高中物理課件：《熱力學(xué)第一定律》（滬科版選修3-3）

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,歡迎進(jìn)入物理課堂,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,【典例1】（2010福建高考）如圖所示，一定質(zhì)量的理想氣體密封在絕熱（即與外界不發(fā)生熱交換）容器中，容器內(nèi)裝有一可以活動的絕熱活塞.今對活塞施以一豎直向下的壓力F，使活塞緩慢向下移動一段距離后，氣體的體積減小.若忽略活塞與容器壁間的摩擦力，則被密封的氣體,A.溫度升高，壓強(qiáng)增大，內(nèi)能減少B.溫度降低，壓強(qiáng)增大，內(nèi)能減少C.溫度升高，壓強(qiáng)增大，內(nèi)能增加D.溫度降低，壓強(qiáng)減小，內(nèi)能增加,【思路點(diǎn)撥】明確研究對象是密閉的氣體,由動能和內(nèi)能的關(guān)系得出溫度的變化再利用理想氣體狀態(tài)方程求解.【標(biāo)準(zhǔn)解答】選C.由F對密閉的氣體做正功，容器及活塞絕熱則Q=0,由動能和內(nèi)能的關(guān)系知理想氣體內(nèi)能增加,溫度升高,再根據(jù)pV/T=C,V減小,p增大,故選C.,【變式訓(xùn)練】某校開展探究性課外活動，一同學(xué)用如圖所示的裝置研究氣體壓強(qiáng)、體積、溫度三量之間的變化關(guān)系，該同學(xué)選用導(dǎo)熱良好的汽缸,將其開口向下，內(nèi)裝理想氣體，并將汽缸固定不動，但缸內(nèi)活塞可自由滑動且不漏氣，他把一溫度計(jì)通過缸底小,孔插入缸內(nèi)，插口處密封良好，活塞下掛一個沙桶，沙桶裝滿沙子時活塞恰好靜止.他把沙桶底部鉆一個小洞，讓細(xì)沙慢慢漏出，外部環(huán)境溫度恒定.由此可確定（）A.外界對氣體做功，內(nèi)能增大B.外界對氣體做功，溫度計(jì)示數(shù)不變C.氣體體積減小，溫度計(jì)示數(shù)減小D.外界對氣體做功，溫度計(jì)示數(shù)增大,【解析】選B.細(xì)沙慢慢漏出，使活塞受到的拉力逐漸減小，在大氣壓力的作用下，活塞緩慢上移，此過程通過壓縮對缸內(nèi)氣體做功，有使其內(nèi)能增大、溫度升高的趨勢；由于汽缸導(dǎo)熱良好，且過程十分緩慢，使汽缸能夠及時與外界進(jìn)行熱交換而保持與外界環(huán)境溫度相同，由于外界環(huán)境溫度恒定，所以缸內(nèi)氣體溫度不變，內(nèi)能也就不變.,【典例2】(1)一定質(zhì)量的氣體從外界吸收了2.6105J的熱量，內(nèi)能增加了4.2105J，是氣體對外界做了功，還是外界對氣體做了功？做了多少功？(2)一定質(zhì)量的氣體從外界吸收了3.5105J的熱量，同時氣體對外界做功2.3105J，則氣體的內(nèi)能怎樣變化？【思路點(diǎn)撥】本題考查熱力學(xué)第一定律的表達(dá)式,應(yīng)首先根據(jù)符號法則，判斷已知量的正負(fù)號，再將其代入熱力學(xué)第一定律的表達(dá)式ΔU=W+Q中，求第三個量.,【標(biāo)準(zhǔn)解答】(1)根據(jù)熱力學(xué)第一定律表達(dá)式中的符號法則知Q=2.6105J，ΔU=4.2105J.