第三章 1 热力学第一定律 2 能量守恒定律

第三章热力学定律

1热力学第一定律

2能量守恒定律

［学习目标］1.理解热力学第一定律，并能运用热力学第一定律分析和解决相关问题(重难

点)。2.知道什么是第一类永动机及其不可能制成的原因。3.理解并会运用能量守恒定律解决

实际问题。

一、热力学第一定律

如图所示，在一个配有活塞的厚壁有机玻璃筒底放入一小团蘸了乙醛的硝化棉，用力迅速压

下活塞，可以观察到硝化棉燃烧的火苗。为什么筒底的硝化棉会被点燃呢？

■

A

答案外界对筒内气体做功，使气体内能增加，温度升高，达到硝化棉的燃点后引起硝化棉

燃烧。

「梳理与总结」

1.功和内能

(1)绝热过程：系统与外界之间没有热量的交换,只是通过外界做功的方式与外界交换能量的

过程。

(2)热力学系统的绝热过程中，系统内能的增加量AU等于外界对系统所做的功W,即△〃=

Wo

W和的正负：如果系统对外界做功，这时W取也值，AU也为负值，表示内能减少。

2.热和内能

(1)在外界没有对系统做功的过程中，系统内能的增加量AU等于系统从外界所吸收的热量0,

即

(2)。和AU的止负：如果系统向外界放热，这时。取也值，△。也为能值，表水内能减少。

3.热力学第一定律

(1)内容：在系统跟外界同时发生做功和热传递的过程中，系统内能的增加量AU等于系统从

外界吸收的热量0与外界对系统所做的功W之和。

(2)表达式：AU=O+W.

(3)应用表达式△U=W+。解题时应注意各量的正负：

①AU的正负：当系统内能增加时，AU取出值，当系统内能减小时，取鱼值。(均选填“正”

或“负”)

②W的正负：外界对系统做功时，W取正值：系统对外界做功时，W取负值。(均选填“正”

或“负”)

③。的正负：外界向系统传递热量时，。取正值；系统向外界传递热量时，。取负值。(均选

填“正”或“负”)

4.第一类永动机不可能制成

(1)第一类永动机：不需要任何动力和燃料，能持续不断地对外做功的机器。

(2)第•类永动机由于违背了热力学第•定律,所以不可能制成。

r讨论交流」

如图，在气缸内活塞左边封闭着一定质量的空气，压强与大气压相同。把气缸和活塞固定，

使气缸内空气升高•定的温度，空气吸收的热量为Qi。如果让活塞可以自由滑动(活塞与气

缸间无摩擦、不漏气)，也使气缸内空气升高相同温度，其吸收的热量为Qi和。2哪个大

些？为什么？

答案活塞与气缸都固定不动对，气体的体枳不变，没有做功过程发生，气体吸收的热量Q

全部用于增加气体的内能即为AU=Q,如果活塞可以自由滑动，温度升高，气体膨胀，会

推动活塞向外运动，对外做功，当气体升高相同温度时，气体内能的增加量与前一个过程是

相同的，也是Q”根据热力学第一定律△U=QI=W+Q2，由于W<0,所以

【例11(多选)某汽车后备箱内安装有撑起箱盖的装置，它主要由气缸和活塞组成。开箱时，

密闭于气缸内的压缩气体膨胀，将箱盖顶起，如图所示。在此过程中，若缸内气体与外界无

热量交换，忽略气体分子间的相互作用，则缸内气体()

A.对外做止功,分子的平均动能减小

B.对外做正功,内能增大

C.对外做负功,分子的平均动能增大

D.对外做正功,内能减小

答案AD

解析气体膨胀,毛体对外做正功，W<0,又因为气体与外界无热量交换，。=0,由热力学

第一定律AU=W+Q可知△(/<(),即气体内能减小，B错误，D正确；因忽略气体分子间的

相互作用，没有分子势能，所以分子平均动能威小，A正确，C错误°

■总结提升,

1.功与内能的区别

(1)功是过程量，内能是状态量。

(2)物体的内能大，并不意味着外界对它做功多。只有在绝热过程中，内能变化越大时，相应

地做功才越多。

2.判断是否做功及做功正负的方法

一般情况下外界对物体做功与否，需看物体的体积是否变化。

(1)若物体体积增大，表明物体对外界做功，WVO。

(2)若物体体积减小，表明外界对物体做功，W>0。

【例21一定质量的气体在某一过程中，外界对气体做了8X1O4J的功，气体的内能减少了

1.2X105J,则下列各式正确的是()

