熱力學(xué)第一定律課件

第1節(jié)

熱力學(xué)第一定律第三章熱力學(xué)定律

問(wèn)題：在空氣壓縮引火儀底部放置少量的硝化棉，迅速壓下筒中的活塞，會(huì)有什么現(xiàn)象？你能解釋這個(gè)現(xiàn)象嗎？解釋?zhuān)寒?dāng)迅速壓下活塞時(shí)，活塞壓縮筒內(nèi)空氣做功，使筒內(nèi)空氣的內(nèi)能增大，溫度升高，達(dá)到硝化棉的燃點(diǎn)使其燃燒。結(jié)論：做功可以改變物體的內(nèi)能。

19世紀(jì)30年代，人們逐漸認(rèn)識(shí)到，為了使系統(tǒng)的熱力學(xué)狀態(tài)發(fā)生變化，既可以向它傳熱，也可以對(duì)它做功。

從1840年開(kāi)始，英國(guó)物理學(xué)家焦耳進(jìn)行了多種多樣的實(shí)驗(yàn)，以求精確測(cè)定外界對(duì)系統(tǒng)做功和傳熱對(duì)于系統(tǒng)狀態(tài)的影響，以及功與熱的相互關(guān)系。這項(xiàng)研究工作為熱力學(xué)第一定律和能量守恒定律的建立奠定了堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)焦耳

焦耳測(cè)量了熱與機(jī)械功之間的當(dāng)量關(guān)系——熱功當(dāng)量，為熱力學(xué)第一定律和能量守恒定律的建立奠定了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。焦耳的實(shí)驗(yàn)1818年12月24日生于英國(guó)曼徹斯特，起初研究電學(xué)和磁學(xué)。1840年在英國(guó)皇家學(xué)會(huì)上宣布了電流通過(guò)導(dǎo)體產(chǎn)生熱量的定律，即焦耳定律。絕熱過(guò)程系統(tǒng)只通過(guò)對(duì)外界做功或外界對(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(guò)程叫做絕熱過(guò)程。焦耳實(shí)驗(yàn)是一個(gè)需要在絕熱過(guò)程中完成的實(shí)驗(yàn)

焦耳的實(shí)驗(yàn)焦耳的代表性實(shí)驗(yàn)一：焦耳熱功當(dāng)量實(shí)驗(yàn)裝置—機(jī)械功

重物下落帶動(dòng)葉片攪拌容器中的水，引起水溫上升

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：

只要重力所做的功相同，容器內(nèi)水溫上升的數(shù)值都是相同的，即系統(tǒng)內(nèi)能的變化是相同的。

焦耳的實(shí)驗(yàn)焦耳的代表性實(shí)驗(yàn)二：焦耳熱功當(dāng)量實(shí)驗(yàn)裝置—電功

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：對(duì)同一個(gè)系統(tǒng)，如果過(guò)程是絕熱的，只要所做的電功相等，則系統(tǒng)溫度上升的數(shù)值是相同的，即系統(tǒng)的內(nèi)能的變化是相同的。

焦耳的實(shí)驗(yàn)汽缸內(nèi)有一定質(zhì)量的氣體，壓縮氣體的同時(shí)給汽缸加熱。那么，氣體內(nèi)能的變化會(huì)比單一方式（做功或傳熱）更明顯。這是為什么呢？改變內(nèi)能的兩種方式做功W熱傳遞Q對(duì)內(nèi)對(duì)外吸熱放熱內(nèi)能增加內(nèi)能增加內(nèi)能減少內(nèi)能減少（外界對(duì)物體做功）（物體對(duì)外界做功）（物體從外界吸熱）（物體對(duì)外界放熱）

