2019-2020學年高中物理 第5章 熱力學定律 第1節(jié) 熱力學第一定律學案 魯科版選修3-3

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1、第1節(jié)　熱力學第一定律 　1.了解熱力學第一定律．(重點)　2.會用ΔU＝W＋Q解決一些簡單問題．(重點＋難點) 3．知道第一類永動機不可能制成． 一、熱力學第一定律及其應用 1．改變物體內能的兩種方式：做功和熱傳遞． 2．物體內能的改變 (1)如果物體與外界無熱傳遞，若外界對物體做功，則物體的內能增加；若物體對外做功，物體的內能減少． (2)如果物體既不對外做功，外界也不對物體做功，則物體吸收熱量時，它的內能增加；物體放出熱量時，它的內能減少． 3．熱力學第一定律 (1)內容：物體內能的增加量ΔU等于外界對物體所做的功W與物體從外界吸收的熱量Q之和． (2)表達式：Δ

2、U＝W＋Q． (3)符號規(guī)則：物體從外界吸熱時Q為正值，即Q>0，物體向外界放熱時Q為負值，即Q<0；外界對物體做功時W為正值，即W>0，物體對外界做功時W為負值，即W<0；物體的內能增加時ΔU為正值，即ΔU>0，物體的內能減少時ΔU為負值，即ΔU<0. (4)意義：一個物體內能增加，必定有其他物體對它做功，或向它傳遞熱量．與此同時，對此物體做功或向它傳熱的其他物體要減少等量的能量，而系統(tǒng)的總能量保持不變．在一切涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程中，能量可以發(fā)生轉移或轉化，在轉移或轉化過程中總能量守恒． (1)外界對系統(tǒng)做功，系統(tǒng)的內能一定增加．(　　) (2)系統(tǒng)內能增加，一定是系統(tǒng)從外界吸收

3、熱量．(　　) (3)系統(tǒng)從外界吸收熱量5 J，內能可能增加5 J．(　　) (4)系統(tǒng)內能減少，一定是系統(tǒng)對外界做功．(　　) 提示：(1)×　(2)×　(3)√　(4)× 二、第一類永動機 1．概念：不消耗任何能量而能永遠對外做功的機器． 2．結果：17～18世紀，人們提出了許多永動機設計方案，但都以失敗而告終． 3．原因：設想能量能夠無中生有地創(chuàng)造出來，違背了熱力學第一定律． 4．啟示：人類利用和改造自然時，必須遵循自然規(guī)律． 有一種所謂“全自動”機械手表，既不需要上發(fā)條，也不用任何電源，卻能不停地走下去．這是不是一種永動機？如果不是，維持表針走動的能量是從哪兒

4、來的？ 提示：這不是永動機．是通過手臂的擺動獲得能量． 　改變物體內能的兩種方式的比較 1．絕熱過程：物體只由于外界對它做功而與外界交換能量，它不從外界吸熱，也不向外界放熱，這樣的過程叫做絕熱過程． 2．功和內能變化的關系：當物體從某一狀態(tài)經(jīng)過絕熱過程達到另一狀態(tài)時，內能的增加量ΔU就等于外界對物體所做的功W，用公式表示為：ΔU＝U2－U1＝W. 在絕熱過程中，外界對物體做功，物體的內能增加，外界對物體做多少功，物體的內能就增加多少；物體對外界做功，物體的內能減少，物體對外界做多少功，物體的內能就減少多少．物體在絕熱過程中，外界對物體所做的功僅由過程的始、末兩個狀態(tài)決定，不依賴于

5、做功的具體過程和方式，這一點與在力學中重力做的功僅由物體的起點和終點兩個位置決定，而與物體的運動路徑無關相類似． 3．熱傳遞和內能變化的關系 熱傳遞是相互接觸的兩個物體(或同一物體的不同部分之間)，由于溫度不同，會自發(fā)地將熱量從高溫物體傳到低溫物體的過程(或從同一物體的高溫部分傳到低溫部分)，熱傳遞的條件是兩物體或同一物體的不同部分之間存在溫度差． 熱傳遞也可以改變物體的內能．物體吸收了熱量，分子熱運動變得劇烈，分子平均動能就增加，物體的內能增大，反之物體的內能就減少．在只有熱傳遞的情況下，系統(tǒng)由狀態(tài)1到達狀態(tài)2，內能增量為ΔU＝U2－U1，吸收的熱量即ΔU＝Q，也就是說：物體吸收熱量，

