2024－2024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

PAGE8-热力学第肯定律1．热力学第肯定律的表达式为ΔU＝Q＋W，它不仅反映了做功和热传递这两种变更内能方式的等效性，也给出了功、热量跟内能变更量的定量关系。2．应用热力学第肯定律进行计算时，要遵循各物理量的符号规定，Q>0，表示物体汲取热量，W>0表示外界对物体做功，ΔU>0，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．在解决志向气体的等压膨胀过程问题时，热力学第肯定律中各物理量符号为，W<0，ΔU>0，Q>0，等压压缩时符号相反，在等容过程中，W＝0，ΔU＝Q，在等温过程中，ΔU＝0，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10J，气体通过筒壁向外放热1卡，则气体的内能变更了5.82J(1卡＝4.18焦)。热力学第肯定律1.热力学第肯定律的探讨对象探讨功、热量跟内能的变更之间的定量关系。2．热力学第肯定律的内容及公式(1)内容：假如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ΔU就等于物体汲取的热量Q和外界对物体做的功W之和。(2)公式：ΔU＝W＋Q3．对热力学第肯定律的理解(1)热力学第肯定律不仅反映了做功和热传递这两种变更内能的过程是等效的，而且给出了内能的变更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)对公式ΔU＝Q＋W符号的规定：符号WQΔU＋外界对物体做功物体汲取热量内能增加－物体对外界做功物体放出热量内能削减(1)在绝热过程中，Q＝0，W＝ΔU，外界对物体做的功等于物体内能的增加。(2)在应用热力学第肯定律的过程中，应特殊分清W、Q的正、负，以便更精确地推断ΔU的正、负，ΔU的正、负代表了变更过程中内能是增加的还是削减的。1．下列说法正确的是()A．物体放出热量，其内能肯定减小B．物体对外做功，其内能肯定减小C．物体汲取热量，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由热力学第肯定律ΔU＝W＋Q可知，若物体放出热量，外界对物体做正功，则ΔU不肯定为负值，即内能不肯定减小，故A项错误；同理可分析出，B项和D项错误，C项正确。热力学第肯定律应用举例1.志向气体的等压过程如图所示是肯定质量气体的等压线，若气体从状态A变更到状态B，该过程是等压膨胀过程，V2>V1，T2>T1，体积增大，气体对外做功，W<0，但志向气体的内能仅取决于温度，温度上升，内能增大，ΔU>0，则由热力学第肯定律有Q＝ΔU－W>0，气体汲取热量，汲取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变更到状态A，该过程为等压压缩，应有W>0，ΔU<0，Q＝ΔU－W<0，这说明气体放出的热量等于外界对气体所做的功与气体内能减小量的和。2．志向气体的等容过程等容过程中，体积V不变，W＝0，则由热力学第肯定律有ΔU＝Q，若温度上升时，气体汲取的热量全部用来增加气体的内能，反之，气体放出的热量等于气体内能的削减。3．志向气体的等温过程等温过程中内能不变，即ΔU＝0，由热力学第肯定律有W＝－Q，若气体等温压缩，则W>0，Q<0，气体放出热量，外界对气体所做的功全部转换为放出的热量，若气体等温膨胀，W<0，Q>0，气体汲取热量，汲取的热量全部用来对外做功。(1)做功状况往往和物体的体积变更相联系，一般状况下，体积增大时，对外做功，W<0，体积减小时，外界对物体做功，W>0。(2)气体的状态变更时，往往要用到气体的试验定律帮助分析体积和温度的变更状况，从而得到做功状况和内能的变更状况。2．[多选](2024·全国卷Ⅱ)如图，用隔板将一绝热汽缸分成两部分，隔板左侧充有志向气体，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，依据热力学第肯定律可知，气体在被压缩的过程中内能增大，因此气体的温度上升，气体分子的平均动能增大，B项正确，E项错误。对热力学第肯定律的理解[例1]一个带活塞的汽缸内盛有肯定量的气体，若此气体的温度随其内能的增大而上升，则()A．将热量传给气体，其温度必上升B．压缩气体，其温度上升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，其温度必上升[解析]做功和热传递是变更物体内能的两种方式，据热力学第肯定律ΔU＝Q＋W可知，单一的对气体做功或气体汲取热量，其内能不肯定增加，但当气体既被压缩又同时吸热时，内能肯定增加，温度肯定上升。故选项D正确。[答案]D借题发挥做功和热传递在变更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削减，即温度上升或降低，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削减，总之要看这两种方式的共同作用结果。热力学第肯定律的应用[例2][多选](2024·全国卷Ⅲ)如图，肯定质量的志向气体从状态a动身，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，最终经等压过程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C．在过程ab中气体对外界做功D．在过程bc中气体从外界汲取热量E．