2018－2019学年高中物理第三章热力学第一定律第二节热力学第一定律讲义（含解析）粤教版选修3_3.doc

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1、- 1 -热力学第一定律1热力学第一定律的表达式为 U Q W，它不仅反映了做功和热传递这两种改变内能方式的等效性，也给出了功、热量跟内能改变量的定量关系。2应用热力学第一定律进行计算时，要遵循各物理量的符号规定， Q0，表示物体吸收热量， W0 表示外界对物体做功， U0，表示内能增加，当它们为负值时，都分别表示各自的相反过程。3在解决理想气体的等压膨胀过程问题时，热力学第一定律中各物理量符号为，W0， Q0，等压压缩时符号相反，在等容过程中， W0， U Q，在等温过程中， U0， W Q。4将打气筒的出气口堵住，用力将活塞下压，若对气体做功 10 J，气体通过筒壁向外放热 1 卡，则气体

2、的内能改变了 5.82 J(1 卡4.18 焦)。热力学第一定律1.热力学第一定律的研究对象研究功、热量跟内能的变化之间的定量关系。2热力学第一定律的内容及公式(1)内容：如果物体跟外界同时发生做功和热传递过程，那么，物体内能的增加 U 就等于物体吸收的热量 Q 和外界对物体做的功 W 之和。(2)公式： U W Q3对热力学第一定律的理解(1)热力学第一定律不仅反映了做功和热传递这两种改变内能的过程是等效的，而且给出了内能的变化量和做功与热传递之间的定量关系，此定律是标量式，应用时热量的单位应统一为国际单位制中的焦耳。- 2 -(2)对公式 U Q W 符号的规定：符号 W Q U 外界对物

3、体做功 物体吸收热量 内能增加 物体对外界做功 物体放出热量 内能减少(1)在绝热过程中， Q0， W U，外界对物体做的功等于物体内能的增加。(2)在应用热力学第一定律的过程中，应特别分清 W、 Q 的正、负，以便更准确地判断 U 的正、负， U 的正、负代表了变化过程中内能是增加的还是减少的。1下列说法正确的是( )A物体放出热量，其内能一定减小B物体对外做功，其内能一定减小C物体吸收热量，同时对外做功，其内能可能增加D物体放出热量，同时对外做功，其内能可能不变解析：选 C 由热力学第一定律 U W Q 可知，若物体放出热量，外界对物体做正功，则 U 不一定为负值，即内能不一定减小，故 A

4、 项错误；同理可分析出，B 项和 D 项错误，C 项正确。热力学第一定律应用举例1.理想气体的等压过程如图所示是一定质量气体的等压线，若气体从状态 A 变化到状态B，该过程是等压膨胀过程， V2V1， T2T1，体积增大，气体对外做功，W0，则由热力学第一定律有 Q U W0，气体吸收热量，吸收的热量一部分用来增加气体的内能，一部分转化为对外所做的功。若气体从状态 B 变化到状态 A，该过程为等压压缩，应有 W0， U0， Q0，气体吸收热量，吸收的热量全部用来对外做功。(1)做功情况往往和物体的体积变化相联系，一般情况下，体积增大时，对外做功，W0。(2)气体的状态变化时，往往要用到气体的实

5、验定律帮助分析体积和温度的变化情况，从而得到做功情况和内能的变化情况。2多选(2017全国卷)如图，用隔板将一绝热汽缸分 成两部分，隔板左侧充有理想气体，隔板右侧与绝热活塞之间是真 空。现将隔板抽开，气体会自发扩散至整个汽缸。待气体达到稳定后， 缓慢推压活塞，将气体压回到原来的体积。假设整个系统不漏气。下列说法正确的是( )A气体自发扩散前后内能相同B气体在被压缩的过程中内能增大C在自发扩散过程中，气体对外界做功D气体在被压缩的过程中，外界对气体做功E气体在被压缩的过程中，气体分子的平均动能不变解析：选 ABD 抽开隔板，气体自发扩散过程中，气体对外界不做功，与外界没有热交换，因此气体的内能不

6、变，A 项正确，C 项错误；气体在被压缩的过程中，外界对气体做功，D 项正确；由于气体与外界没有热交换，根据热力学第一定律可知，气体在被压缩的过程中内能增大，因此气体的温度升高，气体分子的平均动能增大，B 项正确，E 项错误。对热力学第一定律的理解例 1 一个带活塞的汽缸内盛有一定量的气体，若此气体的温度随其内能的增大而升高，则( )A将热量传给气体，其温度必升高B压缩气体，其温度升高C压缩气体，同时气体向外界放热，其温度必不变D压缩气体，同时将热量传给气体，其温度必升高解析 做功和热传递是改变物体内能的两种方式，据热力学第一定律 U Q W 可知，单一的对气体做功或气体吸收热量，其内能不一定

