3.2热力学第一定律（原卷版）

第2节热力学第一定律【知识梳理与方法突破】一、热力学第一定律1.公式ΔU=Q+W的符号规定符号WQΔU+体积减小，外界对热力学系统做功热力学系统吸收热量内能增加-体积增大，热力学系统对外界做功热力学系统放出热量内能减少2.热力学第一定律的几种特殊情况（1）若过程是绝热的，即Q=0，则W=ΔU，外界对物体做的功等于物体内能的增加量。（2）若过程中不做功，即W=0，则Q=ΔU，物体吸收的热量等于物体内能的增加量。（3）若过程中物体的始、末内能不变，即ΔU=0，则W+Q=0或W=−Q，外界对物体做的功等于物体放出的热量。3.应用热力学第一定律解题的思路与步骤（1）首先应明确研究对象是哪个物体或者是哪个热力学系统。（2）分别列出物体(或系统)吸收或放出的热量；外界对物体(或系统)所做的功或物体(或系统)对外所做的功。（3）根据热力学第一定律ΔU=Q+W列出方程进行求解。（4）特别注意的就是物理量的正负号及其物理意义。【例1】一定质量的气体膨胀对外做功100J，同时对外放热40J，气体内能的增量ΔU为（）A．60J B．-60JC．-140J D．140J【针对训练1】一定质量的气体在某一过程中，外界对气体做功7.0×104J，气体内能减小1.3×105J，则此过程（）A．气体从外界吸收热量2.0×105J B．气体向外界释放热量2.0×105JC．气体从外界吸收热量6.0×104J D．气体向外界释放热量6.0×104J二、热力学第一定律和气体实验定律的综合应用1.对理想气体应用热力学第一定律（1）对于理想气体来说，因不考虑分子势能，故其内能为所有分子动能的总和（即等于分子数与分子热运动的平均动能的乘积）。内能仅由分子数与温度决定，因此对于一定质量的理想气体来说，内能是否变化取决于其温度是否变化。升温，ΔU为正;降温，ΔU为负;温度不变，ΔU=0。（2）理想气体是否做功，取决于其体积的变化。若体积变大，则气体对外界做功；体积变小，则外界对气体做功；体积不变，则做功为零。（3）热量Q取决于容器是绝热的还是导热的，并不是温度升高吸热，温度降低放热。（4）外界对理想气体做功或理想气体对外界做功时，若恒压膨胀，即压强不变时，功的计算公式为W=pΔV(p为理想气体的压强、ΔV为理想气体体积的变化量）。2.理想气体与热力学第一定律综合问题的解法【例2】如图，一定量的理想气体从状态a变化到状态b，其过程如p-V图中从a到b的直线所示，在此过程中（

）A．气体温度一直降低B．气体内能一直增加C．气体一直对外做功D．气体一直从外界吸热【针对训练2】一定质量的理想气体，从状态A变化到状态B，再变化到状态C，其状态变化过程的图像如图所示。已知状态A时的温度为，热力学温度与摄氏温度间的关系为，则下列判断正确的是（）A．气体处于状态B时的温度是900KB．气体处于状态C时的温度是300KC．从状态A变化到状态C过程理想气体内能增大D．从状态A变化到状态B过程理想气体放热【对点检测】1．在一个绝热气缸里，若因气体膨胀，活塞把重物逐渐举高，如图所示。则在这个过程中，气缸内的气体（）A．温度升高 B．温度不变 C．内能增大 D．内能减小2．在图所示的两端开口的“U”形管中，盛有同种液体，并用管闩K将液体隔成左、右两部分，左边液面比右边液面高。现打开管闩K，从打开管闩到两边液面第一次平齐的过程中，液体向外放热为Q，内能变化量为，动能变化量为；大气对液体做功为，重力做功为，液体克服阻力做功为，由功能关系可得：①②③④，其中，正确的是（）A．①②③ B．①②④ C．②③ D．①③3．压力锅结构如图所示，盖好锅盖，将压力阀套在出气孔上，对压力锅加热，当锅内气体压强达到一定值时，气体就把压力阀顶起。