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第三章 熱力學定律
粵教版 選擇性必修三
第一節 熱力學第一定律
熱學
熱現象的宏觀理論——研究熱現象一般規律，不涉及熱現象微觀解釋(熱力學)
熱現象的微觀理論——從分子動理論的角度來研究宏觀熱現象的規律(統計物理學)
彈弓發生彈性形變，有彈力的作用，具有彈性勢能
工人在高空作業有重力的作用，具有重力勢能
那么，在物體內部的分子也具有勢能嗎？
點電荷相互之間有電場力的作用，具有電勢能
知識回顧
分子力與分子間距離的關系
當分子間距改變，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。
取無窮遠處分子勢能為0
排斥力
吸引力
r > ro ：引力
r < ro ：斥力
分子力、分子勢能與分子間距離的關系
排斥力
吸引力
r > ro ：引力
r < ro ：斥力
取無窮遠處分子勢能為0
分子間距離不斷減小
分子力F 分子勢能Ep
圖象
隨分子間距離的變化情況 rr>r0 r增大,F先增大后減小,表現為引力 r增大,F做負功,Ep增大
r=r0 F引=F斥,F=0 Ep最小,但不為零
r>10r0 引力和斥力都很微弱,F=0 Ep=0
Part 01
物體的內能
一、物體的內能
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，叫做物體的內能。
那么，可以用什么方式可以使物體內能發生變化呢？
理想氣體，分子勢能與體積無關
二、改變物體內能的兩種方式
把金屬勺子放在熱湯中，勺子溫度升高，內能增大
這些例子，都是通過熱傳遞來改變物體內能。
食物放入冰箱，溫度下降，內能減少
在太陽光的照射下，太陽能熱水器中的水溫度升高，內能增大
二、改變物體內能的兩種方式
1、熱傳遞
熱傳遞可以改變物體內能，熱傳遞過程中物體內能變化的量稱為熱量。
習慣上我們所說的“物體吸熱（或放熱）多少”，實際上是指熱傳遞使物體的內能增加（或減少）多少。
比如說，柴火燒水，水吸熱后內能增加沸騰。燒開后熄滅柴火，開水對外放熱，內能減少，溫度下降，一段時間后會與外界溫度一致。
二、改變物體內能的兩種方式
對物體做功，可以改變物體內能。
我們可以通過實驗來研究做功如何改變物體內能
如何知道物體的內能發生改變？
一定質量的氣體，分子數目不變。
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。所以氣體內能僅與溫度有關。
實驗中，推動活塞即對氣體做功，測量氣體的溫度的變化，就可以研究做功與氣體內能的變化的關系。
一定質量的氣體
分子動能
分子勢能
物體
內能
分子數目
控制變量
實驗：研究活塞對氣體做功與氣體內能變化的關系
℃
℃
迅速壓縮氣體
迅速壓縮氣體的目的：
使過程中筒內氣體與外界幾乎沒有熱傳遞發生（絕熱過程）。
實驗過程：
首先推動活塞，迅速壓縮氣體，對氣體做功。
然后釋放活塞，氣體推動活塞做功。
用電子溫度計測量氣體的溫度的變化，研究做功與氣體內能的變化的關系。
活塞迅速壓縮氣體過程實驗現象與分析：
迅速壓縮氣體，對氣體做功，筒內氣體與外界幾乎沒有熱傳遞發生，所以做功可以使物體內能增大。
實驗中筒內氣體溫度上升，氣體分子動能增大，氣體分子勢能為零，所以筒內氣體內能增大。
1、氣體內能的變化情況分析
2、氣體內能增加，說明什么？
℃
℃
氣體迅速膨脹過程實驗現象與分析：
實驗中筒內氣體溫度下降，氣體分子動能減少，氣體分子勢能為零，所以筒內氣體內能減少。
1、氣體內能的變化情況分析
℃
℃
