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(共33張PPT)
汽缸內有一定質量的氣體，壓縮氣體的同時給汽缸加熱。那么，氣體內能的變化會比單一方式（做功或傳熱）更明顯。這是為什么呢？
新課導入
3.2-3.3 熱力學第一定律 能量守恒定律
△U＝Q+ W
一個熱力學系統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。
熱力學第一定律
ΔU ：物體內能的增加量
W： 外界對物體做的功
Q： 物體吸收的熱量
物理意義：不僅反映了做功與傳熱在改變系統內能方面是等效的，而且給出了功、熱量跟系統內能改變之間的定量關系。
ΔU=U2-U1
學習任務一
學習任務一　熱力學第一定律
思考與討論：一定質量的氣體，膨脹過程中是外界對氣體做功還是氣體對外界做功 如果膨脹時氣體對外做的功是135J，同時向外放熱85J，氣體內能的變化量是多少 內能是增加了還是減少了 請你通過這個例子總結功和熱量取正、負值的物理意義。
解析：
膨脹過程中氣體對外界做功
系統對外做功：W=-135J
系統向外放熱：Q=-85J
根據熱力學第一定律：ΔU = W + Q
代入得：ΔU =-135+（-85）=-220J
內能減少了220J。
例1：如圖，一臺四沖程內燃機，活塞在壓縮沖程某段時間內移動的距離為0.1 m，這段過程活塞對氣體的壓力逐漸增大，其做的功相當于2×103N的恒力使活塞移動相同距離所做的功（圖甲）。內燃機工作時汽缸溫度高于環境溫度，該過程中壓縮氣體傳遞給汽缸的熱量為25J。
⑴求上述壓縮過程中氣體內能的變化量。
①確定研究對象：汽缸中的氣體。
（1）壓縮過程活塞（外界）對氣體（系統）做功，W是正值：
W1= F1l1= 2×10 ×0.1 J = 200 J
系統向外放熱：Q=-25J
氣體內能的變化量：ΔU1= W1＋Q1= 200 J -25 J = 175 J
③正確選取W與Q的正負。
②明確氣體狀態變化過程。
分析：
解析：
例1：如圖，一臺四沖程內燃機，活塞在壓縮沖程某段時間內移動的距離為0.1 m，這段過程活塞對氣體的壓力逐漸增大，其做的功相當于2×103N的恒力使活塞移動相同距離所做的功（圖甲）。內燃機工作時汽缸溫度高于環境溫度，該過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活塞做功，氣體推動活塞移動0.1m，其做的功相當于9×103N的恒力使活塞移動相同距離所做的功（圖乙），該做功過程氣體傳遞給汽缸的熱量為30J，求此做功過程氣體內能的變化量。
①確定研究對象：汽缸中的氣體。
③正確選取W與Q的正負。
②明確氣體狀態變化過程。
分析：
解析：
（2）氣體膨脹過程中氣體（系統）對外界所做功，W是負值：
W2= F2L2=-9×10 ×0.1 J =-900 J
系統向外放熱：Q=-30J
氣體內能的變化量：ΔU2= W2＋Q2=-900 J - 30J =-930 J
1、確定研究對象。
2、正確選取正、負號
ΔU = W + Q
物理量 符號 意義 符號 意義
W ＋ －
Q ＋ －
ΔU ＋ －
外界對物體做功
物體對外界做功
物體吸收熱量
物體放出熱量
內能增加
內能減少
熱力學第一定律的應用
學習任務一
[科學思維] 應用熱力學第一定律解題的一般步驟:
(1)首先應明確研究對象是哪個物體或者是哪個熱力學系統.
(2)寫出各已知量(W、Q、ΔU)的正負.
(3)根據熱力學第一定律ΔU=Q+W列出方程進行求解,應特別注意的是物理量的正、負號及其物理意義.
學習任務一
例1 一定質量的理想氣體在某一過程中,外界對氣體做了8×104 J的功,氣體的內能減少了1.2×105 J,則根據熱力學第一定律,下列各式中正確的是(　)　　　　　　　　　　　　　　　
A.W=8×104 J,ΔU=1.2×105 J,Q=4×104 J
B.W=8×104 J,ΔU=-1.2×105 J,Q=-2×105 J
C.W=-8×104 J,ΔU=1.2×105 J,Q=2×105 J
D.W=-8×104 J,ΔU=-1.2×105 J,Q=-4×104 J
B
[解析]因為外界對氣體做功,故W取正值,即W=8×104 J,氣體的內能減少,ΔU取負值,即ΔU=-1.2×105 J,根據熱力學第一定律ΔU=W+Q,可知Q=ΔU-W=-1.2×105 J-8×104 J=-2×105 J,選項B正確.