假定在压力阀被顶起时，停止加热。假定在一次放气过程中，锅内气体对压力阀及外界做功，并向外界释放了的热量，则下列说法正确的是（）A．锅内原有气体的内能没有发生变化 B．锅内原有气体的内能增加了C．锅内原有气体的内能减少了 D．锅内原有气体的内能减少了4．固定的水平气缸内由活塞B封闭着一定量的气体，气体分子之间的相互作用可以忽略不计，假设气缸壁的导热性能很好，环境的温度保持不变.若用外力F将活塞B缓慢地向右拉动，如图所示，则在拉动活塞的过程中，下列关于气缸内气体的结论正确的是（

）.A．气体对外做功，气体内能不变 B．气体对外做功，气体内能减小C．外界对气体做功，气体内能不变 D．气体对外界吸热，气体压强增大5．一定质量的理想气体从状态a开始，经历等温或等压过程、、、回到原状态，其图像如图所示，其中对角线的延长线过原点O。下列判断正确的是（）A．气体在a、c两状态的体积相等B．气体在状态a时的内能大于它在状态c时的内能C．在过程中气体向外界放出的热量大于外界对气体做的功D．在过程中外界对气体做的功等于在过程中气体对外界做的功6．一定质量的理想气体经历如图所示的一系列过程，、、和这四段过程在图上都是直线段，其中的延长线通过坐标原点O，垂直于，而平行于，平行于p轴。由图可以判断（）A．过程中气体分子的密集程度不断减小B．过程中外界对气体做功C．过程中气体从外界吸收热量D．过程的内能减小量等于过程中气体内能增加量7．导热性能良好的气缸和活塞，密封一定质量的理想气体，气缸固定不动，保持环境温度不变，现在将活塞向下缓慢移动一段距离，则（）A．外界对气体做功，内能不变B．气体放出热量，内能增大C．气缸内每个气体分子的动能保持不变D．单位时间内撞击到器壁上单位面积的分子数增加8．如图所示，在水平面上放置着一个密闭绝热的容器，容器内部有一个一定质量的活塞，活塞的上部封闭着理想气体，下部为真空，活塞与器壁的摩擦忽略不计，置于真空中的轻弹簧的一端固定于容器的底部，另一端固定在活塞上，弹簧被压缩后用绳扎紧，此时弹簧的弹性势能为（弹簧处于自然长度时弹性势能为零），现在绳突然断开，则下列说法中正确的是（）A．由于能量的转化与守恒，活塞将不停地振动起来B．容器内气体的温度将趋于一个定值C．活塞最终会停留在比原来高的位置上D．活塞最终会停下来，全部转化为其他形式的能量第2节热力学第一定律【知识梳理与方法突破】一、热力学第一定律1.公式ΔU=Q+W的符号规定符号WQΔU+体积减小，外界对热力学系统做功热力学系统吸收热量内能增加-体积增大，热力学系统对外界做功热力学系统放出热量内能减少2.热力学第一定律的几种特殊情况（1）若过程是绝热的，即Q=0，则W=ΔU，外界对物体做的功等于物体内能的增加量。（2）若过程中不做功，即W=0，则Q=ΔU，物体吸收的热量等于物体内能的增加量。（3）若过程中物体的始、末内能不变，即ΔU=0，则W+Q=0或W=−Q，外界对物体做的功等于物体放出的热量。3.应用热力学第一定律解题的思路与步骤（1）首先应明确研究对象是哪个物体或者是哪个热力学系统。（2）分别列出物体(或系统)吸收或放出的热量；外界对物体(或系统)所做的功或物体(或系统)对外所做的功。（3）根据热力学第一定律ΔU=Q+W列出方程进行求解。（4）特别注意的就是物理量的正负号及其物理意义。【例1】一定质量的气体膨胀对外做功100J，同时对外放热40J，气体内能的增量ΔU为（）A．60J B．-60JC．-140J D．140J【答案】C【详解】由热力学第一定律得故选C。【针对训练1】一定质量的气体在某一过程中，外界对气体做功7.0×104J，气体内能减小1.3×105J，则此过程（）A．