6、內能增加，物體放出放量，內能減少，并且內能的變化量等于物體吸收或放出的熱量． 　(1)內能是狀態(tài)量，一個物體在不同的狀態(tài)下可以有不同的內能． (2)熱量是過程量，它表示由于熱傳遞而引起的變化過程中傳遞的能量． 　下列說法正確的是(　　) A．物體放出熱量，其內能一定減小 B．物體對外做功，其內能一定減小 C．物體吸收熱量，同時對外做功，其內能可能增加 D．物體放出熱量，同時對外做功，其內能可能不變 [解析]　根據(jù)熱力學第一定律(公式ΔU＝Q＋W)可知，做功和熱傳遞都可以改變物體的內能，當外界對物體做的功大于物體放出的熱量或物體吸收的熱量大于物體對外做的功時，物體的內能增加，選項

7、A、B錯誤，選項C正確；物體放出熱量同時對外做功，則Q＋W<0，內能減小，選項D錯誤． [答案]　C 　在墻壁與外界無熱傳遞的封閉房間里，夏天為了降低溫度，同時打開電冰箱和電風扇，兩電器工作較長時間后，房內的氣溫將會怎樣變化？并說明原因． 解析：電冰箱是把里面的熱量轉移到外面，達到降溫的效果；電風扇是通過風扇轉動，帶動空氣流動，使身體汗液蒸發(fā)起到對人體降溫的作用．但從總體上，電冰箱、電風扇消耗的電能最后都轉化為內能，因而房內溫度升高． 答案：見解析 　對熱力學第一定律的理解 1．熱力學第一定律的研究對象：研究功、熱量跟內能的變化之間的定量關系． 2．熱力學第一定律的表達式 我們

8、知道，做功和熱傳遞都可以改變物體的內能．在一般情況下，如果物體跟外界同時發(fā)生做功和熱傳遞的過程，那么，外界對物體所做的功W加上物體從外界吸收的熱量Q等于物體內能的增量ΔU，即ΔU＝Q＋W. 上式所表示的功、熱量跟內能改變之間的關系，叫做熱力學第一定律． 3．對于理想氣體，常把熱力學第一定律與理想氣體狀態(tài)方程結合起來分析其狀態(tài)變化規(guī)律，常見的分析思路如下： (1)利用體積的變化分析做功問題．氣體體積增大，對外做功；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，內能增加；溫度降低，內能減?。? (3)利用熱力學第

9、一定律判斷是吸熱還是放熱． 由熱力學第一定律ΔU＝W＋Q，則Q＝ΔU－W，若已知氣體的做功情況和內能的變化情況，即可判斷氣體狀態(tài)變化是吸熱過程還是放熱過程． 　應用熱力學第一定律解題，一定要弄清熱學過程中物理量W、Q、ΔU的正、負號，防止公式ΔU＝W＋Q中因符號不清楚而出錯． 命題視角1　用熱力學第一定律定性分析 　密閉有空氣的薄塑料瓶因降溫而變扁，此過程中瓶內空氣(不計分子勢能)(　　) A．內能減小，外界對其做功 B．內能減小，吸收熱量 C．內能增大，對外界做功 D．內能增大，放出熱量 [解析]　密閉有空氣的薄塑料瓶降溫說明氣體的內能減小，薄塑料瓶變扁說明外界對氣體做功

10、；由熱力學第一定律可知，氣體在變化過程中放出熱量，所以選項A正確． [答案]　A 命題視角2　用熱力學第一定律進行定量計算 　一定質量的氣體，在從一個狀態(tài)變化到另一個狀態(tài)的過程中，吸收熱量280 J，并對外做功120 J，試問： (1)這些氣體的內能發(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240 J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？做功多少？ [思路點撥]　根據(jù)熱力學第一定律進行計算． [解析]　(1)由熱力學第一定律可得 ΔU＝W＋Q＝－120 J＋280 J＝160 J， 即氣體內能增加了160 J. (2)由于氣體

11、的內能僅與狀態(tài)有關，所以氣體從②狀態(tài)回到①狀態(tài)過程中內能的變化應等于從①狀態(tài)到②狀態(tài)過程中內能的變化，則從②狀態(tài)到①狀態(tài)的內能應減少160 J，即ΔU′＝－160 J，又Q′＝－240 J 根據(jù)熱力學第一定律得：ΔU′＝W′＋Q′ 所以W′＝ΔU′－Q′＝－160 J－(－240 J)＝80 J 即外界對氣體做功80 J. [答案]　(1)內能增加了160 J　(2)外界對氣體做功　80 J 命題視角3　熱力學第一定律與理想氣體狀態(tài)方程的綜合應用 　(多選)對于一定質量的理想氣體，下列說法正確的是(　　) A．加熱壓縮，溫度一定升高，壓強一定增大 B．加熱膨脹，溫度一定升高，