學習任務一
變式1 [2023·武鋼三中月考] 如圖所示是封閉的汽缸,內部封有一定質量的理想氣體.外力推動活塞P壓縮氣體,對缸內氣體做功800 J,同時氣體向外界放熱200 J,則缸內氣體的 (　)
A.溫度升高,內能增加600 J
B.溫度升高,內能減少200 J
C.溫度降低,內能增加600 J
D.溫度降低,內能減少200 J
[解析]由熱力學第一定律ΔU=Q+W得,ΔU=800 J+(-200 J)=600 J,一定質量的理想氣體的內能大小只與溫度有關,ΔU=600 J>0,故溫度升高,選項A正確.
A
學習任務一
【要點總結】
1.幾種常見的氣體變化的特殊過程
(1)絕熱過程:Q=0,W=ΔU,外界對氣體做的功等于氣體內能的增加量.
(2)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.
(3)理想氣體的等溫過程:在過程的始、末狀態,氣體的內能不變,即ΔU=0,則W+Q=0或W=-Q,表示氣體吸收的熱量全部用來對外做功或外界對氣體所做的功全部轉換為熱量放出.
2.判斷氣體是否做功的方法
一般情況下看氣體的體積是否變化.
①若氣體體積增大,表明氣體對外界做功,W<0.(自由膨脹除外)
②若氣體體積減小,表明外界對氣體做功,W>0.
學習任務二　能量守恒定律
學習任務二
[教材鏈接] 閱讀教材“能量守恒定律”相關內容,完成下列填空:
(1)能量守恒定律
①內容:能量既不會憑空產生,也不會憑空消失,它只能從一種形式轉化為其他形式,或者從一個物體轉移到別的物體,在轉化或轉移的過程中,能量的總量　　　　　　,這就是能量守恒定律.
②意義
a.它把原來人們認為互不相關的各種現象——力學的、熱學的、電學的、磁學的、光學的、化學的、生物學的、地學的聯系在一起,把表面上完全不同的各類運動統一在一個自然規律中.這樣,它就使不同領域的科學工作者有了一系列的共同語言.
b.能量守恒定律是自然界最普遍、最重要的基本定律之一.
保持不變
學習任務二
(2)永動機不可制成
①永動機:不消耗任何　　　　,卻可以源源不斷地對外做功,這種機器叫永動機.人們把這種不消耗能量的永動機叫作第一類永動機.
②不能制成的原因:違背了　　　　　　　　.
能量
能量守恒定律
學習任務二
例2 (多選)[2023·長郡中學月考] 一銅塊和一鐵塊質量相等,銅塊的溫度T1比鐵塊的溫度T2高,當它們接觸在一起時,如果不和外界交換熱量,則 ( 　)
A.從兩者開始接觸到熱平衡的整個過程中,銅塊內能的減少量等于鐵塊內能的增加量
B.在兩者達到熱平衡以前的任意一段時間內,銅塊內能的減少量不等于鐵塊內能的增加量
C.在兩者達到熱平衡以前的任意一段時間內,銅塊內能的減少量都等于鐵塊內能的增加量
D.達到熱平衡時,銅塊的溫度比鐵塊的低
AC
[解析]熱平衡的條件是溫度相等,熱傳遞的方向是從溫度高的物體自發傳向溫度低的物體;不和外界交換熱量,在熱傳遞過程中高溫物體放出的熱量等于低溫物體吸收的熱量,故A、C正確,B、D錯誤.
變式2 太陽能的光熱轉化是目前技術最為成熟、應用最廣泛的太陽能利用形式,從有關資料獲悉,在晴天時,垂直于陽光的地球表面接收到的光輻射為1.2×103 J/(m2·s).如圖所示,有一臺太陽能熱水器,可將接收到的光輻射的50%用來升高水溫,如果該熱水器接受陽光垂直照射的有效面積始終是2 m2,晴天曬1 h,其水箱中50 kg水的溫度能升高多少攝氏度 [水的比熱容c=4200 J/(kg·℃)]
學習任務二
[答案] 20.6
[解析]依題意,可求得1 h太陽能熱水器可以接收的太陽能為
E太陽=1.2×103×2×3600 J=8.64×106 J
水吸收的熱量為Q吸=ηE太陽=50%×8.64×106 J=4.32×106 J
則水箱中50 kg水升高的溫度為Δt= ℃≈20.6 ℃
學習任務二
【要點總結】
1.能量的存在形式及相互轉化
(1)各種運動形式都有對應的能:機械運動有機械能,分子的熱運動有內能,還有電磁能、化學能、核能等.
