2018－2019學(xué)年高中物理 第三章 熱力學(xué)第一定律 第二節(jié) 熱力學(xué)第一定律講義（含解析）粵教版選修3-3.doc

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熱力學(xué)第一定律 1．熱力學(xué)第一定律的表達(dá)式為ΔU＝Q＋W，它不僅反映了做功和熱傳遞這兩種改變內(nèi)能方式的等效性，也給出了功、熱量跟內(nèi)能改變量的定量關(guān)系。 2．應(yīng)用熱力學(xué)第一定律進(jìn)行計(jì)算時(shí)，要遵循各物理量的符號(hào)規(guī)定，Q>0，表示物體吸收熱量，W>0表示外界對(duì)物體做功，ΔU>0，表示內(nèi)能增加，當(dāng)它們?yōu)樨?fù)值時(shí)，都分別表示各自的相反過程。 3．在解決理想氣體的等壓膨脹過程問題時(shí)，熱力學(xué)第一定律中各物理量符號(hào)為，W<0，ΔU>0，Q>0，等壓壓縮時(shí)符號(hào)相反，在等容過程中，W＝0，ΔU＝Q，在等溫過程中，ΔU＝0，W＝－Q。 4．將打氣筒的出氣口堵住，用力將活塞下壓，若對(duì)氣體做功10 J，氣體通過筒壁向外放熱1卡，則氣體的內(nèi)能改變了5.82 J(1卡＝4.18焦)。 熱力學(xué)第一定律 1.熱力學(xué)第一定律的研究對(duì)象 研究功、熱量跟內(nèi)能的變化之間的定量關(guān)系。 2．熱力學(xué)第一定律的內(nèi)容及公式 (1)內(nèi)容：如果物體跟外界同時(shí)發(fā)生做功和熱傳遞過程，那么，物體內(nèi)能的增加ΔU就等于物體吸收的熱量Q和外界對(duì)物體做的功W之和。 (2)公式：ΔU＝W＋Q 3．對(duì)熱力學(xué)第一定律的理解 (1)熱力學(xué)第一定律不僅反映了做功和熱傳遞這兩種改變內(nèi)能的過程是等效的，而且給出了內(nèi)能的變化量和做功與熱傳遞之間的定量關(guān)系，此定律是標(biāo)量式，應(yīng)用時(shí)熱量的單位應(yīng)統(tǒng)一為國(guó)際單位制中的焦耳。 (2)對(duì)公式ΔU＝Q＋W符號(hào)的規(guī)定： 符號(hào) W Q ΔU ＋ 外界對(duì)物體做功 物體吸收熱量 內(nèi)能增加 － 物體對(duì)外界做功 物體放出熱量 內(nèi)能減少 (1)在絕熱過程中，Q＝0，W＝ΔU，外界對(duì)物體做的功等于物體內(nèi)能的增加。 (2)在應(yīng)用熱力學(xué)第一定律的過程中，應(yīng)特別分清W、Q的正、負(fù)，以便更準(zhǔn)確地判斷ΔU 的正、負(fù)，ΔU的正、負(fù)代表了變化過程中內(nèi)能是增加的還是減少的。 1．下列說法正確的是(　　) A．物體放出熱量，其內(nèi)能一定減小 B．物體對(duì)外做功，其內(nèi)能一定減小 C．物體吸收熱量，同時(shí)對(duì)外做功，其內(nèi)能可能增加 D．物體放出熱量，同時(shí)對(duì)外做功，其內(nèi)能可能不變 解析：選C　由熱力學(xué)第一定律ΔU＝W＋Q可知，若物體放出熱量，外界對(duì)物體做正功，則ΔU不一定為負(fù)值，即內(nèi)能不一定減小，故A項(xiàng)錯(cuò)誤；同理可分析出，B項(xiàng)和D項(xiàng)錯(cuò)誤，C項(xiàng)正確。 熱力學(xué)第一定律應(yīng)用舉例 1.理想氣體的等壓過程 如圖所示是一定質(zhì)量氣體的等壓線，若氣體從狀態(tài)A變化到狀態(tài)B，該過程是等壓膨脹過程，V2>V1，T2>T1，體積增大，氣體對(duì)外做功，W<0，但理想氣體的內(nèi)能僅取決于溫度，溫度升高，內(nèi)能增大，ΔU>0，則由熱力學(xué)第一定律有Q＝ΔU－W>0，氣體吸收熱量，吸收的熱量一部分用來增加氣體的內(nèi)能，一部分轉(zhuǎn)化為對(duì)外所做的功。