气体从外界吸收热量2.0×105J B．气体向外界释放热量2.0×105JC．气体从外界吸收热量6.0×104J D．气体向外界释放热量6.0×104J【答案】B【详解】由热力学第一定律得到即气体向外界释放的热量，故B正确。故选B。二、热力学第一定律和气体实验定律的综合应用1.对理想气体应用热力学第一定律（1）对于理想气体来说，因不考虑分子势能，故其内能为所有分子动能的总和（即等于分子数与分子热运动的平均动能的乘积）。内能仅由分子数与温度决定，因此对于一定质量的理想气体来说，内能是否变化取决于其温度是否变化。升温，ΔU为正;降温，ΔU为负;温度不变，ΔU=0。（2）理想气体是否做功，取决于其体积的变化。若体积变大，则气体对外界做功；体积变小，则外界对气体做功；体积不变，则做功为零。（3）热量Q取决于容器是绝热的还是导热的，并不是温度升高吸热，温度降低放热。（4）外界对理想气体做功或理想气体对外界做功时，若恒压膨胀，即压强不变时，功的计算公式为W=pΔV(p为理想气体的压强、ΔV为理想气体体积的变化量）。2.理想气体与热力学第一定律综合问题的解法【例2】如图，一定量的理想气体从状态a变化到状态b，其过程如p-V图中从a到b的直线所示，在此过程中（

）A．气体温度一直降低B．气体内能一直增加C．气体一直对外做功D．气体一直从外界吸热【答案】BCD【详解】A．由图知气体的p和V一直增大，由可知，气体的温度一直升高，故A错误。B．一定量的理想气体内能只跟温度有关，温度一直升高，气体的内能一直增加，故B正确。C．气体的体积增大，则气体一直对外做功，故C正确。D．气体的内能一直增加，并且气体一直对外做功，根据热力学第一定律可知，气体一直从外界吸热，故D正确。故选BCD。【针对训练2】一定质量的理想气体，从状态A变化到状态B，再变化到状态C，其状态变化过程的图像如图所示。已知状态A时的温度为，热力学温度与摄氏温度间的关系为，则下列判断正确的是（）A．气体处于状态B时的温度是900KB．气体处于状态C时的温度是300KC．从状态A变化到状态C过程理想气体内能增大D．从状态A变化到状态B过程理想气体放热【答案】AB【详解】A．由图示困像可知，过程为等压变化，有已知代入数据解得选项A正确；B．过程为等容变化，有代入数据解得选项B正确；C．过程，，，所以A、C两状态温度相同，内能相同，则内能变化，选项C错误；D．从状态A变化到状态B过程，理想气体温度升高内能增大，体积变大，气体对外做功，由热力学第一定律得，一定要吸热，选项D错误。故选AB。【对点检测】1．在一个绝热气缸里，若因气体膨胀，活塞把重物逐渐举高，如图所示。则在这个过程中，气缸内的气体（）A．温度升高 B．温度不变 C．内能增大 D．内能减小【答案】D【详解】气体绝热膨胀，则Q=0对外做功W<0根据∆U=W+Q可知∆U<0即气体内能减小，温度降低。故选D。2．在图所示的两端开口的“U”形管中，盛有同种液体，并用管闩K将液体隔成左、右两部分，左边液面比右边液面高。现打开管闩K，从打开管闩到两边液面第一次平齐的过程中，液体向外放热为Q，内能变化量为，动能变化量为；大气对液体做功为，重力做功为，液体克服阻力做功为，由功能关系可得：①②③④，其中，正确的是（）A．①②③ B．①②④ C．②③ D．①③【答案】B【详解】由动能定理可知其中可知①②正确。由热力学第一定律得可知④正确，③错误。故B正确，ACD错误。故选B。3．压力锅结构如图所示，盖好锅盖，将压力阀套在出气孔上，对压力锅加热，当锅内气体压强达到一定值时，气体就把压力阀顶起。假定在压力阀被顶起时，停止加热。