7、增加，但当气体既被压缩又同时吸热时，内能一定增加，温度一定升高。故选项 D 正确。答案 D- 4 -借 题发 挥做功和热传递在改变物体内能上是等效的，且它们可以同时进行，它们都可以使系统内能增加或减少，即温度升高或降低，也可以是一种方式使系统内能增加，另一种方式使系统内能减少，总之要看这两种方式的共同作用结果。热力学第一定律的应用例 2 多选(2017全国卷)如图，一定质量的理想气体 从状态 a 出发，经过等容过程 ab 到达状态 b，再经过等温过程 bc 到 达状态 c，最后经等压过程 ca 回到初态 a。下列说法正确的是( )A在过程 ab 中气体的内能增加B在过程 ca 中外界对气体做功

8、C在过程 ab 中气体对外界做功D在过程 bc 中气体从外界吸收热量E在过程 ca 中气体从外界吸收热量解析 ab 过程中气体压强增大，体积不变，则温度升高，内能增加，A 项正确； ab 过程发生等容变化，气体对外界不做功，C 项错误；一定质量的理想气体内能仅由温度决定，bc 过程发生等温变化，内能不变， bc 过程中气体体积增大，气体对外界做正功，根据热力学第一定律可知气体从外界吸收热量，D 项正确； ca 过程发生等压变化，气体体积减小，外界对气体做功，B 项正确； ca 过程中气体温度降低，内能减小，外界对气体做功，根据热力学第一定律可知气体向外界放热，E 项错误。答案 ABD借 题 发

9、 挥热力学第一定律的考查一般与气体的实验定律相结合，在进行计算时，除特别注意各物理量的正、负外，还要注意等压过程中压力做的功的求法，因等压过程中，气体压力恒定，压力所做功相当于恒力做功，即 W pS L p V。- 5 -1关于物体的内能及其变化，以下说法正确的是( )A物体的温度改变时，其内能必定改变B物体对外做功，其内能不一定改变，向物体传递热量，其内能也不一定改变C物体对外做功，其内能必定改变，物体向外传出一定热量，其内能必定改变D若物体与外界不发生热交换，则物体的内能必定不改变解析：选 B 温度变化物体的分子动能变化，但内能可能不变，A 错；改变内能有两种方式：做功和热传递，由热力学第

10、一定律可知 B 正确，C、D 错。2多选(2016全国卷)关于气体的内能，下列说法正确的是( )A质量和温度都相同的气体，内能一定相同B气体温度不变，整体运动速度越大，其内能越大C气体被压缩时，内能可能不变D一定量的某种理想气体的内能只与温度有关E一定量的某种理想气体在等压膨胀过程中，内能一定增加解析：选 CDE 气体的内能由物质的量、温度和体积决定，质量和温度都相同的气体，内能可能不同，A 错误。内能与物体的运动速度无关，B 错误。气体被压缩时，同时对外传热，根据热力学第一定律知内能可能不变，C 正确。一定量的某种理想气体的内能只与温度有关，D 正确。根据理想气体状态方程，一定量的某种理想气

11、体在压强不变的情况下，体积变大，则温度一定升高，内能一定增加，E 正确。3.多选如图，一绝热容器被隔板 K 隔成 a、 b 两部分。已知 a 内有一定量的稀薄气体，b 内为真空，抽开隔板 K 后 a 内气体进入 b，最终达到平衡状态。在此过程中( )A气体对外界做功，内能减少B气体不做功，内能不变C气体压强变小，温度降低D气体压强变小，温度不变解析：选 BD 绝热容器的稀薄气体与外界没有热传递， Q0，稀薄气体向真空扩散没有做功， W0。根据热力学第一定律稀薄气体的内能不变，则温度不变，A、C 错误，B 正确。稀薄气体扩散体积增大，压强必然减小，D 正确。4.如图是密闭的气缸，外力推动活塞 P

12、 压缩气体，对缸内气体 做- 6 -功 800 J，同时气体向外界放热 200 J，缸内气体的( )A温度升高，内能增加 600 JB温度升高，内能减少 200 JC温度降低，内能增加 600 JD温度降低，内能减少 200 J解析：选 A 由热力学第一定律， U Q W200 J800 J600 J，内能增加 600 J，则温度一定升高，A 正确。5.如图所示，某同学将空的薄金属筒开口向下压入水中。设水温均 匀且恒定，筒内空气无泄漏，不计气体分子间的相互作用，则被淹没的金 属筒在缓慢下降的过程中，筒内空气的体积减小并且( )A从外界吸热 B内能增大C向外界放热 D内能减小解析：选 C 筒缓慢

13、下降过程是等温过程，气体体积减小，外界对气体做正功， W 为正，又因为不计气体分子间的相互作用，气体内能仅由温度决定，温度不变， U0，由热力学第一定律 W Q U，知 Q U W，因此， Q 为负值，即向外界放热。故 C 正确。6密闭有空气的薄塑料瓶因降温而变扁，此过程中瓶内空气(不计分子势能)( )A内能增大，放出热量B内能减小，吸收热量C内能增大，对外界做功D内能减小，外界对其做功解析：选 D 不计分子势能时瓶内空气的内能只与其温度有关，温度降低时其内能减小。塑料瓶变扁时瓶内空气体积减小，外界对其做功。再由热力学第一定律知此过程中瓶内空气要放出热量，故只有 D 正确。7给旱区送水的消防车