若氣體從狀態(tài)B變化到狀態(tài)A，該過程為等壓壓縮，應(yīng)有W>0，ΔU<0，Q＝ΔU－W<0，這說明氣體放出的熱量等于外界對(duì)氣體所做的功與氣體內(nèi)能減小量的和。 2．理想氣體的等容過程 等容過程中，體積V不變，W＝0，則由熱力學(xué)第一定律有ΔU＝Q，若溫度升高時(shí)，氣體吸收的熱量全部用來增加氣體的內(nèi)能，反之，氣體放出的熱量等于氣體內(nèi)能的減少。 3．理想氣體的等溫過程 等溫過程中內(nèi)能不變，即ΔU＝0，由熱力學(xué)第一定律有W＝－Q，若氣體等溫壓縮，則W>0，Q<0，氣體放出熱量，外界對(duì)氣體所做的功全部轉(zhuǎn)換為放出的熱量，若氣體等溫膨脹，W<0，Q>0，氣體吸收熱量，吸收的熱量全部用來對(duì)外做功。 (1)做功情況往往和物體的體積變化相聯(lián)系，一般情況下，體積增大時(shí)，對(duì)外做功，W<0，體積減小時(shí)，外界對(duì)物體做功，W>0。 (2)氣體的狀態(tài)變化時(shí)，往往要用到氣體的實(shí)驗(yàn)定律幫助分析體積和溫度的變化情況，從而得到做功情況和內(nèi)能的變化情況。 2．[多選](2017全國(guó)卷Ⅱ)如圖，用隔板將一絕熱汽缸分成兩部分，隔板左側(cè)充有理想氣體，隔板右側(cè)與絕熱活塞之間是真空?，F(xiàn)將隔板抽開，氣體會(huì)自發(fā)擴(kuò)散至整個(gè)汽缸。待氣體達(dá)到穩(wěn)定后，緩慢推壓活塞，將氣體壓回到原來的體積。假設(shè)整個(gè)系統(tǒng)不漏氣。下列說法正確的是(　　) A．氣體自發(fā)擴(kuò)散前后內(nèi)能相同 B．氣體在被壓縮的過程中內(nèi)能增大 C．在自發(fā)擴(kuò)散過程中，氣體對(duì)外界做功 D．氣體在被壓縮的過程中，外界對(duì)氣體做功 E．氣體在被壓縮的過程中，氣體分子的平均動(dòng)能不變 解析：選ABD　抽開隔板，氣體自發(fā)擴(kuò)散過程中，氣體對(duì)外界不做功，與外界沒有熱交換，因此氣體的內(nèi)能不變，A項(xiàng)正確，C項(xiàng)錯(cuò)誤；氣體在被壓縮的過程中，外界對(duì)氣體做功，D項(xiàng)正確；由于氣體與外界沒有熱交換，根據(jù)熱力學(xué)第一定律可知，氣體在被壓縮的過程中內(nèi)能增大，因此氣體的溫度升高，氣體分子的平均動(dòng)能增大，B項(xiàng)正確，E項(xiàng)錯(cuò)誤。 對(duì)熱力學(xué)第一定律的理解 [例1]　一個(gè)帶活塞的汽缸內(nèi)盛有一定量的氣體，若此氣體的溫度隨其內(nèi)能的增大而升高，則(　　) A．將熱量傳給氣體，其溫度必升高 B．壓縮氣體，其溫度升高 C．壓縮氣體，同時(shí)氣體向外界放熱，其溫度必不變 D．壓縮氣體，同時(shí)將熱量傳給氣體，其溫度必升高 [解析]　做功和熱傳遞是改變物體內(nèi)能的兩種方式，據(jù)熱力學(xué)第一定律ΔU＝Q＋W可知，單一的對(duì)氣體做功或氣體吸收熱量，其內(nèi)能不一定增加，但當(dāng)氣體既被壓縮又同時(shí)吸熱時(shí)，內(nèi)能一定增加，溫度一定升高。故選項(xiàng)D正確。 [答案]　D 借　題 發(fā)　揮 　　做功和熱傳遞在改變物體內(nèi)能上是等效的，且它們可以同時(shí)進(jìn)行，它們都可以使系統(tǒng)內(nèi)能增加或減少，即溫度升高或降低，也可以是一種方式使系統(tǒng)內(nèi)能增加，另一種方式使系統(tǒng)內(nèi)能減少，總之要看這兩種方式的共同作用結(jié)果。 熱力學(xué)第一定律的應(yīng)用 [例2]　[多選](2017全國(guó)卷Ⅲ)如圖，一定質(zhì)量的理想氣體從狀態(tài)a出發(fā)，經(jīng)過等容過程ab到達(dá)狀態(tài)b，再經(jīng)過等溫過程bc到達(dá)狀態(tài)c，最后經(jīng)等壓過程ca回到初態(tài)a。