假定在一次放气过程中，锅内气体对压力阀及外界做功，并向外界释放了的热量，则下列说法正确的是（）A．锅内原有气体的内能没有发生变化 B．锅内原有气体的内能增加了C．锅内原有气体的内能减少了 D．锅内原有气体的内能减少了【答案】D【详解】根据热力学第一定律知即锅内气体内能减少了，所以D正确，ABC错误。故选D。4．固定的水平气缸内由活塞B封闭着一定量的气体，气体分子之间的相互作用可以忽略不计，假设气缸壁的导热性能很好，环境的温度保持不变.若用外力F将活塞B缓慢地向右拉动，如图所示，则在拉动活塞的过程中，下列关于气缸内气体的结论正确的是（

）.A．气体对外做功，气体内能不变 B．气体对外做功，气体内能减小C．外界对气体做功，气体内能不变 D．气体对外界吸热，气体压强增大【答案】A【详解】气体体积变大，故气体对外做功。又因气缸壁的导热性能良好，环境的温度保持不变，故气体做等温变化，温度不变即内能不变，故BC错误，A正确。内能不变，即，又因气体对外做功，故W<0，由热力学第一定律得故气体从外界吸热，故D错误。故选A。5．一定质量的理想气体从状态a开始，经历等温或等压过程、、、回到原状态，其图像如图所示，其中对角线的延长线过原点O。下列判断正确的是（）A．气体在a、c两状态的体积相等B．气体在状态a时的内能大于它在状态c时的内能C．在过程中气体向外界放出的热量大于外界对气体做的功D．在过程中外界对气体做的功等于在过程中气体对外界做的功【答案】ABD【详解】A．根据气体状态方程得，图像的斜率，a、c两点在同一直线上，即a、c两点是同一等容线上的两点，体积相等，选项A正确。B．理想气体在状态a的温度大于状态c的温度，理想气体的内能只与温度有关，温度高，内能大，故气体在状态a时的内能大于它在状态c时的内能，选项B正确。C．在过程中温度不变，内能不变，等温变化压强与体积成反比，压强大体积小，从c到d体积减小，外界对气体做正功，根据热力学第一定律所以所以在过程中气体向外界放出的热量等于外界对气体做的功，选项C错误。D．在过程中，等压变化，温度降低，内能减小，体积减小，外界对气体做功，根据即；；过程中，气体对外界做功因为所以在过程中外界对气体做的功等于在过程中气体对外界做的功，选项D正确。故选ABD。6．一定质量的理想气体经历如图所示的一系列过程，、、和这四段过程在图上都是直线段，其中的延长线通过坐标原点O，垂直于，而平行于，平行于p轴。由图可以判断（）A．过程中气体分子的密集程度不断减小B．过程中外界对气体做功C．过程中气体从外界吸收热量D．过程的内能减小量等于过程中气体内能增加量【答案】BC【详解】A．根据理想气体状态方程，可知则图像中过原点的直线为等容变化，所以过程中气体体积不变，所以气体分子的密集程度不变，A错误；B．过c点作过原点的直线，则为一条等容线，且斜率比斜率大，根据可知，，则由过程体积减小，外界对气体做功，B正确；C．过程，气体温度不变，则气体内能不变；压强减小，根据玻意耳定律可知，体积增大，则气体对外界做功，根据热力学第一定律可知，气体应吸热，C正确；D．垂直于，而平行于，说明的温度变化比的温度变化小，且理想气体内能只与温度有关，温度升高，内能增加，可知ab过程的内能减小量小于过程中气体内能增加量，D错误。故选BC。7．导热性能良好的气缸和活塞，密封一定质量的理想气体，气缸固定不动，保持环境温度不变，现在将活塞向下缓慢移动一段距离，则（）A．外界对气体做功，内能不变B．气体放出热量，内能增大C．气缸内每个气体分子的动能保持不变D．单位时间内撞击到器壁上单位面积的分子数增加【答案】AD【详解】AB．由于气缸和活塞导热性能良好，且环境温度不变，因此在将活塞向左缓慢压