由ΔU=W+Q,得W=ΔU-Q=4.2105J-2.6105J=1.6105J.W>0,說明是外界對氣體做了功.（2）Q=3.5105J,W=-2.3105J則ΔU=Q+W=1.2105JΔU為正值，說明氣體的內(nèi)能增加了1.2105J.答案：見標(biāo)準(zhǔn)解答,【變式訓(xùn)練】（2010重慶高考）給旱區(qū)送水的消防車停于水平面，在緩緩放水的過程中，若車胎不漏氣，胎內(nèi)氣體溫度不變，不計(jì)分子勢能，則胎內(nèi)氣體()A.從外界吸熱B.對外界做負(fù)功C.分子平均動能減少D.內(nèi)能增加,【解析】選A.由于緩緩放水,胎內(nèi)的氣體壓強(qiáng)變小，體積增大，對外做功，又因氣體的溫度不變，即氣體的內(nèi)能不變，由熱力學(xué)第一定律知，氣體要從外界吸熱，A正確.,1.如圖所示實(shí)驗(yàn)裝置，把浸有乙醚的一小塊棉花放在厚玻璃筒內(nèi)底部，當(dāng)很快向下壓活塞時，由于被壓縮氣體驟然變熱，溫度升高達(dá)到乙醚的燃點(diǎn)，使浸有乙醚的棉花燃燒起來，此實(shí)驗(yàn)的目的是要說明（）A.對物體做功可以增加物體的熱量B.對物體做功可以改變物體的內(nèi)能C.對物體做功一定會提高物體的溫度D.做功一定會增加物體的內(nèi)能,【解析】選B.熱量是一個過程量，內(nèi)能是一個狀態(tài)量，A錯；做功可能只增大系統(tǒng)分子勢能，使其內(nèi)能增大，但分子動能不變，其溫度不變，比如：兩塊0℃的冰相互摩擦?xí)r，冰熔化為0℃的水，C錯；若物體對外做功，其內(nèi)能可能會減少，D錯.,2.下列有關(guān)焦耳及焦耳實(shí)驗(yàn)的說法中正確的是（）A.焦耳是法國物理學(xué)家，他的主要貢獻(xiàn)是焦耳定律及熱功當(dāng)量B.焦耳實(shí)驗(yàn)用到的容器可以用普通玻璃杯代替C.焦耳實(shí)驗(yàn)的研究對象是容器中的水D.焦耳實(shí)驗(yàn)中要使容器及其中的水升高相同的溫度，實(shí)驗(yàn)中懸掛重物的質(zhì)量、下落的高度可以不相同，但做功必須相同,【解析】選D.焦耳是英國物理學(xué)家，A錯；焦耳實(shí)驗(yàn)的要求是絕熱系統(tǒng)，普通玻璃杯達(dá)不到絕熱要求，B錯；實(shí)驗(yàn)的研究對象是容器及其中的水組成的系統(tǒng)，C錯；要使同一些水（及容器）升高相同的溫度即內(nèi)能增加相同，必須做功相同，D對.,3.對于熱量、功和內(nèi)能三者的下列說法中正確的是（）A.三者單位相同，物理意義相同B.熱量和功是內(nèi)能的量度C.熱量和功由過程決定，而內(nèi)能由物體狀態(tài)決定D.系統(tǒng)內(nèi)能增加了100J，可能是外界采用絕熱方式對系統(tǒng)做功100J，也可能是外界單純地對系統(tǒng)傳熱100J,【解析】選C、D.熱量、功和內(nèi)能三者盡管單位相同，但物理意義有本質(zhì)區(qū)別，A錯.熱量和功由過程決定，內(nèi)能由物體狀態(tài)決定，熱量和功是內(nèi)能變化的量度，C對，B錯.對一個絕熱過程ΔU=W=100J，對一個單純熱傳遞過程ΔU=Q=100J，D對.,4．下列關(guān)于做功和熱傳遞的說法中正確的是（）A.做功和熱傳遞的實(shí)質(zhì)是相同的B.