(2)各種形式的能,通過某種力做功可以相互轉化.例如:利用電爐取暖或燒水,電能轉化為內能;煤燃燒,化學能轉化為內能;列車剎車后,輪子溫度升高,機械能轉化為內能.
2.能量守恒的核心是總能量不變.利用能量守恒定律解題時,要注意先搞清楚過程中有幾種形式的能在轉化或轉移,分析初、末狀態,確定ΔE增、ΔE減各為多少,再由ΔE增=ΔE減列式計算.
3.第一類永動機失敗的原因分析:如果沒有外界熱源供給熱量,則系統內能將減小,即U2學習任務三　熱力學第一定律與氣體實驗定律的綜合應用
學習任務三
[科學思維] 解決熱力學第一定律與氣體實驗定律的綜合問題的基本思路
學習任務三
1.氣體的狀態變化可由圖像直接判斷或結合理想氣體狀態方程=C分析.
2.氣體的做功情況、內能變化及吸、放熱關系可由熱力學第一定律分析.
(1)由體積變化分析氣體做功的情況:體積膨脹(自由膨脹除外),氣體對外做功;氣體被壓縮,外界對氣體做功.
(2)由溫度變化判斷理想氣體內能變化:溫度升高,氣體內能增大;溫度降低,氣體內能減小.
(3)由熱力學第一定律ΔU=Q+W判斷氣體是吸熱還是放熱.
例3 [2023·廣州六中月考] 負壓救護車被業內稱為“移動的N95口罩”.所謂負壓,就是通過負壓排風凈化裝置,使車內氣壓低于車外,空氣在自由流動時只能由車外流向車內,而且負壓救護車還能將車內的空氣進行無害化處理后排出,避免更多的人感染,在救治和轉運傳染病患者等特殊疾病患者時可以最大限度地減少醫務人員交叉感染的幾率.若已知某負壓救護車內部空間體積V= 12 m3,啟用前車內溫度t1=-3 ℃,外界大氣壓強為p0=1.01×105 Pa,啟用后,某時刻監測到車內溫度
t2=27 ℃、負壓為-15 Pa(指車內與外界大氣壓p0的差值).
學習任務三
(1)試估算負壓排風凈化系統啟用后,負壓救護車內部空間減少的氣體質量與啟用前內部空間氣體總質量的比值;
學習任務三
[答案] 　
[解析] 氣體狀態參量:T1=(273.15-3) K=270.15 K，T2=(273.15+27) K=300.15 K
p1=p0，p2=p0-15 Pa，V=12 m3
以車內剩余氣體為研究對象,由理想氣體狀態方程得
得ΔV=1.2 m3
車內減少的氣體質量與啟用前車內氣體總質量之比
代入數據解得
(2)判斷在負壓排風凈化系統啟用過程中剩余氣體是吸熱還是放熱,并簡述原因.
學習任務三
[答案] 吸熱,原因見解析
[解析] 抽氣過程剩余氣體的溫度升高,內能增加,ΔU>0
剩余氣體體積增大對外做功,W<0,由熱力學第一定律ΔU=W+Q
可知Q=ΔU-W>0
氣體從外界吸收熱量.
變式3 [2023·南寧三中月考] 如圖所示,一定質量的理想氣體從狀態a經過等容、等溫、等壓三個過程,先后達到狀態b、c,再回到狀態a.下列說法正確的是(　)
A.在狀態a到狀態b的過程中氣體對外做功
B.在狀態a到狀態b的過程中氣體的內能減少
C.在狀態b到狀態c的過程中氣體對外界放熱
D.在狀態c到狀態a的過程中氣體的溫度降低
學習任務三
D
學習任務三
[解析]在狀態a到狀態b的過程中氣體體積不變,氣體不對外界做功,外界也不對氣體做功,選項A錯誤;
在狀態a到狀態b的過程中氣體的體積不變,壓強變大,則溫度升高,氣體的內能增加,選項B錯誤;
在狀態b到狀態c的過程中氣體溫度不變,內能不變,體積變大,對外做功,則氣體吸熱,選項C錯誤;
在狀態c到狀態a的過程中氣體的壓強不變,體積減小,
則溫度降低,選項D正確.
