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7.1 热力学第一定律应用

热力学第一定律与热力学第二定律 · 高二
先确认一下:这一关能不能学
上面这几节是它的地基 —— 没通的话,补完再回来,比硬啃快得多。
讲清楚它是什么

定义 能量守恒在热学中的体现:系统内能变化等于吸收热量与外界做功之和。

从哪来 基于 5.2 状态方程 确定气体状态,结合 1.1 体积(V)、1.3 压强(p)、1.2 温度(T) 的变化分析做功与内能。

为什么 能量既不能凭空产生也不能凭空消失。对于气体系统,改变其内能(宏观表现为温度变化)只有两条途径:一是通过热传递(Q),二是通过宏观位移做功(W)。因此,内能的增量必然等于这两部分能量输入/输出的代数和。

讲法
能量收支账本法。 适合:形象思维强、对抽象公式恐惧的学生。 把气体想象成一个“钱包”。 1. 内能 (ΔU) 是钱包里的钱。 2. 吸热 (Q) 是别人给你的钱(正),放热是花出去的钱(负)。 3. 做功 (W) 是你搬砖赚的钱(外界对气体做功,正)或你请客花钱(气体对外做功,负)。 公式 $\Delta U = W + Q$ 就是:钱包现在的钱 = 搬砖赚的 + 别人给的。 *注意:高中物理通常规定外界对气体做功 W>0,气体对外做功 W<0;吸热 Q>0,放热 Q<0。*
微观碰撞动力学法**。 **适合:逻辑推理能力强、喜欢探究本质的学生。** 1. **内能本质
理想气体内能只由分子平均动能决定,即只由温度 T 决定。T 升高,ΔU > 0。 2. 做功本质:体积 V 变化导致分子撞击器壁频率/力度变化,宏观表现为力 F 乘以位移 x。 - 压缩 (V 减小):外界推活塞,对气体做正功,分子被挤压,碰撞更剧烈,T 升高。 - 膨胀 (V 增大):气体推活塞,对外做负功,分子动能转化为宏观机械能,T 降低。 3. 热传递本质:微观粒子间的无序碰撞传递能量,不改变宏观体积,只改变分子动能分布。 结论:无论过程多复杂,最终都归结为 T (内能) 与 V (做功) 和 Q (传热) 的平衡。
符号约定与流程图法**。 **适合:应试技巧型、容易混淆正负号的学生。** 建立严格的“判断-赋值”流程: 1. **看体积 V
- V 减小 → 外界对气体做功 → W > 0 - V 增大 → 气体对外做功 → W < 0 - V 不变 → W = 0 2. 看温度 T: - T 升高 → 内能增加 → ΔU > 0 - T 降低 → 内能减少 → ΔU < 0 - T 不变 → ΔU = 0 3. 求 Q: - 利用 $\Delta U = W + Q$ 移项求解。 - 若 Q > 0,吸热;若 Q < 0,放热。 *口诀:压功正,扩功负;温升内增,温降内减。*
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练一道
基础题
一定质量的理想气体,在体积不变的情况下,从状态 A 加热到状态 B,温度升高了 10K。已知该过程气体吸收了 500J 的热量。求: (1) 气体对外界做的功 W; (2) 气体内能的变化量 ΔU。
变式
一定质量的理想气体,从状态 A 变化到状态 B,体积从 $1.0\text{m}^3$ 膨胀到 $2.0\text{m}^3$,压强保持 $1.0 \times 10^5\text{Pa}$ 不变。已知此过程中气体内能减少了 5000J。求: (1) 气体对外界做的功; (2) 气体是吸热还是放热?热量是多少?
试试手自己判
检测题
一定质量的理想气体,在密闭容器中经历一个过程,体积减小,温度升高。请判断: (1) 气体内能如何变化? (2) 外界对气体做功还是气体对外界做功? (3) 气体是吸热还是放热?(提示:需结合前两点逻辑推导,无法确定具体数值,但可确定趋势)
看答案和判分标准
答案:1. 内能增加(因为温度升高,理想气体内能只由温度决定)。 2. 外界对气体做功(因为体积减小,W > 0)。 3. 无法确定吸放热(或者回答:可能吸热,也可能放热,取决于做功和内能变化的相对大小)。
判对标准:
- 答出“内能增加”得 1 分。
- 答出“外界对气体做功”得 1 分。
- 答出“无法确定”或“取决于做功与内能变化的大小关系”得 2 分。若直接断定吸热或放热,不得分。
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