14、停于水平面，在缓缓放水的过程中，若车胎不漏气，胎内气体温度不变，不计分子势能，则胎内气体( )A从外界吸热 B对外界做负功C分子平均动能减少 D内能增加解析：选 A 胎内气体经历了一个温度不变，压强减小，体积增大的过程。不计分子势能，温度不变，分子平均动能和内能不变。体积增大气体对外界做正功。根据热力学第一定律知气体一定从外界吸热，A 正确。8多选如图，水平放置的密封气缸内的气体被一竖直隔板分隔为左右两部分，隔板可在气缸内无摩擦滑动，右侧气体内有一电热丝。气缸壁和隔板均绝热。初始时隔板静止，左右两边气体温度相等。现给电热丝提供一微弱电流，通电一段时间后切断电源。当缸内气体再次达到平衡时，与初始

15、状态相比( )- 7 -A右边气体温度升高，左边气体温度不变B左右两边气体温度都升高C左边气体压强增大D右边气体内能的增加量等于电热丝放出的热量解析：选 BC 当电热丝通电后，右边的气体温度升高气体膨胀，将隔板向左推，对左边的气体做功，根据热力学第一定律，内能增加，气体的温度升高。根据气体定律左边的气体压强增大，A 错误，B、C 正确；右边气体内能的增加值为电热丝发出的热量减去对左边的气体所做的功，D 错。9多选(2017江苏高考)一定质量的理想气体从状态 A 经过状态 B 变化到状态 C，其VT 图像如图所示。下列说法正确的有( )A A B 的过程中，气体对外界做功B A B 的过程中，气

16、体放出热量C B C 的过程中，气体压强不变D A B C 的过程中，气体内能增加解析：选 BC 由题图可知，从 A 到 B 气体的体积减小，外界对气体做功，A 项错误；从A 到 B 过程气体的温度不变，内能不变，根据热力学第一定律可知，气体放出热量，B 项正确；从 B 到 C 过程中 是一个常数，气体发生的是等压变化，气体的温度降低，内能减少，CVT项正确，D 项错误。10.多选如图所示，密闭气缸左侧导热，其余部分绝热性能良好，绝热轻活塞 K 把气缸分隔成体积相等的两部分， K 与气缸壁的接触是光滑的，两部分中分别充有相同质量、相同温度的同种气体 a 和 b，气体分子之间相互作用势能可忽略，

17、当外界环境温度缓慢降低到某一值后， a、 b 各自达到新的平衡( )A a 的体积减小了，压强降低了B b 的温度降低了C散失热量后 a 的分子热运动比 b 的分子热运动激烈D a 减少的内能小于 b 减少的内能解析：选 AB 由于左侧导热，导致 a 部分内能减小，对挡板 K 的分子作用力变小，挡板向左运动， a 的体积减小了；同时， b 部分气体膨胀，压强变小，此时 a、 b 两部分压强相同，A 正确。 b 部分气体膨胀，对外做功，内能减小，温度降低，B 正确。挡板受力平衡， a 体积- 8 -小，单位时间内碰撞挡板的分子数多， a 部分单个分子的平均动能小于 b 部分的，就是说散失热量后

18、a 的分子热运动没有 b 的分子热运动激烈，C 错。同理，温度是气体分子平均动能的标志， a 的内能小于 b 的内能，D 错。11若对物体做 1 200 J 的功，可使物体温度升高 3 ，改用热传递的方式，使物体温度同样升高 3 ，那么物体应吸收多少热量？如果对该物体做 3 000 J 的功，物体的温度升高 5 ，表明该过程中，物体应吸收或放出多少热量？解析：做功和热传递在改变物体内能上是等效的，因此物体用做功方式温度升高 3 ，如用吸热方式，也使温度升高 3应吸收 1 200 J 的热量。由题意知：1 200 J cm3，物体温度升高 5时增加的内能 U cm5 5 J2 000 J，1 2

19、003由热力学第一定律有：Q U W(2 0003 000) J1 000 J，因此，物体放出 1 000 J 的热量。答案：1 200 J 放出 1 000 J 的热量12爆米花酥脆可口、老少皆宜，是许多人喜爱的休闲零食，如图为高压爆米花的装置原理图，玉米在铁质的密闭容器内被加热，迅速打开容器盖后，玉米粒就“爆炸”成了爆米花。设当地温度为 t127，大气压为 p0，已知密闭容器打开前的气体压强达到 4p0。试分析：(1)容器内的气体看作理想气体，求容器内气体的温度？(2)假定在一次打开的过程中，容器内气体膨胀对外界做功 15 kJ，并向外释放了 20 kJ的热量，容器内原有气体的内能如何变化？变化了多少？解析：(1)根据查理定律： p1T1 p2T2p1 p0， T1300 K， p24 p0。解得： T21 200 K， t2927。(2)由热力学第一定律 U Q W，得 U(20)(15) kJ35 kJ，故内能减少 35 kJ。答案：(1)927 (2)内能减少 35 kJ- 9 -