12、壓強一定減小 C．若溫度降低，壓強增大，則一定吸收熱量 D．若膨脹過程中壓強增大，則一定吸收熱量 [解析]　對A項：ΔU↑ 又p↑，故A正確． 對B項：ΔU無法確定，T無法確定，由＝C知，p變化無法確定，故B錯誤． 對C項：V↓， Q<0，放熱，故C錯誤． 對D項：膨脹T↑， 又Q>0，吸熱，故D正確． [答案]　AD 【通關練習】 1．一定量的理想氣體在某一過程中，從外界吸收熱量2.5×104 J，氣體對外界做功1.0×104 J，則該理想氣體的(　　) A．溫度降低，密度增大 B．溫度降低，密度減小 C．溫度升高，密度增大 D．溫度升高，密度減小 解析：

13、選D.由熱力學第一定律ΔU＝W＋Q得：ΔU＝－1.0×104 J＋2.5×104 J＝1.5×104 J，因此氣體的內能增大，故溫度升高，又因氣體對外做功，體積增大，故密度減?。? 2． 如圖，一定質量的理想氣體，由狀態(tài)a經(jīng)過ab過程到達狀態(tài)b或者經(jīng)過ac過程到達狀態(tài)c.設氣體在狀態(tài)b和狀態(tài)c的溫度分別為Tb和Tc，在過程ab和ac中吸收的熱量分別為Qab和Qac，則(　　) A．Tb>Tc，Qab>Qac　　　　　　 B．Tb>Tc，QabQac D．Tb＝Tc，Qab

14、、c狀態(tài)內能相等，因a到b和a到c的ΔU相同；而a到c過程中氣體體積不變，W＝0，a到b過程中氣體膨脹對外做功，W＜0，根據(jù)熱力學第一定律：ΔU＝Q＋W可知a到b的吸熱Qab大于a到c的吸熱Qac，即Qab＞Qac.選項C正確． [隨堂檢測] 1．下列關于做功和熱傳遞的說法中正確的是(　　) A．做功和熱傳遞的實質是相同的 B．做功和熱傳遞在改變物體內能上是等效的 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能上是等效的，但本質不同，做功是將其他形式的能轉化為內能或將內能轉化為其他形式的能；熱傳遞是將一個物

15、體的內能傳遞給另一個物體，且做功和熱傳遞可以同時進行，故正確選項為B. 2．重慶出租車常以天然氣作為燃料，加氣站儲氣罐中天然氣的溫度隨氣溫升高的過程中，若儲氣罐內氣體體積及質量均不變，則罐內氣體(可視為理想氣體)(　　) A．壓強增大，內能減小 B．吸收熱量，內能增大 C．壓強減小，分子平均動能增大 D．對外做功，分子平均動能減小 解析：選B.儲氣罐內氣體體積及質量均不變，溫度升高，氣體從外界吸收熱量，分子平均動能增大，內能增大，壓強變大．因氣體體積不變，故外界對氣體不做功，只有B正確． 3．絕熱過程中，外界壓縮氣體做功20 J，下列說法中正確的是(　　) A．氣體內能一定增加

16、20 J B．氣體內能增加一定小于20 J C．氣體內能增加可能小于20 J D．氣體內能可能不變 解析：選A.絕熱過程中有ΔU＝W＝20 J，所以氣體內能一定增加20 J. 4．如圖是密閉的汽缸，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，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：選A.由熱力學第一定律知：由W＋Q＝ΔU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＝

17、600 J>0，故溫度一定升高，故A選項正確． [課時作業(yè)] 一、單項選擇題 1．關于物體內能的變化情況的說法正確的是(　　) A．吸熱的物體的內能一定增加 B．體積膨脹的物體的內能一定減少 C．外界對物體做功，其內能一定增加 D．絕熱壓縮物體，其內能一定增加 解析：選D.改變物體內能的途徑有兩種：做功和熱傳遞．在其中一種改變內能的途徑不確定的情況下，不能根據(jù)另一種改變內能途徑的情況判斷物體內能的變化． 2．給旱區(qū)送水的消防車停于水平地面，在緩慢放水過程中，若車胎不漏氣，胎內氣體溫度不變，不計分子間勢能，則胎內氣體(　　) A．從外界吸熱　　　　　　 B．對外界做負功 C

