热力学第一定律-学案

3.2热力学第一定律

【学习目标】

1.认识物质的运动形式有多种，对应不同运动形式的运动有不同形式的能，各种

形式的能在一定条件下可以相互转化。

2.进一步掌握能的转化规律。

3.运用公式aUnW+Q分析有关问题并具体进行计算。

【学习重难点】

热力第一定律。

【学习过程】

1.热力学第一定律：

其数学表达式为：

2.定律中各量的正、负号及含义

物理量符号意义符号意义

+—

—

Q+

△U+—

例题

一定质量的气体，在被压缩的过程中外界对气体做功300J,但这一过程中气体的

内能减少了300J,问气体在此过程中是吸热还是放热？吸收(或放出)多少热量？

解：由题意知

W=3()()JAU=-3(X)J,根据热力学第一定律可得：Q=AU-W=-30()J-3()()J=-600J

Q为负值表示气体放热，因此气体放出600J的热量。

【强化训练】

1.如图所示，用力F压缩气缸中的空气，力F对■空气做了1800J的功，同时气缸

向外放热2000J,空气的内能改变了多少？

参考解答：

由热力学第一定律：AU=W+Q

得：+1800J+（-2000）J=AU・・・AU=-200J

即空气内能减少了200J

2.关于物体内能的变化，以下说法中正确的是（）

A.物体吸收热量，内能一定增大

B.物体对外做功，内能一定减少

C.物体吸收热量，同时对外做功，内能可能不变

D.物体放出热量，同时对外做功，内能可能不变

解析：根据热力学第一定律AU=W+Q,物体内能的变化与外界对气体做切（或气

体对外界做功），气体从外界吸热（或向外界放热）两种因素有关，物体吸收热量，但

有可能同时对外做功，故内能有可能不变甚至减小，故A错，同理，物体对外做功的

同时有可能吸热，故内能不一定减小，B错；若物体吸收的热量与对外做功相等，则内

能不变，C正确。而放热与对外做功是使物体内能减小，所以D错。

所以本题正确答案为C。

总结：运用热力学第一定律解决问题

1.根据符号法则写出各已知量的正、负。

2.根据方程求出未知量。

3.再根据未知量结果的正、负来确定吸热、放热情况或做功情况。

【练习巩固】

1.用活塞压缩汽缸里的空气，对空气做了900J的功，同时汽缸向外散热210L汽

缸里空气的内能改变了多少？

2.如图，在汽缸内活塞左边封闭着一定量的空气，压强与大气压相同。把汽缸和

活塞固定，使汽缸内空气升高一定的温度，空气吸收的热量为Qio如果让活塞可以自

由滑动（活塞与汽缸间无摩擦、不漏气），也使汽缸为空气温度升高相同温度，其吸收

的热量为Q?o

（1）Qi和Q2哪个大些？

（2）气体在定容下的比热容与在定压下的比热容为什么会有不同？

3.某风景区有一处约20层楼高的瀑布，甚为壮观。请估计：瀑布上、下水潭的水

温因瀑布的机械能转化成内能而相差多少？水的比热容c为4.2X1O3J九

第三章23

课后提升训练

A组•基础达标

1.在一个与外界没有热交换的房间内打开冰箱门，冰箱正常工作，过一段时间房间内的温度

将（）

A.降低升高

C.不变无法确定

【答案】B【解析】取房间内气体及电冰箱（有散热装置）为系统，冰箱消耗电能，对系统做功，

系统总内能增加，房间内温度升高，B正确.

2.压力锅结构如图所示，盖好锅盖，将压力阀套在出气孔上，给压力锅加热，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，锅内气体对压力阀及

外界做功1.5J,并向外界释放了2.5J的热量，则下列说法中正确的是（）

出气孔△一压力阀

锅盖\M

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3J

C.锅内原有气体的内能减少了3J

D.锅内原有气体的内能减少了4J

【答案】D【解析】由于锅内气体对外界做功1.5J,则W=-|.5J,并向外界释放了2.5J的

热量，则。=-2.5J,根据热力学第一定律AU=W+。，故内能AU=-1.5J+（—2.5J）=-4J,故

气体的内能减少4J,D正确.

3.如图所示，直立容器内部有被隔板隔开的A、B两部分气体，A的密度小，B的密度大，抽

出隔板，加热气体使两部分气体均匀混合，设在此过程中气体吸热为Q,气体内能增量为△口则

（）

A

B

A.bU=QB.AUVQ

C.bU>QD.无法比较

【答案】B【解析】A、8两部分气体密度不同，混合后其重力势能将发生变化，刚开始时4、

B气体的合重心在中线下方，均匀混合后重心在中线上，重心上升了，所以气体的重力势能增加了，

由能量守恒定律知，吸收的热量一部分增加气体的内能，一部分增加重力势能，即Q=AU+AEp,

所以Q>AU,故B正确.

4.如图所示容器中，A、8部分各有一个可自由移动的轻活塞，活塞卜.是水，上为空气，大气

压恒定.A、5底部由带有阀门K的管道相连，整个装置与外界绝热.原先A中水面比N4•高，打

开阀门，使A中的水逐渐向B中流动，最后达到平衡.在这个过程中，下面说法正确的是（）

A区m三圭汨唾JK堂EER

A.大气压力对水做功，水的内能增加

B.水克服大气压力做功，水的内能减少

C.大气压力对水不做功，水的内能不变

D.大气压力对水不做功，水的内能增加

【答案】D【解析】由W=pSA"=p-AV可知大气压力对A、8两管中水做功的代数和为零,

但由于水的重心下降，重力势能减小，由能量守恒定律可知水的内能增加，D正确.

