选修热力学第一定律教案

第3节热力学第一定律

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1．知道热力学第一定律的内容及其表达式

2．理解能量守恒定律的内容

3．了解第一类永动机不可能制成的原因

诱思导学

1.热力学第一定律

（1）.一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的和。这个关系叫做热力学第一定律。

其数学表达式为：ΔU=W+Q

（2）.与热力学第一定律相匹配的符号法则

（3）热力学第一定律说明了做功和热传递是系统内能改变的量度，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=W+Q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.能量守恒定律

⑴.自然界存在着多种不同形式的运动，每种运动对应着一种形式的能量。如机械运动对应机械能；分子热运动对应内能；电磁运动对应电磁能。

⑵.不同形式的能量之间可以相互转化。摩擦可以将机械能转化为内能；炽热电灯发光可以将电能转化为光能。

⑶.能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中其总量不变。这就是能量守恒定律。

(4).热力学第一定律、机械能守恒定律都是能量守恒定律的具体体现。

(5).能量守恒定律适用于任何物理现象和物理过程。

(6). 能量守恒定律的重要意义

第一，能量守恒定律是支配整个自然界运动、发展、变化的普遍规律，学习这个定律，不能满足一般理解其内容，更重要的是，从能量形式的多样化及其相互联系，互相转化的事实出发去认识物质世界的多样性及其普遍联系，并切实树立能量既不会凭空产生，也不会凭空消失的观点，作为以后学习和生产实践中处理一切实际问题的基本指导思想之一。第二，宣告了第一类永动机的失败。

3.第一类永动机不可能制成

任何机器运动时只能将能量从一种形式转化为另一种形式，而不可能无中生有地创造能量，即第一类永动机是不可能制造出来的。

典例探究

例1.一定量的气体在某一过程中，外界对气体做了8×104J的功，气体的内能减少了1.2×105J，则下列各式中正确的是（）

A.W=8×104J，ΔU =1.2×105J ，Q=4×104J

B.W=8×104J，ΔU =－1.2×105J ，Q=－2×105J

C.W=－8×104J，ΔU =1.2×105J ，Q=2×104J

D.W=－8×104J，ΔU =－1.2×105J ，Q=－4×104J

解析：本题主要考查热力学第一定律的应用。因为外界对气体做功，W取正值，即W=8×104J；内能减少，ΔU取负值，即ΔU=－1.2×105J；根据ΔU=W+Q，可知Q=ΔU－W=－1.2×105－8×104=－2×105J，即B选项正确。

答案：B

友情提示：注意热力学第一定律关系式中各物理量的符号法则。

例2.一定质量的气体，在压缩过程中外界对气体做功300J，但这一过程中气体的内能减少了300J，问气体在此过程中是吸热还是放热？吸收（或放出）多少热量？

解析：由题意可知，W=300J，ΔU=－300J，根据热力学第一定律可得

Q=ΔU－W=－300J－300J=－600J

Q为负值表示气体放热，因此气体放出600J的热量。

友情提示：注意热力学第一定律关系式中各物理量的符号法则及其物理意义。

例3. 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）分子势能是增加还是减少？

（3）分子的平均动能是增加还是减少？

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=W+Q=（－6×105）+（4.2×105J）=－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）因为气体对外做功，所以气体的体积膨胀，分子间的距离增大了，分子力做负功，气体分子势能增加了。

（3）因为气体内能减少，同时气体分子势能增加，说明气体分子的平均动能一定减少了。

友情提示：本题以热力学第一定律关系式为起点，结合分子动理论中内能的定义，分析得出：①气体对外做功，体积膨胀，分子间的距离增大了，分子力做负功，气体分子势能增加了②气体内能减少，同时气体分子势能增加，说明气体分子的平均动能一定减少了。

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1.解析：由热力学第一定律ΔU=W+Q有ΔU=900J-210J=690J

2.解析：

(1)一定质量的封闭气体可以看作是理想气体，由理想气体的状态方程和热

力学第一定律可知：两种情况下内能的变化ΔU是相同的，即ΔU=Q

1，但ΔU=Q

2

-W，

所以Q

2>Q

1

。

(2)比热容是指单位质量的某种物质温度每升高1摄氏度所吸收的热量。由于等容过程中，温度升高，系统所吸收的热全部用来增加内能，而等压过程中，所吸收的热除增加内能外，还要多吸收一点热用来对外膨胀做功，所以气体等压下的比热容恒大于等容下的比热容。

3.解：设在阳光直射时地面上每平方米每分钟接受的太阳能量为Q

由能量守恒定律得：QSt=cmΔt

则Q= cm t St

代入数值得：Q=4.2×104J 4．解：由能量守恒定律得：mgh=cmΔt

Δt=gh

c

代入g=10m/s2,h=3×20m=60m,c= 4.2×103J/kg·℃

Δt=0.14℃

5．解：要使奶牛的内能不变，1h提供的热量

E= cmΔt= 4.2×103×400×3.5J=5.88×106J

故每天提供的热量E’ =24E=1.4×108J

6．解：物体吸收的能量一部分转化为物体的内能，使物体的内能增加，同时另一部分因物体膨胀要对外界做功。

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