18、．分子平均動能減小 D．內能增加 解析：選A.緩慢放水過程中，胎內氣體體積增大、溫度不變，由于不計分子勢能，內能不變，故分子平均動能不變，選項C、D錯誤；由體積增大可知氣體對外界做正功，或克服外界做功，選項B錯誤．由ΔU＝W＋Q知ΔU＝0，W<0，故Q>0，氣體從外界吸熱，選項A正確．故選A. 3．一定質量的理想氣體，從某一狀態(tài)開始，經(jīng)過一系列變化后又回到開始的狀態(tài)，用W1表示外界對氣體做的功，W2表示氣體對外界做的功，Q1表示氣體吸收的熱量，Q2表示氣體放出的熱量，則在整個過程中一定有(　　) A．Q1－Q2＝W2－W1　　　 B．Q1＝Q2 C．W1＝W2 D．Q1>Q2

19、 解析：選A.解答本題的切入點是，對一定質量的理想氣體，在某一狀態(tài)下其內能是確定的．首先，對一定質量的理想氣體，經(jīng)過一系列的狀態(tài)變化后又回到原狀態(tài)，表明整個過程中內能的變化為零，即通過做功和熱傳遞引起的內能變化相互抵消，所以A選項正確． 4．景頗族的祖先發(fā)明的點火器如圖所示，用牛角做套筒，木質推桿前端粘著艾絨．猛推推桿，艾絨即可點燃，對筒內封閉的氣體，在此壓縮過程中(　　) A．氣體溫度升高，壓強不變 B．氣體溫度升高，壓強變大 C．氣體對外界做正功，氣體內能增加 D．外界對氣體做正功，氣體內能減少 解析：選B.氣體體積減小，故外界對氣體做正功，做功時間短，故可認為無熱傳遞，由

20、ΔU＝W＋Q，W>0，氣體內能增加，溫度上升．由＝C可知，溫度上升體積減小，壓強必增大． 5.如圖所示，在豎直放置的圓柱容器內，用活塞密封一部分氣體，活塞質量為m，容器的橫截面積為S，活塞與容器壁間無摩擦，平衡時容器內的密閉氣體的壓強為p，外界大氣壓恒為p0.當氣體從外界吸收熱量Q、活塞升高h后再次平衡(可認為氣體壓強恒為p不變)．則在此過程中密閉氣體增加的內能等于(　　) A．Q B．Q－mgh C．Q－mgh－p0Sh D．Q－mgh＋p0Sh 解析：選C.氣體前后兩個狀態(tài)用1和2表示，對應內能為U1和U2，當氣體從狀態(tài)1變化到狀態(tài)2時，能流圖如圖所示．從能流圖可以看出：Δ

21、U＝Q－W＝Q－mgh－p0Sh. 6．如圖，容器A、B各有一個可以自由移動的輕活塞，活塞下面是水，上面是大氣，大氣壓恒定．A、B的底部由帶閥門K的管道相連，整個裝置與外界絕熱．原先A中水面比B中的高，打開閥門，使A中的水逐漸向B中流動，最后達到平衡．在這個過程中(　　) A．大氣壓對水不做功，水的內能減少 B．水克服大氣壓做功，水的內能減少 C．大氣壓對水不做功，水的內能不變 D．大氣壓對水不做功，水的內能增加 解析：選D.打開閥門K，使A中的水逐漸流向B中，最后水面持平，A中水面下降hA，B中水面上升hB，相當于A端SAhA體積的水移到B端，且SAhA＝SBhB，這部分

22、水的重心降低，重力對水做正功，重力勢能減小了．大氣壓力做功情況是大氣壓對A容器中的水做正功，對B容器中的水做負功．所以，大氣壓力對水做的總功為p0SAhA－p0SBhB，由于SAhA＝SBhB，所以大氣壓對水做的總功為零，又由于系統(tǒng)絕熱，與外界沒有熱交換，只有水重力做功，重力勢能轉化為內能，故選項D正確． 二、多項選擇題 7．用密封性好、充滿氣體的塑料袋包裹易碎品，如圖所示，充氣袋四周被擠壓時，假設袋內氣體與外界無熱交換，則袋內氣體(　　) A．體積減小，內能增大 B．體積減小，壓強減小 C．對外界做負功，內能增大 D．對外界做正功，壓強減小 解析：選AC.實際氣體在溫度不太

23、低、壓強不太大時可看作理想氣體．充氣袋被擠壓，氣體體積減小，外界對氣體做正功，則W>0，即氣體對外界做負功，由于袋內氣體與外界無熱交換，即Q＝0，根據(jù)熱力學第一定律ΔU＝W＋Q知，內能增大，溫度升高，選項A、C正確；根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程＝C可判斷壓強一定增大，選項B、D錯誤． 8． 實驗室內，某同學用導熱性能良好的汽缸和活塞將一定質量的理想氣體封閉在汽缸內(活塞與汽缸壁之間無摩擦)，待活塞靜止后，再用一個裝有與室溫溫度相同的水的小滴管貼近活塞，將滴管內的水緩慢滴注在活塞上方，如圖所示．在此過程中，若大氣壓強與室內的溫度均保持不變，則下列說法正確的是(　　) A．單位時間內，缸內氣體分子對活