做功和熱傳遞都可以改變物體的內(nèi)能，二者是等效的。那么，做功和熱傳遞有什么區(qū)別？做功的實(shí)質(zhì)是內(nèi)能與其他形式的能之間的轉(zhuǎn)化；熱傳遞的實(shí)質(zhì)是不同物體（或同一物體不同部分）之間內(nèi)能的轉(zhuǎn)移。若一個(gè)物體不與外界發(fā)生熱傳遞（絕熱），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（無(wú)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？ΔU=WΔU=QΔU=Q+W1、內(nèi)容：一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)能變化量（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.2、物理意義：熱力學(xué)第一定律不僅反映了做功與傳熱在改變系統(tǒng)內(nèi)能方面是等效的，而且給出了功、熱量跟系統(tǒng)內(nèi)能改變之間的定量關(guān)系.3、表達(dá)式：ΔU：物體內(nèi)能的增加量

W：

外界對(duì)物體做的功

Q：

物體吸收的熱量

ΔU＝W+Q4、推廣：上式也適用于物體對(duì)外做功、向外界散熱和內(nèi)能減少的情況。但要注意各量的符號(hào).熱力學(xué)第一定律典例：一定質(zhì)量的氣體，膨脹過(guò)程中是外界對(duì)氣體做功還是氣體對(duì)外界做功?如果膨脹時(shí)氣體對(duì)外做的功是135J，同時(shí)向外放熱85J，氣體內(nèi)能的變化量是多少?內(nèi)能是增加了還是減少了?請(qǐng)你通過(guò)這個(gè)例子總結(jié)功和熱量取正、負(fù)值的物理意義。解析：膨脹過(guò)程中氣體對(duì)外界做功系統(tǒng)對(duì)外做功：W=-135J系統(tǒng)向外放熱：Q=-85J根據(jù)熱力學(xué)第一定律：ΔU=W+Q代入得：ΔU=-135+（-85）=-220J內(nèi)能減少了220J5、定律中各量的正、負(fù)號(hào)及含義ΔU=W+Q

物理量符號(hào)意義符號(hào)意義W＋－Q＋－ΔU＋－外界對(duì)物體做功物體對(duì)外界做功物體吸收熱量物體放出熱量?jī)?nèi)能增加內(nèi)能減少熱力學(xué)第一定律6、幾種特殊情況(1)若過(guò)程是絕熱的，即Q＝0，則ΔU＝W，物體內(nèi)能的增加量等于外界對(duì)物體做的功。(2)若過(guò)程中不做功，即W＝0，則ΔU＝Q，物體內(nèi)能的增加量等于物體從外界吸收的熱量。(3)若過(guò)程的始末狀態(tài)物體的內(nèi)能不變，即ΔU＝0，則W＝－Q(或Q＝－W)，外界對(duì)物體做的功等于物體放出的熱量(或物體吸收的熱量等于物體對(duì)外界做的功)。ΔU=W+Q

熱力學(xué)第一定律理想氣體內(nèi)能的判斷理想氣體：在任何溫度、任何壓強(qiáng)下都遵從氣體實(shí)驗(yàn)定律的氣體。1、忽略分子勢(shì)能，只有分子動(dòng)能2、內(nèi)能看溫度，做功看體積ΔU＝W+Q3、溫度不變，理想氣體內(nèi)能不變△U=04、氣體體積減小→外界對(duì)氣體做功W＞05、氣體積增大→氣體對(duì)外界做功W＜0【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？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，一部分用來(lái)增加內(nèi)能，另一部分轉(zhuǎn)化為對(duì)外所做的功。++?【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？解：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】如圖，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（圖甲）。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。⑴求上述壓縮過(guò)程中氣體內(nèi)能的變化量。①確定研究對(duì)象：汽缸中的氣體。（1）壓縮過(guò)程活塞（外界）對(duì)氣體（系統(tǒng)）做功，W是正值：W1=F1l1=2×102×0.1J=200J系統(tǒng)向外放熱：Q=-25J氣體內(nèi)能的變化量：ΔU1=W1＋Q1=200J-25J=175J③正確選取W與Q的正負(fù)。②明確氣體狀態(tài)變化過(guò)程。分析：解析：

