第四章第2节热力学第一定律.docx
- 文档编号:25267568
- 上传时间:2023-06-06
- 格式:DOCX
- 页数:12
- 大小:83.01KB
第四章第2节热力学第一定律.docx
《第四章第2节热力学第一定律.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《第四章第2节热力学第一定律.docx(12页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
第四章第2节热力学第一定律
第2节
热力学第一定律
一、改变物体内能的两种方式
1.改变内能的两种方式:
做功和热传递。
2.做功:
外力对物体做功,可以使物体的内能增加。
3.热传递:
没有做功而使物体内能改变的物理过程。
4.做功和热传递对物体内能的改变是等效的,但本质不同。
二、热力学第一定律
1.定义:
功、热量跟内能改变之间的定量关系。
2.数学表达式:
ΔU=Q+W。
1.判断:
(1)物体吸收热量,内能一定增大。
( )
(2)物体对外做功,内能一定减小。
( )
(3)物体吸收热量,同时对外做功,内能可能不变。
( )
(4)物体放出热量,同时对外做功,内能可能不变。
( )
答案:
(1)×
(2)× (3)√ (4)×
2.思考:
运用所学物理知识分析古代人“钻木取火”的原理是什么?
提示:
“钻木取火”即人对木头做功,使木头的内能增大,温度升高,当温度达到木头的着火点时,木头便开始燃烧,即利用做功的方式改变木头的内能。
正确理解改变物体内能的两种方式
1.两种方式的比较
比较项目
做 功
热传递
内能变化
外界对物体做功,物体的内能增加
物体对外界做功,物体的内能减少
物体吸收热量,内能增加
物体放出热量,内能减少
物理实质
其他形式的能与内能之间的转化
不同物体间或同一物体不同部分之间内能的转移
相互联系
做一定量的功或传递一定量的热在改变内能的效果上是相同的
2.热量和内能
内能是由系统的状态决定的,状态确定,系统的内能也随之确定。
要使系统的内能发生变化,可以通过热传递或做功两种方式来完成。
热量是热传递过程中的特征物理量,和功一样,热量只是反映物体在状态变化过程中所迁移的能量,是用来衡量物体内能变化的。
有过程,才有变化,离开过程则毫无意义。
就某一状态而言,只有“内能”,不能谈到“热量”或“功”。
(1)内能是状态量,热量、功是过程量。
(2)热量、功、内能本质是不同的。
1.物体的内能增加了20J,下列说法中正确的是( )
A.一定是外界对物体做了20J的功
B.一定是物体吸收了20J的热量
C.一定是物体分子动能增加了20J
D.物体分子的平均动能可能不变
解析:
选D 做功和热传递都可以改变物体内能,物体内能改变20J,其方式是不确定的,因此A、B错误;物体内能包括所有分子的平均动能和分子势能,内能由分子数、分子平均动能、分子势能三者决定,故C错误。
对热力学定律的进一步理解
1.对热力学第一定律的理解
(1)对ΔU=Q+W的理解:
热力学第一定律将单纯的绝热过程和单纯的热传递过程中内能改变的定量表述推广到一般情况,既有做功又有热传递的过程,其中ΔU表示内能改变的数量,W表示做功的数量,Q表示外界与物体间传递的热量。
(2)与热力学第一定律相对应的符号法则:
做功W
热量Q
内能的改变ΔU