24、塞撞擊的次數(shù)保持不變 B．汽缸內氣體的內能不變 C．外界對缸內氣體做的功等于缸內氣體向外界釋放的熱量 D．外界對缸內氣體做的功等于缸內氣體增加的內能 解析：選BC.此過程是等溫變化，即內能不變，根據(jù)熱力學第一定律可知外界對缸內氣體做的功等于缸內氣體向外界釋放的熱量，故B、C正確、D錯誤；此過程壓強增大體積縮小，由壓強的微觀含義可知A錯誤． 9．下列關于第一類永動機的說法正確的是(　　) A．第一類永動機是不消耗任何能量卻能源源不斷地對外做功的機器 B．第一類永動機不能制成的原因是違背了熱力學第一定律 C．第一類永動機不能制成的原因是技術問題 D．第一類永動機不能制成的原因是違

25、背了能量守恒定律 解析：選AD.第一類永動機是不消耗任何能量卻能源源不斷對外做功的機器，這是人們的美好愿望，但它違背了能量守恒定律．這也是它不能制成的原因．故A、D兩項正確，B、C兩項錯誤． 10.如圖所示，a、b、c、d表示一定質量的理想氣體狀態(tài)變化過程中的四個狀態(tài)，圖中ad平行于橫坐標軸，cd平行于縱坐標軸，ab的延長線過原點．以下說法正確的是(　　) A．從狀態(tài)d到c，氣體不吸熱也不放熱 B．從狀態(tài)c到b，氣體放熱 C．從狀態(tài)a到d，氣體對外做功 D．從狀態(tài)b到a，氣體吸熱 解析：選BCD.從狀態(tài)d到c，溫度不變，理想氣體內能不變，但是由于壓強減小，所以體積增大，對外做功，

26、還要保持內能不變，一定要吸收熱量，故A錯誤．氣體從狀態(tài)c到狀態(tài)b是一個降壓、降溫過程，同時體積減小，外界對氣體做功，而氣體的內能還要減小(降溫)，就一定要伴隨放熱的過程，故B正確．氣體從狀態(tài)a到狀態(tài)d是一個等壓、升溫的過程，同時體積增大，所以氣體要對外做功，故C正確．氣體從狀態(tài)b到狀態(tài)a是一個等容變化過程，隨壓強的增大，氣體的溫度升高，內能增大，而在這個過程中氣體的體積沒有變化，就沒有做功，氣體內能的增大是因為氣體吸熱的結果，故D正確． 三、非選擇題 11．如圖所示，一定質量的理想氣體從狀態(tài)A經(jīng)等壓過程到狀態(tài)B.此過程中，氣體壓強p＝1.0×105 Pa，吸收的熱量Q＝7.0×102 J，

27、求此過程中氣體內能的增量． 解析：等壓變化＝，對外做的功W＝p(VB－VA) 根據(jù)熱力學第一定律ΔU＝Q－W， 解得ΔU＝5.0×102 J. 答案：5.0×102 J 12.爆米花酥脆可口、老少皆宜，是許多人喜愛的休閑零食，如圖為高壓爆米花的裝置原理圖，玉米在鐵質的密閉容器內被加熱，封閉氣體被加熱成高溫高壓氣體，當打開容器蓋后，“嘭”的一聲氣體迅速膨脹，壓強急劇減小，玉米粒就“爆炸”成了爆米花．設當?shù)販囟葹閠1＝27 ℃，大氣壓為p0，已知密閉容器打開前的氣體壓強達到4p0.試分析： (1)容器內的氣體看作理想氣體，求容器內氣體的溫度． (2)假定在一次打開的過程中，容器內氣體膨脹對外界做功15 kJ，并向外釋放了20 kJ的熱量，容器內原有氣體的內能如何變化？變化了多少？ 解析：(1)根據(jù)查理定律：＝ p1＝p0，T1＝300 K，p2＝4p0. 整理得：T2＝1 200 K，t2＝927 ℃. (2)由熱力學第一定律ΔU＝Q＋W 得ΔU＝－20 kJ－15 kJ＝－35 kJ，故內能減少35 kJ. 答案：(1)927 ℃　(2)減少　35 kJ 12