【例3】如圖，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（圖甲）。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。⑵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（圖乙），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。①確定研究對(duì)象：汽缸中的氣體。③正確選取W與Q的正負(fù)。②明確氣體狀態(tài)變化過(guò)程。分析：解析：

（2）氣體膨脹過(guò)程中氣體（系統(tǒng)）對(duì)外界所做功，W是負(fù)值：W2=F2L2=-9×102×0.1J=-900J系統(tǒng)向外放熱：Q=-30J氣體內(nèi)能的變化量：ΔU2=W2＋Q2=-900J-30J=-930J1、恒溫水槽中的氣泡緩慢上升的過(guò)程中（）A．壓強(qiáng)增加，外界對(duì)氣泡做功，氣泡對(duì)外放熱B．壓強(qiáng)增加，氣泡對(duì)外做功，氣泡從外界吸熱C．壓強(qiáng)減小，外界對(duì)氣泡做功，氣泡對(duì)外放熱D．壓強(qiáng)減小，氣泡對(duì)外做功，氣泡從外界吸熱D隨堂鞏固2、采用渦輪增壓技術(shù)可提高汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)效率。將渦輪增壓簡(jiǎn)化為以下兩個(gè)過(guò)程，一定質(zhì)量的理想氣體首先經(jīng)過(guò)絕熱過(guò)程被壓縮，然后經(jīng)過(guò)等壓過(guò)程回到初始溫度，則（

）A．絕熱過(guò)程中，氣體分子平均動(dòng)能增加

B．絕熱過(guò)程中，外界對(duì)氣體做負(fù)功C．等壓過(guò)程中，外界對(duì)氣體做正功

D．等壓過(guò)程中，氣體內(nèi)能不變3、(2017·全國(guó)卷Ⅱ)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(kāi)，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(lái)的體積。假設(shè)整個(gè)系統(tǒng)不漏氣。下列說(shuō)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(guò)程中內(nèi)能增大C．在自發(fā)擴(kuò)散過(guò)程中，氣體對(duì)外界做功D．氣體在被壓縮的過(guò)程中，外界對(duì)氣體做功E．氣體在被壓縮的過(guò)程中，氣體分子的平均動(dòng)能不變4、如圖所示，一個(gè)內(nèi)壁光滑的圓柱形汽缸，高度為L(zhǎng)、底面積為S，缸內(nèi)有一個(gè)質(zhì)量為m的活塞，封閉了一定質(zhì)量的理想氣體。溫度為熱力學(xué)溫標(biāo)T0時(shí)，用繩子系住汽缸底，將汽缸倒過(guò)來(lái)懸掛起來(lái)，汽缸處于豎直狀態(tài)，缸內(nèi)氣體高為L(zhǎng)0。已知重力加速度為g，大氣壓強(qiáng)為p0，不計(jì)活塞厚度及活塞與缸體的摩擦，求：(1)采用緩慢升溫的方法使活塞與汽缸脫離，缸內(nèi)氣體的溫度至少要升高到多少？(2)從開(kāi)始升溫到活塞剛要脫離汽缸，缸內(nèi)氣體壓力對(duì)活塞做功多少？(3)當(dāng)活塞剛要脫離汽缸時(shí)，缸內(nèi)氣體的內(nèi)能增加量為ΔU，則氣體在活塞下移的過(guò)程中吸收的熱量為多少？熱力學(xué)第一定律表述：一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)能增量等于外界向它傳遞的熱量與外界對(duì)它所做的功的和數(shù)學(xué)表達(dá)式：ΔU=Q+W定律中各量的正、負(fù)號(hào)及含義