下列說法正確的是(　　) A．在過程ab中氣體的內(nèi)能增加 B．在過程ca中外界對(duì)氣體做功 C．在過程ab中氣體對(duì)外界做功 D．在過程bc中氣體從外界吸收熱量 E．在過程ca中氣體從外界吸收熱量 [解析]　ab過程中氣體壓強(qiáng)增大，體積不變，則溫度升高，內(nèi)能增加，A項(xiàng)正確；ab過程發(fā)生等容變化，氣體對(duì)外界不做功，C項(xiàng)錯(cuò)誤；一定質(zhì)量的理想氣體內(nèi)能僅由溫度決定，bc過程發(fā)生等溫變化，內(nèi)能不變，bc過程中氣體體積增大，氣體對(duì)外界做正功，根據(jù)熱力學(xué)第一定律可知?dú)怏w從外界吸收熱量，D項(xiàng)正確；ca過程發(fā)生等壓變化，氣體體積減小，外界對(duì)氣體做功，B項(xiàng)正確；ca過程中氣體溫度降低，內(nèi)能減小，外界對(duì)氣體做功，根據(jù)熱力學(xué)第一定律可知?dú)怏w向外界放熱，E項(xiàng)錯(cuò)誤。 [答案]　ABD 借　題　 發(fā)　揮 　　熱力學(xué)第一定律的考查一般與氣體的實(shí)驗(yàn)定律相結(jié)合，在進(jìn)行計(jì)算時(shí)，除特別注意各物理量的正、負(fù)外，還要注意等壓過程中壓力做的功的求法，因等壓過程中，氣體壓力恒定，壓力所做功相當(dāng)于恒力做功，即W＝pSΔL＝pΔV。 1．關(guān)于物體的內(nèi)能及其變化，以下說法正確的是(　　) A．物體的溫度改變時(shí)，其內(nèi)能必定改變 B．物體對(duì)外做功，其內(nèi)能不一定改變，向物體傳遞熱量，其內(nèi)能也不一定改變 C．物體對(duì)外做功，其內(nèi)能必定改變，物體向外傳出一定熱量，其內(nèi)能必定改變 D．若物體與外界不發(fā)生熱交換，則物體的內(nèi)能必定不改變 解析：選B　溫度變化物體的分子動(dòng)能變化，但內(nèi)能可能不變，A錯(cuò)；改變內(nèi)能有兩種方式：做功和熱傳遞，由熱力學(xué)第一定律可知B正確，C、D錯(cuò)。 2．[多選](2016全國(guó)卷Ⅲ)關(guān)于氣體的內(nèi)能，下列說法正確的是(　　) A．質(zhì)量和溫度都相同的氣體，內(nèi)能一定相同 B．氣體溫度不變，整體運(yùn)動(dòng)速度越大，其內(nèi)能越大 C．氣體被壓縮時(shí)，內(nèi)能可能不變 D．一定量的某種理想氣體的內(nèi)能只與溫度有關(guān) E．一定量的某種理想氣體在等壓膨脹過程中，內(nèi)能一定增加 解析：選CDE　氣體的內(nèi)能由物質(zhì)的量、溫度和體積決定，質(zhì)量和溫度都相同的氣體，內(nèi)能可能不同，A錯(cuò)誤。內(nèi)能與物體的運(yùn)動(dòng)速度無關(guān)，B錯(cuò)誤。氣體被壓縮時(shí)，同時(shí)對(duì)外傳熱，根據(jù)熱力學(xué)第一定律知內(nèi)能可能不變，C正確。一定量的某種理想氣體的內(nèi)能只與溫度有關(guān)，D正確。根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，一定量的某種理想氣體在壓強(qiáng)不變的情況下，體積變大，則溫度一定升高，內(nèi)能一定增加，E正確。 3.[多選]如圖，一絕熱容器被隔板K隔成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(duì)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BD　絕熱容器的稀薄氣體與外界沒有熱傳遞，Q＝0，稀薄氣體向真空擴(kuò)散沒有做功，W＝0。根據(jù)熱力學(xué)第一定律稀薄氣體的內(nèi)能不變，則溫度不變，A、C錯(cuò)誤，B正確。