.通過(guò)對(duì)物體內(nèi)能改變方式的定量分析，從能量轉(zhuǎn)化的觀點(diǎn)理解熱力學(xué)第一定律的形式和內(nèi)涵。

2.通過(guò)對(duì)四沖程內(nèi)燃機(jī)工作過(guò)程的分析，學(xué)會(huì)用ΔU=W+Q分析和解決相關(guān)問(wèn)題。重點(diǎn)與難點(diǎn)重點(diǎn)

熱力學(xué)第一定律ΔU=W+Q的理解。

難點(diǎn)

ΔU=W+Q中三個(gè)物理量正負(fù)號(hào)的理解。教學(xué)準(zhǔn)備教師要求多媒體課件、柴油機(jī)模型、電動(dòng)機(jī)、燈泡、打氣筒等。學(xué)生要求回顧功、熱量和內(nèi)能改變的關(guān)系。教學(xué)過(guò)程一、導(dǎo)入新課我們已經(jīng)學(xué)習(xí)了改變物體內(nèi)能的兩種方式，也知道了內(nèi)能改變的過(guò)程就是內(nèi)能和其他形式能的轉(zhuǎn)化或內(nèi)能的轉(zhuǎn)移過(guò)程，那么在能的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移中，符合什么規(guī)律呢?

本節(jié)課我們就來(lái)學(xué)習(xí)這個(gè)問(wèn)題。二、新課教學(xué)1.熱力學(xué)第一定律(1)一個(gè)物體，它既沒(méi)有吸收熱量，也沒(méi)有放出熱量，那么：①如果外界對(duì)物體做的功為W，則它的內(nèi)能如何變化?變化了多少?②如果物體對(duì)外界做的功為W，則它的內(nèi)能如何變化？變化了多少？

(2)如果外界既沒(méi)有對(duì)物體做功，物體也沒(méi)有對(duì)外界做功，那么：

①如果物體從外界吸收熱量Q，它的內(nèi)能如何變化?變化了多少?

②如果物體對(duì)外界放出熱量Q，它的內(nèi)能如何變化?變化了多少?

學(xué)生交流討論，解答思考題。師生共同總結(jié)：一個(gè)物體，如果它既沒(méi)有吸收熱量，也沒(méi)有放出熱量，那么，外界對(duì)它做多少功，它的內(nèi)能就增加多少；物體對(duì)外界做多少功，它的內(nèi)能就減少多少。

如果外界既沒(méi)有對(duì)物體做功，物體也沒(méi)有對(duì)外界做功，那么，物體吸收了多少熱量，它的內(nèi)能就增加多少，物體放出了多少熱量，它的內(nèi)能就減少多少。

(3)如果物體在與外界同時(shí)發(fā)生做功和熱傳遞的過(guò)程中，內(nèi)能的變化與熱量Q及做的功W之間又有什么關(guān)系呢？

總結(jié)：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(guò)程，那么，外界對(duì)物體做的功W加上物體從外界吸收的熱量Q等于物體內(nèi)能的增加，即ΔU=W+Q。上述公式表示功、熱量跟內(nèi)能改變之間的關(guān)系，也就是說(shuō)，一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)能變化量等于外界向它傳遞的熱量與外界對(duì)它所做的功的和。這個(gè)關(guān)系叫作熱力學(xué)第一定律。

2.如何理解熱力學(xué)第一定律

問(wèn)題1：改變內(nèi)能的兩種方式是什么?

做功與熱傳遞。兩者在改變系統(tǒng)內(nèi)能方面是等效的。

問(wèn)題2：如圖所示，快速推動(dòng)活塞對(duì)汽缸內(nèi)氣體做功10J，氣體內(nèi)能改變了多少?若保持氣體體積不變，外界對(duì)汽缸傳遞10J的熱量，氣體內(nèi)能改變了多少?無(wú)論是推動(dòng)活塞對(duì)汽缸內(nèi)氣體做功10J還是外界對(duì)汽缸傳遞10J的熱量，氣體的內(nèi)能都增加了10J。

問(wèn)題3：一根金屬絲經(jīng)過(guò)某一物理過(guò)程，溫度升高了。

除非事先知道，否則根本無(wú)法判斷是通過(guò)做功的方法還是通過(guò)熱傳遞的方法使它的內(nèi)能增加的。因?yàn)閱渭兊貙?duì)系統(tǒng)做功和單純地對(duì)系統(tǒng)傳熱都能改變系統(tǒng)的內(nèi)能。既然它們?cè)诟淖兿到y(tǒng)內(nèi)能方面是等價(jià)的，那么，當(dāng)外界對(duì)系統(tǒng)做功為W，又對(duì)系統(tǒng)傳熱為Q時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)能的增量ΔU應(yīng)該是多少?

系統(tǒng)內(nèi)能的增量為ΔU=W+Q。

問(wèn)題4：怎樣理解公式ΔU=W+Q?