取正值“+”
外界对物体做功
物体从外界吸收热量
物体的内能增加
取负值“-”
物体对外界做功
物体向外界放出热量
物体的内能减少
(3)热力学第一定律说明了做功和热传递是物体内能改变的量度,没有做功和热传递就不可能实现能量的转化或转移,同时也进一步揭示了能量守恒定律。
(4)应用热力学第一定律解题的一般步骤
①根据符号法则写出各已知量(W、Q、ΔU)的正、负;
②根据方程ΔU=Q+W求出未知量;
③再根据未知量结果的正、负来确定吸热、放热情况或做功情况。
2.判断是否做功的方法
一般情况下外界对气体做功与否,需看气体的体积是否变化。
(1)若气体体积增大,表明气体对外界做功,W<0;
(2)若气体体积减小,表明外界对气体做功,W>0。
3.几种常见的气体变化过程
(1)绝热过程:
过程是绝热的,则Q=0,W=ΔU,外界对气体做的功等于气体内能的增加。
(2)等容过程:
过程中不做功,即W=0,则Q=ΔU,气体吸收的热量等于气体内能的增加。
(3)等温过程:
过程的始末状态气体的内能不变,即ΔU=0,则Q+W=0或W=-Q。
对于热力学第一定律的应用,要特别注意公式中各量的符号规则,能确定正负号的直接在数值前代入符号计算即可。
对于不能确定符号的,可先采取假设正值的方法来处理。
若计算结果是正值,就是规定正值的情况,若计算结果为负值,就是与假设相反的情况。
2.压缩过程中,两个阀门均关闭。
若此过程中,气室中的气体与外界无热量交换,内能增加了3.4×104J,则该气体的分子平均动能________(选填“增大”、“减小”或“不变”),活塞对该气体所做的功________(选填“大于”、“小于”或“等于”)3.4×104J。
解析:
气室中的气体与外界无热交换,内能增加,同时外界对气体做功,故密闭气体的温度升高,气体分子的平均动能增大。
根据热力学第一定律ΔU=Q+W可知,Q=0,W=ΔU,所以活塞对该气体所做的功等于3.4×104J。
答案:
增大 等于
热力学第一定律的应用
[例1] [多选](2017·全国卷Ⅱ)如图,用隔板将一绝热汽缸分成两部分,隔板左侧充有理想气体,隔板右侧与绝热活塞之间是真空。
现将隔板抽开,气体会自发扩散至整个汽缸。
待气体达到稳定后,缓慢推压活塞,将气体压回到原来的体积。
假设整个系统不漏气。
下列说法正确的是( )
A.气体自发扩散前后内能相同
B.气体在被压缩的过程中内能增大
C.在自发扩散过程中,气体对外界做功
D.气体在被压缩的过程中,外界对气体做功
E.气体在被压缩的过程中,气体分子的平均动能不变
[解析] 抽开隔板,气体自发扩散过程中,气体对外界不做功,与外界没有热交换,因此气体的内能不变,A项正确,C项错误;气体在被压缩的过程中,外界对气体做功,D项正确;由于气体与外界没有热交换,气体在被压缩的过程中内能增大,因此气体的温度升高,气体分子的平均动能增大,B项正确,E项错误。
[答案] ABD
[借题发挥] 一定质量的理想气体的内能只与温度有关,温度升高,内能增加,温度降低,内能减少。
热力学第一定律的综合问题
[例2]
(1)一定量的气体从外界吸收了2.6105J的热量,内能增加了4.2105J,是气体对外界做了功,还是外界对气体做了功?
做了多少功?
(2)一定质量的气体,从外界吸收3.5105J的热量,同时气体对外界做功2.3105J,则气体的内能怎样变化?