A.IV=8X104J,A(7=].2XIO5J,()=4X104J

B.VV=8X104J,A(/=-1.2X105J,0=~2X1O5J

C.VV=-8X104J,A(/=L2XIO5J,Q=2XIO4J

D.W=-8X104J,Ag-1.2X10,J,Q=-4X104J

答案B

解析因为外界对气体做功，W取正值，即W=8X104J：气体内能减少，AU取负值，即MJ

=-|.2X105J；根据热力学第一定律△U=W+Q,可知。=AU-W=-1.2X1()5J-8XIO4J

=-2X)05J,B选项正确。

【例31一个气泡从恒温水槽的底部缓慢向上浮起(不计气泡内空气分子的势能)，则下列说法

正确的是()

A.气泡对外做功，内能不变，同时放热

B.气泡对外做功，内能不变，同时吸热

C.气泡内能减少，同时放热

D.气泡内能不变，不吸热也不放热

答案B

解析在气泡缓慢上升的过程中，气泡外部的压强逐渐减小，t泡膨胀，对外做功，VV<0,

由于外部恒温，且气泡缓慢上升，故可以认为上升过程中气泡内空气的温度始终等于外界温

度，内能不变，即AUnO,由热力学第一定律△U=W+Q知窑从外界吸收热量，且吸妆的

热量等于气泡对外界所做的功，故B正确。

■总结提升,

理想气体（不计分子势能）的内能只取决于温度，温度不变，则内能不变，AUnO。

【例4】如图，内壁光滑的气缸竖直放置在水平桌面上，气缸内封闭一定质量的气体。气体从

状态A（活塞在A处）变为状态B（活塞在6处）时,气体吸收热量280J,并对外做功120Jo

li-------

A

（1）气体的内能改变了多少？是增加还是减少？

（2）某同学在上一问的基础上又接着提了后•个问题，说：“有人使气体从上一问的B状态再

回到A状态，即回到原来A状态时的体积和温度，气体放出的热量是150J,那么返回过程

中气体对外做的功乂是多少？”请你对后一个问题进行评价。

答案（1）160J增加（2）见解析

解析（1）根据热力学第一定律可知，气缸内封闭气体的内能变化量为

△U=Q+W=（280+（-120）］J=160J

即内能增加了160Jo

⑵若气体从8状态又返回4状态，则气体的内能变化量为AU'=-160J

根据热力学第一定律可知，气体由8状态返回A状态的过程中有AU'=Q'+W

则W'=AU'—Q'=（-160+150）J=-10J

即气体从8状态返回A状态过程中，对外做功为10Jo

但从8状态到A状态，气体体积减少，应该外界对气体做功，显然与实际情况不符，故该问

题题设有误，该过程不能发生，

■总结提升--------------------------------------------------------------------------

应用热力学第一定律解题的一般步藤

（1）根据符号法则写出各已知量（W、Q、AU）的正负；

（2）根据\U=W+Q列方程求出未知量；

（3）再根据未知量结果的正负来确定吸、放热情况、做功情况或内能变化情况。

m51（2022•济南市高二期中）如图所示，内壁光滑的绝热气缸固定在水平面上，其右端由于

有挡板，厚度不计的绝热活塞不能离开气缸，气缸内封闭着一定质量的理想气体，活塞距气

缸右端的距离为0.2m。现对封闭气体加热，活塞缓慢移动，•段时间后停止加热，此时封

闭气体的压强变为ZXKTPa。已知活塞的横截面枳为0.04n?,外部大气压强为1XIO'Pa,

加热过程中封闭气体吸收的热量为2000J,则封闭气体的内能变化量为()