熱力學(xué)第一定律不僅適用于外界對(duì)物體做功和吸收

熱量的內(nèi)能增加的情況，也適用于物體對(duì)外做功并向外界散熱的內(nèi)能減少的情況。教師引導(dǎo)學(xué)生從熱力學(xué)第一定律的內(nèi)容來(lái)分析上述三個(gè)物理量的符號(hào)的規(guī)定。具體如下：

如果系統(tǒng)的內(nèi)能是減少的，則ΔU的符號(hào)為“-”，相反則為“+”；同理，系統(tǒng)放出熱量，Q的符號(hào)取“-”，吸收熱量則取“+”；氣體對(duì)外界做功，W的符號(hào)取“-”，外界對(duì)系統(tǒng)做的功則取“+”?？偠灾?，與定律內(nèi)容相反的取“-”號(hào)，否則取“+”號(hào)。詳見(jiàn)下表：WQΔU符號(hào)外界對(duì)物體做功物體吸收熱量?jī)?nèi)能增加+物體對(duì)外界做功物體放出熱量?jī)?nèi)能減少-3.氣體狀態(tài)變化與物理量對(duì)應(yīng)的方法

(1)絕熱過(guò)程：過(guò)程是絕熱的，即Q=0，則W=ΔU，外界對(duì)系統(tǒng)做的功等于系統(tǒng)內(nèi)能的增加。

(2)等容過(guò)程：無(wú)做功過(guò)程，即W=0，則Q=ΔU，系統(tǒng)吸收的熱量等于系統(tǒng)內(nèi)能的增加。

(3)等溫過(guò)程：在過(guò)程的始、末狀態(tài)，系統(tǒng)的內(nèi)能不變，即ΔU=0，則W+Q=0或W=-Q，表示吸收的熱量全部用來(lái)做功或外界對(duì)氣體所做的功全部轉(zhuǎn)換為熱量放出。

4.應(yīng)用熱力學(xué)第一定律解題的一般步驟

(1)首先選定研究對(duì)象是哪個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)。

(2)根據(jù)符號(hào)法則寫(xiě)出各已知量W、Q、ΔU的正負(fù)。

(3)根據(jù)方程ΔU=Q+W求出未知量。

(4)根據(jù)未知量結(jié)果的正負(fù)來(lái)確定吸熱、放熱情況或做功情況。

5.典例講解【例題】

如圖(3.2-1)所示，一臺(tái)四沖程內(nèi)燃機(jī)，活塞在壓縮沖程某段時(shí)間內(nèi)移動(dòng)的距離為0.1m，這段過(guò)程活塞對(duì)氣體的壓力逐漸增大，其做的功相當(dāng)于2×103N的恒力使活塞移動(dòng)相同距離所做的功[如圖(3.2-2)甲所示]。內(nèi)燃機(jī)工作時(shí)汽缸溫度高于環(huán)境溫度，該過(guò)程中壓縮氣體傳遞給汽缸的熱量為25J。(1)求上述壓縮過(guò)程中氣體內(nèi)能的變化量。

(2)燃燒后的高壓氣體對(duì)活塞做功，氣體推動(dòng)活塞移動(dòng)0.1m，其做的功相當(dāng)于9×103N的恒力使活塞移動(dòng)相同距離所做的功[如圖(b)所示]，該做功過(guò)程氣體傳遞給汽缸的熱量為30J，求此做功過(guò)程氣體內(nèi)能的變化量。

分析根據(jù)熱力第一定律，在第(1)問(wèn)中，活塞壓縮氣體的過(guò)程是外界對(duì)系統(tǒng)做功，活塞對(duì)氣體所做的功W1為正值；在第(2)問(wèn)中，氣體膨脹推動(dòng)活塞的過(guò)程是系統(tǒng)對(duì)外界做功，氣體對(duì)外界所做的功W2為負(fù)值。在兩種情況下，氣體都把熱量傳遞給了汽缸，都屬于放熱，因此Q1、Q2均為負(fù)值。

解(1)壓縮過(guò)程活塞對(duì)氣體做的功W1=F1l1=2×103×0.1J=200J，

氣體內(nèi)能的變化量ΔU1=W1+Q1=(200-25)J=175J。

(2)氣體膨脹過(guò)程中氣體對(duì)外界所做的功W2=F2l2=-9×103×0.1J=-900J，

氣體內(nèi)能的變化量ΔU2=W2+Q2=(-900-30)J=-930J。

汽缸內(nèi)氣體在壓縮過(guò)程中內(nèi)能增加了175J，在膨脹做功過(guò)程中氣體內(nèi)能減少了930J。三、課堂小結(jié)本節(jié)課我們主要學(xué)習(xí)了：

熱力學(xué)第一定律：熱力學(xué)第一定律是研究功、熱量和內(nèi)能改變之間關(guān)系的定律。

一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)能變化量等于外界向它傳遞的熱量與外界對(duì)它所做的功的和。這個(gè)關(guān)系叫作熱力學(xué)第一定律。即ΔU=W+Q。