[解析]
(1)根据热力学第一定律表达式中的符号法则,可知Q=2.6105J,ΔU=4.2105J。
由ΔU=W+Q,
则W=ΔU-Q=4.2105J-2.6105J=1.6105J。
W>0,说明是外界对气体做了功。
(2)Q=3.5105J,W=-2.3105J
则ΔU=Q+W=1.2105J
ΔU为正值,说明气体的内能增加1.2105J。
[答案] 见解析
[借题发挥] 应用热力学第一定律解题的注意事项
(1)首先应明确研究对象是哪个物体或者是哪个热力学系统。
(2)分别列出物体或系统吸收或放出的热量;外界对物体或系统所做的功或物体或系统对外所做的功。
(3)根据热力学第一定律ΔU=Q+W列出方程进行求解。
(4)特别注意的就是物理量的正、负号及其物理意义。
1.密闭有空气的薄塑料瓶因降温而变扁,此过程中瓶内空气(不计分子势能)( )
A.内能增大,放出热量 B.内能减小,吸收热量
C.内能增大,对外界做功D.内能减小,外界对其做功
解析:
选D 不计分子势能时瓶内空气的内能只与其温度有关,温度降低时其内能减小。
塑料瓶变扁时瓶内空气体积减小,外界对其做功。
再由热力学第一定律知此过程中瓶内空气要放出热量,故只有D正确。
2.给旱区送水的消防车停于水平地面,在缓慢放水过程中,若车胎不漏气,胎内气体温度不变,不计分子间势能,则胎内气体( )
A.从外界吸热 B.对外界做负功
C.分子平均动能减小D.内能增加
解析:
选A 本题意在考查考生理解气体压强的产生,理解并能正确应用理想气体状态方程与热力学第一定律,解答热学问题的能力。
根据p=p0+可知,当车的载重减小时,胎内气体的压强减小,而胎内气体温度不变,由于胎内的气体不计分子间的势能,故可视为理想气体。
由一定质量的理想气体状态方程=恒量可知,胎内气体的体积增大,胎内气体对外界做正功,B错误;由于胎内气体的温度不变,所以气体的平均分子动能不变,胎内气体的内能不变,C、D错误;由热力学第一定律ΔU=W+Q可知,气体从外界吸热,A正确。
3.一定质量的气体,从状态A变化到状态B的过程中,内能增加了160J,下列是关于内能变化的可能原因的说法,其中不可能的是( )
A.从A到B的绝热过程中,外界对气体做功160J
B.从A到B的单纯传热过程中,外界对气体传递了160J的热量
C.从A到B的过程中吸热280J,并对外界做功120J
D.从A到B的过程中放热280J,外界对气体做功120J
解析:
选D 由热力学第一定律ΔU=W+Q可知,A、B、C正确,D错误。
4.[多选](2017·江苏高考)一定质量的理想气体从状态A经过状态B变化到状态C,其VT图像如图所示。
下列说法正确的有( )
A.A→B的过程中,气体对外界做功
B.A→B的过程中,气体放出热量
C.B→C的过程中,气体压强不变
D.A→B→C的过程中,气体内能增加
解析:
选BC 由题图可知,从A到B气体的体积减小,外界对气体做功,A项错误;从A到B过程气体的温度不变,内能不变,根据热力学第一定律可知,气体放出热量,B项正确;从B到C过程中是一个常数,气体发生的是等压变化,气体的温度降低,内能减少,C项正确,D项错误。
5.一定质量的气体从外界吸收了4.2×105J的热量,同时气体对外做了6×105J的功,问:
(1)物体的内能是增加还是减少?
变化量是多少?
(2)气体分子的平均动能是增加了还是减少了?
解析:
(1)气体从外界吸热为:
Q=4.2×105J
气体对外做功:
W=-6×105J
由热力学第一定律:
ΔU=Q+W=4.2×105J+(-6×105J)=-1.8×105J
ΔU为负,说明气体的内能减少了。
所以,气体内能减少了1.8×105J。
(2)因为气体内能减少,所以气体分子的平均动能一定减少了。
答案:
见解析
1.关于物体的内能及其变化,以下说法正确的是( )
A.物体的温度改变时,其内能必定改变
B.物体对外做功,其内能不一定改变,向物体传递热量,其内能也不一定改变
C.物体对外做功,其内能必定改变,物体向外传出一定热量,其内能必定改变
D.若物体与外界不发生热交换,则物体的内能必定不改变
解析:
选B 温度变化物体的分子动能变化,但内能可能不变,A错;改变内能有两种方式:
做功和热传递,由热力学第一定律可知B正确,C、D错。
2.[多选]用下述方法改变物体的内能,属于做功的方式是( )
A.在阳光的照射下,水的温度升高
B.用磨刀石磨刀时,刀发热
C.用电热器烧水
D.用天然气烧水