在过程ca中气体从外界汲取热量[解析]ab过程中气体压强增大，体积不变，则温度上升，内能增加，A项正确；ab过程发生等容变更，气体对外界不做功，C项错误；肯定质量的志向气体内能仅由温度确定，bc过程发生等温变更，内能不变，bc过程中气体体积增大，气体对外界做正功，依据热力学第肯定律可知气体从外界汲取热量，D项正确；ca过程发生等压变更，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，依据热力学第肯定律可知气体向外界放热，E项错误。[答案]ABD借题发挥热力学第肯定律的考查一般与气体的试验定律相结合，在进行计算时，除特殊留意各物理量的正、负外，还要留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＝pSΔL＝pΔV。1．关于物体的内能及其变更，以下说法正确的是()A．物体的温度变更时，其内能必定变更B．物体对外做功，其内能不肯定变更，向物体传递热量，其内能也不肯定变更C．物体对外做功，其内能必定变更，物体向外传出肯定热量，其内能必定变更D．若物体与外界不发生热交换，则物体的内能必定不变更解析：选B温度变更物体的分子动能变更，但内能可能不变，A错；变更内能有两种方式：做功和热传递，由热力学第肯定律可知B正确，C、D错。2．[多选](2024·全国卷Ⅲ)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，内能肯定相同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．肯定量的某种志向气体的内能只与温度有关E．肯定量的某种志向气体在等压膨胀过程中，内能肯定增加解析：选CDE气体的内能由物质的量、温度和体积确定，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，依据热力学第肯定律知内能可能不变，C正确。肯定量的某种志向气体的内能只与温度有关，D正确。依据志向气体状态方程，肯定量的某种志向气体在压强不变的状况下，体积变大，则温度肯定上升，内能肯定增加，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内有肯定量的淡薄气体，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，内能削减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绝热容器的淡薄气体与外界没有热传递，Q＝0，淡薄气体向真空扩散没有做功，W＝0。依据热力学第肯定律淡薄气体的内能不变，则温度不变，A、C错误，B正确。淡薄气体扩散体积增大，压强必定减小，D正确。4.如图是密闭的气缸，外力推动活塞P压缩气体，对缸内气体做功800J，同时气体向外界放热200J，缸内气体的()A．温度上升，内能增加600JB．温度上升，内能削减200JC．温度降低，内能增加600JD．温度降低，内能削减200J解析：选A由热力学第肯定律，ΔU＝Q＋W＝－200J＋800J＝600J，内能增加600J，则温度肯定上升，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。设水温匀称且恒定，筒内空气无泄漏，不计气体分子间的相互作用，则被沉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，气体内能仅由温度确定，温度不变，ΔU＝0，由热力学第肯定律W＋Q＝ΔU，知Q＝ΔU－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，汲取热量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。再由热力学第肯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．分子平均动能削减 D．内能增加解析：选A胎内气体经验了一个温度不变，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。依据热力学第肯定律知气体肯定从外界吸热，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。现给电热丝供应一微弱电流，通电一段时间后切断电源。当缸内气体再次达到平衡时，与初始状态相比()A．右边气体温度上升，左边气体温度不变B．左右两边气体温度都上升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，右边的气体温度上升气体膨胀，将隔板向左推，对左边的气体做功，依据热力学第肯定律，内能增加，气体的温度上升。依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](2024·江苏高考)肯定质量的志向气体从状态A经过状态B变更到状态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，依据热力学第肯定律可知，气体放出热量，B项正确；从B到C过程中eq\f(V,T)是一个常数，气体发生的是等压变更，气体的温度降低，内能削减，C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视，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削减的内能小于b削减的内能解析：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记，a的内能小于b的内能，D错。11．若对物体做1200J的功，可使物体温度上升3℃，改用热传递的方式，使物体温度同样上升3℃，那么物体应汲取多少热量？假如对该物体做3000J的功，物体的温度上升5℃，表明该过程中，物体应汲取或