做功和熱傳遞在改變物體內(nèi)能上是等效的C.做功和熱傳遞是對同一過程中的兩種說法D.做功和熱傳遞是不可能同時發(fā)生的,【解析】選B.做功和熱傳遞在改變物體內(nèi)能上是等效的，但本質(zhì)不同，做功是將其他形式的能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能或?qū)?nèi)能轉(zhuǎn)化為其他形式的能；熱傳遞是將一個物體的內(nèi)能傳遞給另一個物體，且做功和熱傳遞可以同時進(jìn)行，故正確選項(xiàng)為B.,5.(2010全國高考)如圖，一絕熱容器被隔板K隔開成a、b兩部分.已知a內(nèi)有一定量的稀薄氣體，b內(nèi)為真空.抽開隔板K后，a內(nèi)氣體進(jìn)入b,最終達(dá)到平衡狀態(tài).在此過程中()A.氣體對外界做功，內(nèi)能減少B.氣體不做功，內(nèi)能不變C.氣體壓強(qiáng)變小，溫度降低D.氣體壓強(qiáng)變小，溫度不變,【解析】選B、D.a中的氣體向真空的b中擴(kuò)散時不做功，而容器又是絕熱的，故內(nèi)能不變，溫度不變，而氣體的體積變大，由玻意耳定律知，壓強(qiáng)變小,故B、D選項(xiàng)正確.,6.若對物體做1200J的功，可使物體溫度升高3℃，改用熱傳遞的方式，使物體溫度同樣升高3℃，那么物體應(yīng)吸收多少熱量？如果對該物體做3000J的功，物體的溫度升高5℃，表明該過程中，物體放出多少熱量？,【解析】做功和熱傳遞在改變物體內(nèi)能上是等效的，因此,用吸熱方式使溫度升高3℃，應(yīng)吸收1200J的熱量.對物體做功3000J，溫度升高5℃，設(shè)物體溫度升高5℃，需要的功或熱量為ΔE.1200J=cm3,ΔE=cm5,所以ΔE=2000J.因此物體放出1000J的熱量.答案：1200J1000J,一、選擇題（本大題共5小題，每小題5分，共25分，每小題至少一個選項(xiàng)符合題意）1.指出下面例子中通過熱傳遞改變物體內(nèi)能的是（）A.手感到冷時，搓搓手就會覺得暖和些B.擦火柴時，火柴頭上的紅磷溫度升高到紅磷的燃點(diǎn)，火柴燃燒起來C.物體在陽光照射下溫度升高D.反復(fù)彎折一根鐵絲，彎折的部分溫度升高,【解析】選C.A、B、D均是通過做功改變物體的內(nèi)能，C項(xiàng)是通過熱傳遞的方式之一熱輻射來改變物體內(nèi)能，故C項(xiàng)正確.,2.(2010濱州高二檢測)下列說法正確的是（）A.外界對氣體做功，氣體的內(nèi)能一定增大B.氣體從外界吸收熱量，氣體的內(nèi)能一定增大C.氣體的溫度越低，氣體分子無規(guī)則運(yùn)動的平均動能越大D.氣體的溫度越高，氣體分子無規(guī)則運(yùn)動的平均動能越大,【解析】選D.物體內(nèi)能的變化與做功和熱傳遞兩種因素有關(guān).外界對氣體做功，同時物體有可能向外界放出熱量，內(nèi)能也有可能不變甚至減小，故A項(xiàng)錯；同理，氣體從外界吸收熱量，同時也有可能對外界做功，氣體的內(nèi)能不一定增大，故B項(xiàng)錯；溫度是物體分子熱運(yùn)動平均動能的標(biāo)志，氣體的溫度越高，氣體分子無規(guī)則運(yùn)動的平均動能越大，故C項(xiàng)錯、D項(xiàng)正確.,,3.