學習任務三
變式4 A、B汽缸的水平長度均為20 cm,截面積均為10 cm2,C是可在汽缸內無摩擦滑動、體積不計的活塞,K為閥門,整個裝置均由導熱材料制成且環境溫度恒定,開始閥門關閉,A內有壓強pA= 4.0 × 105 Pa的氮氣,B內有壓強pB= 2.0 × 105 Pa的氧氣,閥門打開后,活塞C向右移動,最后達到平衡,連通A、B的導管體積不計.下列說法正確的有 (　)
A.平衡后A汽缸內氣體的壓強為3.0 × 105 Pa
B.活塞C向右移動了10 cm
C.A汽缸內氣體要對外做功,同時放出熱量
D.若B汽缸抽成真空,打開閥門K,A汽缸中氣體要對外做功,要從外界吸熱
　A
學習任務三
[解析]設閥門打開后,活塞C向右移動了x,最后達到平衡時A、B內氣體的壓強均為p,A、B內氣體初始體積均為V0,則對A、B內氣體由玻意耳定律可得pAV0=p(V0+Sx),pBV0=p(V0-Sx),解得x= cm≈6.7 cm,
p=3.0×105 Pa,A正確,B錯誤;
因為整個裝置均由導熱材料制成且環境溫度恒定,所以氣體溫度保持不變,即氣體內能不變,即ΔU=0,又因為A內氣體膨脹,對外做功,即W<0,所以由熱力學第一定律ΔU=W+Q得Q>0,即A內氣體要從外界吸熱,C錯誤;
若B汽缸抽成真空,打開閥門K后,A汽缸中氣體膨脹過程對外不做功,又因為氣體內能不變,所以A內氣體既不需要從外界吸熱也不向外界放熱,D錯誤.
學習任務三
【要點總結】
1.氣體的狀態變化情況可以由圖像直接判斷或者結合三個氣體實驗定律和理想氣體狀態方程進行分析.
2.氣體的做功情況、內能變化以及吸、放熱關系的分析方法:
(1)利用體積的變化分析做功情況.一般情況下,氣體體積增大,氣體對外界做功;氣體體積減小,外界對氣體做功.
(2)利用溫度的變化分析理想氣體內能的變化.一定質量的理想氣體的內能僅與溫度有關,溫度升高,內能增大;溫度降低,內能減小.
(3)若已知氣體的做功情況和內能的變化情況,利用熱力學第一定律ΔU=W+Q,Q=ΔU-W,可判斷氣體狀態變化是吸熱過程還是放熱過程.
課堂小結
課后習題
1.用活塞壓縮汽缸里的空氣，對空氣做了900J的功，同時汽缸向外散熱210J，汽缸里空氣的內能改變了多少？
課后習題
2.如圖3.2-4，在汽缸內活塞左邊封閉著一定量的空氣，壓強與大氣壓相同。把汽缸和活塞固定，使汽缸內空氣升高一定的溫度，空氣吸收的熱量為Q1。如果讓活塞可以自由滑動（活塞與汽缸間無摩擦、不漏氣），也使汽缸內空氣溫度升高相同溫度，其吸收的熱量為Q2。（1）Q1和Q2哪個大些？
（2）氣體在定容下的比熱容與在定壓下的比熱容為什么會有不同？
課后習題
3.某風景區有一處約20層樓高的瀑布，甚為壯觀。請估計：瀑布上、下水潭的水溫因瀑布的機械能轉化成內能而相差多少？水的比熱容c為4.2×103J/（kg·℃）。
課后習題
4.奶牛的心臟停止跳動后，大約在1h內體溫由37.0℃降低到33.5℃。請你由此估算，在這種環境下飼養奶牛，要維持一個體重400kg奶牛的內能不變，每天喂養奶牛的食物至少要能為它提供多少熱量？計算時，可以認為奶牛體內絕大部分是水。水的比熱容c為4.2×103J/（kg·℃）。
課后習題
1.下面的設想符合能量守恒定律嗎？請簡述理由。
（1）利用永久磁鐵間的作用力，造一臺永遠轉動的機械。
（2）造一條沒有動力系統的船在水面上行駛。
（3）通過太陽照射飛機，使飛機不帶燃料也能飛行。
課后習題
2.有一瓶盛500mL的飲料罐，其標簽上注有“180kJ/100mL”的能量參考值。請你估算這瓶飲料的能量相當于一個成年人爬多少層樓所做的功。
課后習題
3.為測算太陽射到地面的輻射能，某校科技實驗小組的同學把一個橫截面積是300cm2的矮圓筒的內壁涂黑，外壁用保溫材料包裹，內裝水0.6kg。讓陽光垂直圓筒口照射2min后，水的溫度升高了1℃。請由此估算在陽光直射時地面上每平方米每分鐘接收的太陽能量。水的比熱容c為4.2×103J/（kg·℃）。

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