稀薄氣體擴(kuò)散體積增大，壓強(qiáng)必然減小，D正確。 4.如圖是密閉的氣缸，外力推動(dòng)活塞P壓縮氣體，對(duì)缸內(nèi)氣體做功800 J，同時(shí)氣體向外界放熱200 J，缸內(nèi)氣體的(　　) A．溫度升高，內(nèi)能增加600 J B．溫度升高，內(nèi)能減少200 J C．溫度降低，內(nèi)能增加600 J D．溫度降低，內(nèi)能減少200 J 解析：選A　由熱力學(xué)第一定律，ΔU＝Q＋W＝－200 J＋800 J＝600 J，內(nèi)能增加600 J，則溫度一定升高，A正確。 5.如圖所示，某同學(xué)將空的薄金屬筒開口向下壓入水中。設(shè)水溫均勻且恒定，筒內(nèi)空氣無泄漏，不計(jì)氣體分子間的相互作用，則被淹沒的金屬筒在緩慢下降的過程中，筒內(nèi)空氣的體積減小并且(　　) A．從外界吸熱 B．內(nèi)能增大 C．向外界放熱 D．內(nèi)能減小 解析：選C　筒緩慢下降過程是等溫過程，氣體體積減小，外界對(duì)氣體做正功，W為正，又因?yàn)椴挥?jì)氣體分子間的相互作用，氣體內(nèi)能僅由溫度決定，溫度不變，ΔU＝0，由熱力學(xué)第一定律W＋Q＝ΔU，知Q＝ΔU－W，因此，Q為負(fù)值，即向外界放熱。故C正確。 6．密閉有空氣的薄塑料瓶因降溫而變扁，此過程中瓶?jī)?nèi)空氣(不計(jì)分子勢(shì)能)(　　) A．內(nèi)能增大，放出熱量 B．內(nèi)能減小，吸收熱量 C．內(nèi)能增大，對(duì)外界做功 D．內(nèi)能減小，外界對(duì)其做功 解析：選D　不計(jì)分子勢(shì)能時(shí)瓶?jī)?nèi)空氣的內(nèi)能只與其溫度有關(guān)，溫度降低時(shí)其內(nèi)能減小。塑料瓶變扁時(shí)瓶?jī)?nèi)空氣體積減小，外界對(duì)其做功。再由熱力學(xué)第一定律知此過程中瓶?jī)?nèi)空氣要放出熱量，故只有D正確。 7．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(shì)能，則胎內(nèi)氣體(　　) A．從外界吸熱 B．對(duì)外界做負(fù)功 C．分子平均動(dòng)能減少 D．內(nèi)能增加 解析：選A　胎內(nèi)氣體經(jīng)歷了一個(gè)溫度不變，壓強(qiáng)減小，體積增大的過程。不計(jì)分子勢(shì)能，溫度不變，分子平均動(dòng)能和內(nèi)能不變。體積增大氣體對(duì)外界做正功。根據(jù)熱力學(xué)第一定律知?dú)怏w一定從外界吸熱，A正確。 8．[多選]如圖，水平放置的密封氣缸內(nèi)的氣體被一豎直隔板分隔為左右兩部分，隔板可在氣缸內(nèi)無摩擦滑動(dòng)，右側(cè)氣體內(nèi)有一電熱絲。氣缸壁和隔板均絕熱。初始時(shí)隔板靜止，左右兩邊氣體溫度相等?，F(xiàn)給電熱絲提供一微弱電流，通電一段時(shí)間后切斷電源。當(dāng)缸內(nèi)氣體再次達(dá)到平衡時(shí)，與初始狀態(tài)相比(　　) A．右邊氣體溫度升高，左邊氣體溫度不變 B．左右兩邊氣體溫度都升高 C．左邊氣體壓強(qiáng)增大 D．右邊氣體內(nèi)能的增加量等于電熱絲放出的熱量 解析：選BC　當(dāng)電熱絲通電后，右邊的氣體溫度升高氣體膨脹，將隔板向左推，對(duì)左邊的氣體做功，根據(jù)熱力學(xué)第一定律，內(nèi)能增加，氣體的溫度升高。根據(jù)氣體定律左邊的氣體壓強(qiáng)增大，A錯(cuò)誤，B、C正確；右邊氣體內(nèi)能的增加值為電熱絲發(fā)出的熱量減去對(duì)左邊的氣體所做的功，D錯(cuò)。 9．[多選](2017江蘇高考)一定質(zhì)量的理想氣體從狀態(tài)A經(jīng)過狀態(tài)B變化到狀態(tài)C，其VT圖像如圖所示。下列說法正確的有(　　) A．A→B的過程中，氣體對(duì)外界做功 B．