(2010廣東高考)如圖是密閉的汽缸，外力推動活塞P壓縮氣體，對缸內(nèi)氣體做功800J,同時氣體向外界放熱200J.缸內(nèi)氣體的（）A.溫度升高，內(nèi)能增加600JB.溫度升高，內(nèi)能減少200JC.溫度降低，內(nèi)能增加600JD.溫度降低，內(nèi)能減少200J,【解析】選A.由熱力學(xué)第一定律ΔU=W+Q知缸內(nèi)氣體的溫度升高，內(nèi)能增加600J.A選項(xiàng)正確.,4.地面附近有一正在上升的空氣團(tuán)，它與外界的熱交換忽略不計(jì).已知大氣壓強(qiáng)隨高度增加而降低，則該氣團(tuán)在此上升過程中（不計(jì)氣團(tuán)內(nèi)分子間的勢能）()A.體積減小，溫度降低B.體積減小，溫度不變C.體積增大，溫度降低D.體積增大，溫度不變,【解析】選C.本題考查對熱力學(xué)第一定律和內(nèi)能的理解；隨著空氣團(tuán)的上升，壓強(qiáng)減小，體積增大，空氣團(tuán)對外做功，則內(nèi)能減少，若只考慮分子動能，分子動能減小，溫度降低，故選C.,5.如圖所示，帶有活塞的汽缸中封閉一定質(zhì)量的理想氣體.將一個半導(dǎo)體NTC熱敏電阻R置于汽缸中，熱敏電阻與容器外的電源E和電流表組成閉合回路，汽缸和活塞具有良好的絕熱(與外界無熱交換)性能.熱敏電阻發(fā)熱不計(jì),若發(fā)現(xiàn)電流表的讀數(shù)增大時，以下判斷正確的是（）,A.氣體一定對外做功B.氣體體積一定增大C.氣體內(nèi)能一定增大D.氣體壓強(qiáng)一定增大【解析】選C、D.電流表讀數(shù)增大，說明熱敏電阻溫度升高，由于汽缸絕熱，故氣體溫度升高，則內(nèi)能一定增大，C正確；氣體壓強(qiáng)也一定增大，D正確.,二、非選擇題（本大題共3小題，共25分）6.（2009廣東高考）（5分）（1）遠(yuǎn)古時代，取火是一件困難的事，火一般產(chǎn)生于雷擊或磷的自燃.隨著人類文明的進(jìn)步，出現(xiàn)了“鉆木取火”等方法.“鉆木取火”是通過______方式改變物體的內(nèi)能，把_____轉(zhuǎn)變成內(nèi)能.,（2）某同學(xué)做了一個小實(shí)驗(yàn)：先把空的燒瓶放到冰箱冷凍，一小時后取出燒瓶，并迅速把一個氣球緊密地套在瓶頸上，然后把燒瓶放進(jìn)盛滿熱水的燒杯里，氣球逐漸膨脹起來，如圖.這是因?yàn)闊坷锏臍怏w吸收了水的______，溫度______，體積______.,【解析】（1）“鉆木取火”是通過做功的方式來改變物體的內(nèi)能，該過程是把機(jī)械能轉(zhuǎn)變成內(nèi)能.（2）氣球膨脹起來的原因是通過熱傳遞的方式，氣體吸收了水的熱量，使自身溫度升高，體積增大.答案：（1）做功機(jī)械能（2）熱量升高增大,7.（10分）一定質(zhì)量的氣體，在從一個狀態(tài)變化到另一個狀態(tài)的過程中，吸收熱量280J，并對外做功120J，試問：（1）這些氣體的內(nèi)能發(fā)生了怎樣的變化？（2）如果這些氣體又返回原來的狀態(tài)，并放出了240J熱量，那么在返回的過程中是氣體對外界做功，還是外界對氣體做功？做多少功？,【解析】（1）由熱力學(xué)第一定律可得ΔU=W+Q=-120J+280J=160J.