解析:
选BC A项是热传递中的辐射,B中是摩擦力做功,C中是电流做功,D中是燃料燃烧把内能转移给水,故B、C正确。
3.如图所示是密闭的汽缸,外力推动活塞P压缩气体,对缸内气体做功800J,同时气体向外界放热200J,缸内气体的( )
A.温度升高,内能增加600J
B.温度升高,内能减少200J
C.温度降低,内能增加600J
D.温度降低,内能减少200J
解析:
选A 由W+Q=ΔU得ΔU=800J+(-200J)=600J,一定质量的理想气体的内能大小只与温度有关,ΔU>0,故温度升高。
4.[多选](2016·全国卷Ⅲ)关于气体的内能,下列说法正确的是( )
A.质量和温度都相同的气体,内能一定相同
B.气体温度不变,整体运动速度越大,其内能越大
C.气体被压缩时,内能可能不变
D.一定量的某种理想气体的内能只与温度有关
E.一定量的某种理想气体在等压膨胀过程中,内能一定增加
解析:
选CDE 气体的内能由物质的量、温度和体积决定,质量和温度都相同的气体,内能可能不同,A错误。
内能与物体的运动速度无关,B错误。
气体被压缩时,同时对外传热,根据热力学第一定律知内能可能不变,C正确。
一定量的某种理想气体的内能只与温度有关,D正确。
根据理想气体状态方程,一定量的某种理想气体在压强不变的情况下,体积变大,则温度一定升高,内能一定增加,E正确。
5.一个气泡从恒温水槽的底部缓慢向上浮起,(若不计气泡内空气分子势能的变化)则( )
A.气泡对外做功,内能不变,同时放热
B.气泡对外做功,内能不变,同时吸热
C.气泡内能减少,同时放热
D.气泡内能不变,不吸热也不放热
解析:
选B 气泡缓慢上升的过程中,温度不变,气体的内能不变,ΔU=0,但压强逐渐减小,由玻意耳定律pV=恒量可知体积V逐渐增大,气体对外做功,即W<0,由热力学第一定律有Q=-W>0,故气体从外界吸收热量,且吸收的热量全部用来对外做功,则B项正确。
6.[多选](2017·全国卷Ⅲ)如图,一定质量的理想气体从状态a出发,经过等容过程ab到达状态b,再经过等温过程bc到达状态c,最后经等压过程ca回到初态a。
下列说法正确的是( )
A.在过程ab中气体的内能增加
B.在过程ca中外界对气体做功
C.在过程ab中气体对外界做功
D.在过程bc中气体从外界吸收热量
E.在过程ca中气体从外界吸收热量
解析:
选ABD ab过程中气体压强增大,体积不变,则温度升高,内能增加,A项正确;ab过程发生等容变化,气体对外界不做功,C项错误;一定质量的理想气体内能仅由温度决定,bc过程发生等温变化,内能不变,bc过程中气体体积增大,气体对外界做正功,根据热力学第一定律可知气体从外界吸收热量,D项正确;ca过程发生等压变化,气体体积减小,外界对气体做功,B项正确;ca过程中气体温度降低,内能减小,外界对气体做功,根据热力学第一定律可知气体向外界放热,E项错误。
7.空气压缩机在一次压缩中,活塞对空气做了2×105J的功,同时空气的内能增加了1.5×105J,这一过程中空气向外界传递的热量是多少?
解析:
选择被压缩的空气为研究对象,根据热力学第一定律有ΔU=Q+W
由题意可知W=2×105J,ΔU=1.5×105J
代入上式得
Q=ΔU-W=1.5×105J-2×105J=-5×104J
负号表示空气向外释放热量,即空气向外界传递的热量为5×104J。
答案:
5×104J
8.在一个标准大气压下,水在沸腾时,1g的水由液态变成同温度的水汽,其体积由1.043cm3变为1676cm3。
已知水的汽化热为2263.8J/g。
求:
(1)体积膨胀时气体对外界做的功W;
(2)气体吸收的热量Q;
(3)气体增加的内能ΔU。
解析:
取1g水为研究系统,1g沸腾的水变成同温度的水汽需要吸收热量,同时由于体积膨胀,系统要对外做功,所以有ΔU (1)气体在等压(大气压)下膨胀做功: W=p(V2-V1) =1.013×105×(1676-1.043)×10-6J =169.7J. (2)气体吸热: Q=mL=1×2263.8J=2263.8J。 (3)根据热力学第一定律: ΔU=Q+W=2263.8J+(-169.7)J=2094.1J 答案: (1)169.7J (2)2263.8J (3)2094.1J
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 第四章 第2节 热力学第一定律 第四 热力学 第一 定律