氣體膨脹向外做功，氣體內能減少，所以做功可以使物體內能減少。
2、氣體內能減少，說明什么？
結論：在絕熱過程中，外界對物體做功，物體內能增大。
物體對外界做功，物體內能減少。
二、改變物體內能的兩種方式
1、熱傳遞
2、做功
二、改變物體內能的兩種方式
思考與討論：
做功和熱傳遞都可以改變物體的內能，兩者是等效的嗎？
做功和熱傳遞又有什么區別呢？
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，對于改變物體內能來說，兩者是等價的。
但是從能量轉化和轉移的角度，兩者有所區別。
做功是內能與其他形式的能之間的轉化，
而熱傳遞則是不同物體或部分之間內能的轉移。
物體內能的改變，可以通過熱傳遞和做功兩種方式實現。
實驗2.緩慢壓縮筒內氣體
壓縮氣體做功，可使其內能增大；而由于壓縮過程比較緩慢，氣體同時與外界進行熱傳遞，把內能又轉移到周圍的環境中，于是緩慢壓縮的過程中，筒內氣體的內能幾乎沒有變化。
2.同是壓縮氣體做功，為什么緩慢壓縮氣體的時候，氣體的內能幾乎不變？
1.氣體內能的變化情況分析
實驗中筒內氣體溫度幾乎不變，氣體分子動能不變，分子勢能為零，所以筒內氣體內能幾乎不變。
通過做功和熱傳遞，物體內能會變化，它們之間存在著什么樣的定量關系呢？
通過做功和熱傳遞，物體內能會變化，它們之間存在著什么樣的定量關系呢？
若一個物體不與外界發生熱傳遞，它的內能變化等于什么？
若一個物體，外界對其沒有做功，它的內能變化等于什么？
若一個物體既與外界發生熱傳遞，同時外界又對其做功，它的內能變化等于什么？
ΔU1=W
ΔU2=Q
ΔU=ΔU1+ΔU2=Q+W
Part 02
熱力學第一定律
1、內容：
熱力學第一定律
一個物體的內能增量等于外界向它傳遞的熱量與外界對它所做的功的和。
2、公式：
ΔU=Q+W
符號 W Q ΔU
+
-
內能增加
內能減少
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
課堂小結
內能
改變內能的方式
熱力學第一定律：
做功
熱傳遞
熱力學第一定律
分子勢能
分子動能
ΔU = Q + W
W > 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
Part 03
氣體狀態變化與熱力學定律的綜合應用
氣體狀態變化與熱力學定律的綜合應用
氣體狀態變化與物理量對應方法
(1)絕熱過程：氣體與外界沒有熱交換．
(2)導熱良好：氣體與外界有熱交換，且與外界溫度保持相同．
(3)體積減小，外界對氣體做功；
體積增大(不是對真空膨脹)，氣體對外界做功．
(4)溫度升高，理想氣體的內能增加；溫度降低，理想氣體的內能減少．
應用熱力學第一定律解題的一般步驟
1、首先選定研究對象是哪個物體或哪個熱力學系統．
2、根據符號法則寫出各已知量(W、Q、ΔU)的正、負．
3、根據方程ΔU＝W＋Q求出未知量．
4、再根據未知量結果的正、負來確定吸熱、放熱情況或做功情況．
一、等容過程
O
V
T
V
p
O
O
P
T
等容過程：在該過程中氣體不做功，即W＝0，
則Q＝ΔU，氣體吸收的熱量等于氣體內能的增加量．
二、絕熱過程
絕熱過程：過程是絕熱的，則Q＝0，W＝ΔU，
外界對氣體做的功等于氣體內能的增加量．
O
V
T
三、等溫過程
V
p
O
O
P
T
在過程的始末狀態，氣體的內能不變，即ΔU＝0，則W＋Q＝0
則W＝－Q，表示氣體吸收的熱量全部用來對外界做功
或 外界對氣體所做的功全部轉換為熱量放出