（2）由于氣體的內(nèi)能僅與狀態(tài)有關(guān)，所以氣體回到原來狀態(tài)的過程中內(nèi)能的變化應(yīng)等于從原來狀態(tài)到現(xiàn)在狀態(tài)過程中內(nèi)能的變化，則從現(xiàn)在狀態(tài)到原來狀態(tài)的內(nèi)能應(yīng)減少160J，即ΔU′=-160J，又Q′=-240J，根據(jù)熱力學(xué)第一定律得：ΔU′=W′+Q′所以W′=ΔU′-Q′=-160J-（-240J）=80J即外界對氣體做功80J.,答案：（1）增加了160J（2）外界對氣體做功80J,8.（10分）如圖所示是用導(dǎo)熱性能良好的材料制成的氣體實(shí)驗(yàn)裝置，開始時封閉的空氣柱長度為22cm,現(xiàn)在用豎直向下的外力F壓縮氣體，使封閉空氣柱長度變?yōu)?cm,人對活塞做功100J,大氣壓強(qiáng)為p0=1105Pa，不計(jì)活塞重力.問：,(1)若用足夠長的時間緩慢壓縮氣體，求壓縮后氣體的壓強(qiáng)多大？（2）若以適當(dāng)?shù)乃俣葔嚎s氣體，向外散失的熱量為20J,則氣體的內(nèi)能增加多少？（活塞的橫截面積S=1cm2),【解析】（1）設(shè)壓縮后氣體的壓強(qiáng)為p，活塞的橫截面積為S,L0=22cm,L=2cm,V0=L0S,V=LS緩慢壓縮氣體,溫度不變，由玻意耳定律得：p0V0=pV解得：p=1.1106Pa.(2)大氣壓力對活塞做功：W1=p0S(L0-L)=2J人對活塞做功W2=100J,由熱力學(xué)第一定律:ΔU=W1+W2+Q,將Q=-20J代入解得ΔU=82J.答案：（1）1.1106Pa(2)82J,1．在給自行車打氣時，常會發(fā)現(xiàn)輪胎內(nèi)空氣溫度升高，這是因?yàn)椋ǎ〢.胎內(nèi)氣體壓強(qiáng)不斷增大，而容積不變B.輪胎從外界吸熱C.外界空氣溫度本來就高于胎內(nèi)氣溫度D.打氣時外界不斷地對胎內(nèi)氣體做功,【解析】選D.給自行車輪胎打氣時，人要不斷地把空氣壓入輪胎內(nèi)，其實(shí)是通過壓縮不斷不停地對氣體做功，使其內(nèi)能增大，溫度也隨之升高，選項(xiàng)D正確.,2.A、B兩裝置，均由一支一端封閉，一端開口且?guī)в胁Ａ莸墓軤钊萜骱退劢M成，除玻璃泡在管上的位置不同外，其他條件相同.將兩管抽成真空后，開口向下豎直插入水銀槽中（插入過程沒有空氣進(jìn)入管內(nèi)），水銀柱上升至如圖所示位置停止.假設(shè)這一過程中水銀與外界沒有熱量交換，則下列說法正確的是（）,A.A中水銀的內(nèi)能增量大于B中水銀的內(nèi)能增量B.B中水銀的內(nèi)能增量大于A中水銀的內(nèi)能增量C.A和B中水銀體積保持不變，故內(nèi)能增量相同D.A和B中水銀溫度始終相同，故內(nèi)能增量相同,【解析】選B.由于是絕熱過程，所以水銀的內(nèi)能增量應(yīng)該根據(jù)做功情況來判斷；由于管內(nèi)真空，可知圖中水銀柱的豎直高度相同，則它們的質(zhì)量（m）、體積（V）也就相同，管外水銀面下降的高度（l）也就相同.,管中水銀柱上升的過程，就是管外大氣壓力做功的過程，做功的大小W=Fl=p0Sl，因?yàn)镾A=SB（管外水銀的表面積），lA=lB，所以大氣壓力對水銀做的功相等，即WA=WB，根據(jù)能量的轉(zhuǎn)化情況，大氣壓力做的功一部分轉(zhuǎn)化成水銀柱的重力勢能，一部分轉(zhuǎn)化成內(nèi)能，所以有W=mgh+ΔU.