該定律既適用于外界對(duì)物體做功，物體吸熱，內(nèi)能增加的情況，也適用于物體對(duì)外做功，向外界散熱，內(nèi)能減少的情況。為了區(qū)別以上兩種情況，在應(yīng)用ΔU=W+Q進(jìn)行計(jì)算時(shí)、它們的正負(fù)號(hào)規(guī)定如下：

W>0，表示外界對(duì)系統(tǒng)做功，W<0，表示系統(tǒng)對(duì)外界做功；Q>0，表示系統(tǒng)從外界吸熱，Q<0，表示系統(tǒng)向外界放熱；ΔU>0，表示系統(tǒng)內(nèi)能增加，ΔU<0，表示系統(tǒng)內(nèi)能減少。四、作業(yè)設(shè)計(jì)完成課本第53頁(yè)練習(xí)題課堂練習(xí)1.下列說(shuō)法正確的是()A．物體放出熱量，其內(nèi)能一定減少B．外界對(duì)物體做功，其內(nèi)能一定增加C．物體吸收熱量同時(shí)對(duì)外做功，其內(nèi)能一定減少D．物體吸收熱量且外界對(duì)物體做功，其內(nèi)能一定增加2.密閉有空氣的薄塑料瓶因降溫而變扁，此過(guò)程中瓶?jī)?nèi)空氣（不計(jì)分子勢(shì)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3.出租車(chē)常以天然氣作為燃料，加氣站儲(chǔ)氣罐中天然氣的溫度隨氣溫升高的過(guò)程中，若儲(chǔ)氣罐內(nèi)氣體體積及質(zhì)量均不變，則罐內(nèi)氣體（可視為理想氣體）()A.壓強(qiáng)增大，內(nèi)能減小 B.吸收熱量，內(nèi)能增大C.壓強(qiáng)減小，分子平均動(dòng)能增大 D.對(duì)外做功，分子平均動(dòng)能減小4.在熱力學(xué)第一定律的表達(dá)式中關(guān)于各個(gè)物理量的正、負(fù),下列說(shuō)法中正確的是(

)A.外界對(duì)物體做功時(shí)W為正,吸熱時(shí)Q為負(fù),內(nèi)能增加時(shí)為正

B.物體對(duì)外界做功時(shí)W為負(fù),吸熱時(shí)Q為正,內(nèi)能增加時(shí)為負(fù)

C.物體對(duì)外界做功時(shí)W為負(fù),吸熱時(shí)Q為正,內(nèi)能增加時(shí)為正

D.外界對(duì)物體做功時(shí)W為負(fù),吸熱時(shí)Q為負(fù),內(nèi)能增加時(shí)為負(fù)答案以及解析1.答案：D解析：A.根據(jù)熱力學(xué)第一定律知，內(nèi)能的增量由和共同決定，物體放出熱量，但做功不確定，所以其內(nèi)能不一定減少，故A錯(cuò)誤。B.同理，熱量傳遞不確定，其內(nèi)能也不一定增加，故B錯(cuò)誤。C.物體吸收熱量，有，物體作為做功，有，但符合并不確定，根據(jù)熱力學(xué)第一定律知，也不確定，所以其內(nèi)能不一定減少，故C錯(cuò)誤。D.物體吸收熱量且外界對(duì)物體做功，有，，根據(jù)熱力學(xué)第一定律知，，即其內(nèi)能一定增加，故D正確。故選：D。2.答案：D解析：不計(jì)分子勢(shì)能時(shí)，氣體的內(nèi)能由溫度決定，當(dāng)溫度降低時(shí)，內(nèi)能減小。塑料瓶變扁，內(nèi)部氣體體積減小，外界對(duì)它做了功，根據(jù)熱力學(xué)第一定律，它會(huì)放出熱量，故D正確。3.答案：B解析：因儲(chǔ)氣罐內(nèi)氣體體積不變，故氣體對(duì)外界不做功。罐內(nèi)氣體從外界吸收熱量，氣體體積及質(zhì)量均不變，溫度升高，分子平均動(dòng)能增大，內(nèi)能增大，壓強(qiáng)變大。只有B正確。4.答案：C解析：外界對(duì)物體做功時(shí)W為正,反之為負(fù);吸熱時(shí)Q為正,反之為負(fù);內(nèi)能增加時(shí)為正,反之為負(fù)。故C正確。板書(shū)設(shè)計(jì)第2節(jié)熱力學(xué)第一定律1.做功W、熱傳遞Q、內(nèi)能變化量ΔU的物理意義

(1)做功：是能量的轉(zhuǎn)化，是一種形式的能向另一種形式的能轉(zhuǎn)化，功是能量轉(zhuǎn)化的量度，用W表示。

(2)熱傳遞：是能量的轉(zhuǎn)移，是熱量由一個(gè)物體傳遞給另一個(gè)物體，傳遞的能量用熱量Q表示。

(3)內(nèi)能的改變：是物體內(nèi)所有分子的熱運(yùn)動(dòng)動(dòng)能和勢(shì)能之和發(fā)生了變化，宏觀表現(xiàn)在溫度