【例題】如圖所示，某同學將空的玻璃瓶開口向下緩緩壓入水中。設水溫均勻且恒定，瓶內空氣無泄漏，不計空氣分子間的相互作用，則被淹沒的玻璃瓶在下降的過程中，氣體是吸熱還是放熱，為什么？
三、等溫過程
【例題】(多選)如圖所示，一定質量的理想氣體從狀態A依次經過狀態B、C和D后再回到狀態A，其中A→B和C→D為等溫過程，B→C和D→A為絕熱過程．該循環過程中，下列說法正確的是(　　 )
A→B過程中，氣體等溫膨脹，氣體體積增大，氣體對外界做功，又因為氣體溫度不變，內能不變，所以此過程中氣體吸熱，故選項A正確；
B→C過程中，氣體絕熱膨脹，氣體對外做功，內能減小，溫度降低，氣體分子的平均動能減小，故選項B正確；
C→D過程中，氣體等溫壓縮，體積變小，分子數的密度變大，單位時間內碰撞單位面積器壁的分子數增多，故選項C錯誤；
D→A過程中，氣體絕熱壓縮，外界對氣體做功，氣體內能增加，故選項D正確．
A．A→B過程中，氣體對外界做功，吸熱
B．B→C過程中，氣體分子的平均動能減小
C．C→D過程中，單位時間內碰撞單位面積器壁的分子數減少
D．D→A過程中，外界對氣體做功，氣體內能增加
ABD
三、等溫過程
四、等壓過程
O
V
T
V
p
O
O
P
T
等壓過程：外界對氣體做功，
膨脹時，溫度升高， ，則 ，必須吸熱
壓縮時，溫度降低，，則，必須放熱
例1. 如圖所示，密封在容器內的理想氣體在保持壓強p不變的情況下，體積從V1膨脹到V2，氣體向外推動活塞。請問氣體的內能變化情況是什么樣的呢？
四、等壓過程
例2.一定質量的理想氣體從狀態A經等壓過程到狀態B，如圖所示。在這個過程中，氣體壓強 p=1.0×105Pa，吸收的熱量Q= 7.0×10 J，求此過程中氣體內能的增量。
四、等壓過程
理想氣體從狀態A 經等壓過程到狀態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：
根據熱力學第一定律：
解得：
解得：
由等溫線：一定質量的理想氣體，T1>T2．
a→b，等溫降壓膨脹，內能不變，吸收的熱量等于對外做的功；
b→c，等容升溫升壓，對外不做功，吸收的熱量等于內能增加量；
c→a，等壓降溫壓縮，放出的熱量等于外界做的功與內能減少量之和．
六、氣體狀態變化圖像
六、氣體狀態變化圖像
【練習】(多選)如圖所示，一定質量的理想氣體由a狀態變化到b狀態，下列說法正確的有( 　)
A．外界對氣體做功
B．氣體對外界做功
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，內能增大，氣體對外界做功，氣體從外界吸收熱量，故B、D正確．]
BD
【練習】　如圖所示，倒懸的導熱氣缸中封閉著一定質量的理想氣體，輕質活塞可無摩擦地上下移動，活塞的橫截面積為S，活塞的下面吊著一個重為G的物體，大氣壓強恒為p0，起初環境的熱力學溫度為T0時，活塞到氣缸底面的距離為L．當環境溫度逐漸升高，導致活塞緩慢下降，該過程中活塞下降了0.1 L，氣缸中的氣體吸收的熱量為Q．求：
(1)氣缸內部氣體內能的增加量ΔU；
(2)最終的環境溫度T．
[思路點撥]　本題的關鍵是明確氣體是等壓變化，則W＝pΔV，再結合熱力學第一定律ΔU＝W＋Q，求解即可．
[解析]　(1)密封氣體的壓強p＝p0－
外界對密封氣體做功W＝－pS×0.1 L
由熱力學第一定律ΔU＝Q＋W可知
ΔU＝Q－0.1p0SL＋0.1LG．
(2)該過程是等壓變化，由蓋-呂薩克定律有＝
解得T＝1.1T0．
[答案]　(1)Q－0.1p0SL＋0.1LG　(2)1.1T0

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