對管內(nèi)水銀柱，由于玻璃泡的位置不同，可知管內(nèi)水銀柱重心的高度不同，有hA>hB.綜合以上分析，ΔUA<ΔUB.即B中水銀的內(nèi)能增量大于A中水銀的內(nèi)能增量.,3.關(guān)于熱傳遞，下列說法正確的是（）A.熱傳遞的實(shí)質(zhì)是溫度的傳遞B.物體間存在著溫度差，才能發(fā)生熱傳遞C.熱傳遞可以在任何情況下進(jìn)行D.物體內(nèi)能發(fā)生改變，一定是吸收或放出了熱量,【解析】選B.熱傳遞的實(shí)質(zhì)是物體間內(nèi)能的轉(zhuǎn)移，故A錯.熱傳遞的條件是物體間存在著溫度差，高溫物體放出熱量，低溫物體吸收熱量，若兩物體溫度相同，它們之間便不會發(fā)生熱傳遞，故B對、C錯.物體吸收或放出熱量，內(nèi)能可能會發(fā)生變化，但內(nèi)能變化不一定是熱傳遞引起的，可以是做功的方式，故D錯.,4.一個氣泡從恒溫水槽的底部緩慢向上浮起，若不計(jì)氣泡內(nèi)空氣分子勢能的變化,則（）A.氣泡對外做功，內(nèi)能不變，同時放熱B.氣泡對外做功，內(nèi)能不變，同時吸熱C.氣泡內(nèi)能減少，同時放熱D.氣泡內(nèi)能不變，不吸熱也不放熱,【解析】選B.在氣泡緩慢上升的過程中，氣泡外部的壓強(qiáng)逐漸減小，氣泡膨脹，對外做功，故氣泡中空氣分子的內(nèi)能減小，溫度降低.但由于外部恒溫，且氣泡緩慢上升，故可以認(rèn)為上升過程中氣泡內(nèi)空氣的溫度始終等于外界溫度，內(nèi)能不變，故需從外界吸收熱量，且吸收的熱量等于對外界所做的功.,5.如圖,活塞將汽缸分成兩氣室，汽缸、活塞（連同拉桿）是絕熱的，且汽缸不漏氣，以E甲、E乙分別表示甲、乙兩氣體的內(nèi)能，則在用一定的拉力將拉桿緩慢向外拉的過程中（）A.E甲不變，E乙不變B.E甲減小，E乙增大C.E甲與E乙總量不變D.E甲與E乙總量增加,【解析】選B、D.用力緩慢地拉拉桿的過程中，由于各部分均絕熱，所以由甲氣體體積增加，乙氣體體積減小可得：E甲減小，E乙增大，A錯誤，B正確；又因?yàn)檎麄€過程是外界對氣體做正功，所以氣體的總內(nèi)能應(yīng)該增加，所以C錯，D對.,6.將兩塊-10℃的冰塊互相摩擦，兩者之間摩擦力保持10N，兩者相對速度為0.9m/s，若摩擦產(chǎn)生的能量全部被冰塊吸收，問5min后冰塊增加的內(nèi)能是多少？若改用煤油爐加熱，需要燃燒多少煤油？（已知煤油爐效率是30%，煤油的燃燒值為4.5107J/kg）,【解析】做功和熱傳遞在改變物體內(nèi)能上是等效的.做功增加冰塊的內(nèi)能與煤油燃燒傳遞給冰的內(nèi)能相等.（1）已知f=10N，v=0.9m/s，t=300s，則摩擦力做功為：W=fvt=100.9300J=2700JΔE=W，故ΔE=2700J，冰的內(nèi)能增加2700J.,（2）改用煤油爐加熱，其傳遞給冰塊的熱量等于摩擦力做功產(chǎn)生的熱量，已知q=4.5107J/kg根據(jù)W=ηqm得答案：（1）2700J（2）2.010-4kg,本部分內(nèi)容講解結(jié)束,同學(xué)們,來學(xué)校和回家的路上要注意安全,同學(xué)們,來學(xué)校和回家的路上要注意安全,