A→B的過程中，氣體放出熱量 C．B→C的過程中，氣體壓強(qiáng)不變 D．A→B→C的過程中，氣體內(nèi)能增加 解析：選BC　由題圖可知，從A到B氣體的體積減小，外界對(duì)氣體做功，A項(xiàng)錯(cuò)誤；從A到B過程氣體的溫度不變，內(nèi)能不變，根據(jù)熱力學(xué)第一定律可知，氣體放出熱量，B項(xiàng)正確；從B到C過程中是一個(gè)常數(shù)，氣體發(fā)生的是等壓變化，氣體的溫度降低，內(nèi)能減少，C項(xiàng)正確，D項(xiàng)錯(cuò)誤。 10.[多選]如圖所示，密閉氣缸左側(cè)導(dǎo)熱，其余部分絕熱性能良好，絕熱輕活塞K把氣缸分隔成體積相等的兩部分，K與氣缸壁的接觸是光滑的，兩部分中分別充有相同質(zhì)量、相同溫度的同種氣體a和b，氣體分子之間相互作用勢(shì)能可忽略，當(dāng)外界環(huán)境溫度緩慢降低到某一值后，a、b各自達(dá)到新的平衡(　　) A．a(chǎn)的體積減小了，壓強(qiáng)降低了 B．b的溫度降低了 C．散失熱量后a的分子熱運(yùn)動(dòng)比b的分子熱運(yùn)動(dòng)激烈 D．a(chǎn)減少的內(nèi)能小于b減少的內(nèi)能 解析：選AB　由于左側(cè)導(dǎo)熱，導(dǎo)致a部分內(nèi)能減小，對(duì)擋板K的分子作用力變小，擋板向左運(yùn)動(dòng)，a的體積減小了；同時(shí)，b部分氣體膨脹，壓強(qiáng)變小，此時(shí)a、b兩部分壓強(qiáng)相同，A正確。b部分氣體膨脹，對(duì)外做功，內(nèi)能減小，溫度降低，B正確。擋板受力平衡，a體積小，單位時(shí)間內(nèi)碰撞擋板的分子數(shù)多，a部分單個(gè)分子的平均動(dòng)能小于b部分的，就是說散失熱量后a的分子熱運(yùn)動(dòng)沒有b的分子熱運(yùn)動(dòng)激烈，C錯(cuò)。同理，溫度是氣體分子平均動(dòng)能的標(biāo)志，a的內(nèi)能小于b的內(nèi)能，D錯(cuò)。 11．若對(duì)物體做1 200 J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(duì)該物體做3 000 J的功，物體的溫度升高5 ℃，表明該過程中，物體應(yīng)吸收或放出多少熱量？ 解析：做功和熱傳遞在改變物體內(nèi)能上是等效的，因此物體用做功方式溫度升高3 ℃，如用吸熱方式，也使溫度升高3℃應(yīng)吸收1 200 J的熱量。 由題意知：1 200 J＝cm3， 物體溫度升高5℃時(shí)增加的內(nèi)能 ΔU＝cm5＝5 J＝2 000 J， 由熱力學(xué)第一定律有： Q＝ΔU－W＝(2 000－3 000) J＝－1 000 J， 因此，物體放出1 000 J的熱量。 答案：1 200 J　放出1 000 J的熱量 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(zhì)的密閉容器內(nèi)被加熱，迅速打開容器蓋后，玉米粒就“爆炸”成了爆米花。設(shè)當(dāng)?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(qiáng)達(dá)到4p0。試分析： (1)容器內(nèi)的氣體看作理想氣體，求容器內(nèi)氣體的溫度？ (2)假定在一次打開的過程中，容器內(nèi)氣體膨脹對(duì)外界做功15 kJ，并向外釋放了20 kJ的熱量，容器內(nèi)原有氣體的內(nèi)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。 解得：T2＝1 200 K，t2＝927℃。 (2)由熱力學(xué)第一定律ΔU＝Q＋W， 得ΔU＝(－20)＋(－15) kJ＝－35 kJ， 故內(nèi)能減少35 kJ。 答案：(1)927℃　(2)內(nèi)能減少35 kJ