W=0，則ΔU=Q

Q

=0，則ΔU=WΔU=0，則W=-

Q

5、如圖，一封閉著理想氣體的絕熱汽缸置于水平地面上，用輕彈簧連接的兩絕熱活塞將汽缸分為f、g、h三部分，活塞與汽缸壁間沒(méi)有摩擦。初始時(shí)彈簧處于原長(zhǎng)，三部分中氣體的溫度、體積、壓強(qiáng)均相等。現(xiàn)通過(guò)電阻絲對(duì)f中的氣體緩慢加熱，停止加熱并達(dá)到穩(wěn)定后（）

A．h中的氣體內(nèi)能增加 B．f與g中的氣體溫度相等C．f與h中的氣體溫度相等 D．f與h中的氣體壓強(qiáng)相等6、如圖，一豎直放置的汽缸上端開(kāi)口，汽缸壁內(nèi)有卡口a和b，a、b間距為h，a距缸底的高度為H；活塞只能在a、b間移動(dòng)，其下方密封有一定質(zhì)量的理想氣體。已知活塞質(zhì)量為m，面積為S，厚度可忽略；活塞和汽缸壁均絕熱，不計(jì)它們之間的摩擦。開(kāi)始時(shí)活塞處于靜止?fàn)顟B(tài)，上、下方氣體壓強(qiáng)均為p0，溫度均為T(mén)0。現(xiàn)用電熱絲緩慢加熱汽缸中的氣體，直至活塞剛好到達(dá)b處。求此時(shí)汽缸內(nèi)氣體的溫度以及在此過(guò)程中氣體對(duì)外所做的功。（重力加速度大小為g）7、如圖所示，一定質(zhì)量的理想氣體由a狀態(tài)變化到b狀態(tài)，下列說(shuō)法正確的有(

)A．外界對(duì)氣體做功B．氣體對(duì)外界做功C．氣體向外界放熱D．氣體從外界吸熱BD

[由圖可看出從a到b氣體體積增大溫度升高，內(nèi)能增大，氣體對(duì)外界做功，氣體從外界吸收熱量，故B、D正確．]√√8、(2017·全國(guó)卷Ⅲ)如圖，一定質(zhì)量的理想氣體從狀態(tài)a出發(fā)，經(jīng)過(guò)等容過(guò)程ab到達(dá)狀態(tài)b，再經(jīng)過(guò)等溫過(guò)程bc到達(dá)狀態(tài)c，最后經(jīng)等壓過(guò)程ca回到初態(tài)a。下列說(shuō)法正確的是(

)A．在過(guò)程ab中氣體的內(nèi)能增加B．在過(guò)程ca中外界對(duì)氣體做功C．在過(guò)程ab中氣體對(duì)外界做功D．在過(guò)程bc中氣體從外界吸收熱量E．在過(guò)程ca中氣體從外界吸收熱量

10、如圖所示，一定質(zhì)量的理想氣體分別經(jīng)歷a→b和a→c兩個(gè)過(guò)程，其中a→b為等溫過(guò)程，狀態(tài)b、c的體積相同，則（）A．狀態(tài)a的內(nèi)能大于狀態(tài)b B．狀態(tài)a的溫度高于狀態(tài)cC．a(chǎn)→c過(guò)程中氣體吸收熱量 D．a(chǎn)→c過(guò)程中外界對(duì)氣體做正功11、一定質(zhì)量的理想氣體由狀態(tài)a變?yōu)闋顟B(tài)c，其過(guò)程如p—V圖中a→c直線(xiàn)段所示，狀態(tài)b對(duì)應(yīng)該線(xiàn)段的中點(diǎn)。下列說(shuō)法正確的是（

）A．a(chǎn)→b是等溫過(guò)程B．a(chǎn)→b過(guò)程中氣體吸熱C．a(chǎn)→c過(guò)程中狀態(tài)b的溫度最低D．a(chǎn)→c過(guò)程中外界對(duì)氣體做正功12、一定量的理想氣體從狀態(tài)a經(jīng)狀態(tài)b變化到狀態(tài)c，其過(guò)程如T-V圖上的兩條線(xiàn)段所示，則氣體在（