5.恒温的水池中，有一气泡缓慢上升，在此过程中，气泡的体积会逐渐增大，不考虑气泡内

气体分子势能的变化，下列说法中正确的是（）

A.气泡内的气体对外界做功

B.气泡内的气体内能增加

C.气泡内的气体与外界没有热传递

D.气泡内气体分子的平均动能减小

【答案】A【解析】气泡体积增大，对外做功，由于温度不变，因此分子平均动能不变，气

体的内能不变，根据AU=W+Q可知，气体吸收热量，A正确，B、C、D错误.

6.如图为某种椅子与其升降部分的结构示意图，M、N两筒间密闭了一定质最的气体，M可沿

N的内壁上下滑动，设筒内气体不与外界发生热交换，在M向下滑动的过程中（）

A.外界对气体做功，气体内能增大

B.外界对气体做功，气体内能减小

C.气体对外界做功，气体内能增大

D.气体对外界做功，气体内能减小

【答案】A【解析】本题考查了热力学第一定律，理解做功和热传递可以改变物体的内能.筒

内气体不与外界发生热交换，M向下滑动的过程中，外界对气体做功，由热力学第一定律可知气体

内能增大，A正确.

7.（多选）行驶中的汽车制动后滑行一段距离，最后停下；流星在夜空中坠落并发出明亮的火焰；

降落伞在空中匀速下降；条形磁铁在下落过程中穿过闭合线圈，线圈中产生电流.上述不司现象中

所包含的相同的物理过程是（）

A.物体克服阻力做功

B.物体的动能转化为其他形式的能量

C.物体的势能转化为其他形式的能量

D.物体的机械能转化为其他形式的能量

【答案】AD【解析】这四个现象中，物体运动过程都受到阻力，汽车主要是制动阻力，流星

坠落和降落伞降落是空气阻力，条形磁铁下落过程受到磁场阻力，因而物体都克服阻力做功，A正

确.四个物体运动过程中，汽车是动能转化为内能，流星、降落伞、条形磁铁是重力势能转化为内

能或其他形式的能，总之都是机械能转化为其他形式的能，D正确.

8.（多选）景颇族的祖先发明的点火器如图所示，用牛角做套筒，木制推杆前端粘着艾绒，猛推

推杆，艾绒即可点燃，对筒内封闭的气体，在此压缩过程中的下列说法中不正确的是（）

c

A.气体温度升高，压强不变

B.气体温度升高，压强变大

C.气体对外界做正功，气体内能增加

D.外界对气体做正功，气体内能减少

【答案】ACD【解析】由于套筒内封闭着一定质量的气体，当猛推推杆时推杆迅速压缩气体，

外界对气体做正功.由于这一过程进行得很快，可以看成是一个近似的绝热过程，即整个系统来不

及向外界传递热量.根据热力学第一定律，这时外力做的功只能用来增加气体的内能，这就使气体

分子的运动加剧，引起气体分子平均动能增加，气体温度升高.所以艾绒即刻被点燃.由于被封闭

的气体质量不变，温度升高，而体积变小，则由气体状态方程知压强变大.故B选项正确，其他选

项都错误.

9.（多选）如图所示，用绝热活塞把绝热容器隔成容积相同的两部分，先把活塞锁住，将质量和

温度都相同的理想气体氢气和氧气分别充入容器的两部分，然后提起销子，使活塞可以无摩擦地滑

动，当活塞平衡时（）

H,)02

A.氢气的温度不变B.氢气的压强减小

C.氢气的体积增大D.氧气的温度升高

【答案】BCD【解析】理想气体氢气和氧气的质量虽然相同，但由于氢气的摩尔质量小，故

氯气物质的量多，又体积和温度相同，华=C,所以氢气产生的压强大，当拔掉销子后，会推动活

容向氧q一方移动，这时氢q对外做功，又无热传递，由△U=W+Q可知，氮气内能减少，温度降

低，对氧气而言，外界对它做功，体积减小，根据热力学第一定律AU=W+Q,无热传递的情况下，

氧气内能增加，温度升高.

10.（多选）如图所示，绝热的容器内密闭•定质量的气体（不考虑分子间的作用力），用电阻丝缓

慢对其加热时，绝热活塞无摩擦地上升，下列说法正确的是（）

A.单位时间内气体分子对活塞碰撞的次数减少

B.电流对气体做功，气体对外做功，气体内能可能减少

C.电流对气体做功，气体对外做功，其内能一定增加

D.电流对气体做的功一定大于气体对外做的功

【答案】ACD【解析】由题意知，气体压强不变，活塞上升，体积增大，由牛=C知，气体

温度升高，内能一定增加，由能的转化和守恒知，电流对气体做功一定大于气体对外做功，B错误，

C、D正确.由气体压强的微观解释知温度升高，气体分子与活塞碰一次对活塞的冲击力增大；而

压强不变，单位时间内对活塞的冲击力不变.因此单位时间内对活塞的碰撞次数减少，A正确.

B组能力提升

11.一定质量的理想气体由状态〃沿所变化到状态。，吸收了340J的热量，并对外做功120

J.若该气体由状态。沿adc变化到状态c时，对外做功40J,则这一过程中气体(填“吸

收”或“放出”)J热量.

【答案】吸收260

【解析】对该理想气体由状态a沿〃儿变化到状态c,由热力学第一定律可得AU=Q+W=340

J-120J=220J