□ZE

A.400JB.I200J

C.2(XX)JD.2800J

答案B

解析由题意可知，气体先等压变化，到活塞运动到挡板处再发生等容变化，等压变化过程

气体对外做功，做功为W=-〃)Sx=-lX105X0.04X0.2J=-8D0J,由热力学第一定律可知，

封闭气体的内能变化量为A(7=lV+(2=(-8OO4-2000)J=120()J,故B正确。

二、能量守恒定律

如图为•种所谓“全自动”的机械手表，既不需要上发条，也不用任何电源，却能不停地走

下去。这是不是一种永动机？如果不是，维持表针走动的能量是从哪儿来的？

答案这不是永动机。手表戴在手腕上，通过手臂的运动，机械手表获得能量，供手表指针

走动。若将此手表长时间放置不动，它就会停下来。

「梳理与总结」

I.内容：能量既不会凭空产生,也不会凭空消失,它只能从一种形式转化为另•种形式，或

者从一个物体转移到另一个物体,在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变。

2.两种表述

(1)某种形式的能减少，一定有其他形式的能增加，且减少量和增加量一定相等。

(2)某个物体的能量减少，一定存在其他物体的能量增加，且减少量和增加量一定相等。

3.热力学第一定律与能量守恒定律的比较

(1)能量守恒定律是各种形式的能相互转化或转移的过程，总能量保持不变，它包括各个领域,

范围广泛。

(2)热力学第一定律是物体内能与其他形式的能之间的相互转化或转移，是能量守恒定律在热

现象领域内的具体体现。

•辨析------------------------------------------------------------------------------

(1)能量既可以转移又可以转化，故能的总量是可以变化的。(X)

（2）违背能量守怛定律的过程是不nJ能发生的。（V）

（3）运动的物体在阻力作用下会停下来，说明机械能凭空消失了。（X）

（4）第一类永动机不能制成，因为它违背了能量守恒定律。（J）

【例6】（2022.苏州市高二期末）有•种叫作“压电陶瓷”的电子元件,当对它挤压或拉伸时,

它的两端就会形成一定的电压，这种现象称为压电效应。一种燃气打火机，就是应用了该元

件的压电效应制成的。只要用大拇指压一下打火机上的按钮，压41陶瓷片就会产生10-20kV

的高压，形成火花放电，从而点燃可燃气体。在上述过程中，乐电陶瓷片完成的能量转化是

（）

A.化学能转化为电能

B.内能转化为电能

C.化学能转化为光能

D.机械能转化为电能

答案D

解析根据题意用大拇指压一下打火机上的按钮，压电陶瓷片就会产生10〜20kV的高压，

形成火花放电，从而点燃可燃气体。转化前要消耗机械能，转化后得到了电能，即压电陶无

片完成的能量转化是机械能转化为电能，故选D。

课时对点练

基础对点练

考点一热力学第一定律

1.关于内能的变化，以下说法正确的是（）

A.物体吸收热生，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

答案C

解析根据热力学第一定律AU=W+Q,物体内能的变化与做功及传热两个因素均有关。物

体吸收热量，内能不一定增大，因为物体可能同时对外做功，故内能可能不变或减少，A错

误，C正确；物体对外做功，可能同时吸收热量，故内能可能无变或增大，B错误；物体放

出热量，同时对外做功，内能一定减少，D错误。

2.（2022♦北京市丰台高二期末）如图所示，现用活塞压缩封闭在气缸内的空气，对空气做了90J

的功，同时空气向外散热21J,关于气缸内空气的内能变化情况，下列说法正确的是（）

Ijo

A.内能增加90JB.内能增加69J

C.内能减小111JD.内能减少21J

答案B

解析根据题意，由热力学第一定律AU=Q+W可得，气缸内空气的内能变化为AU=-21J

+90J=69J,即气缸内空气的内能增加了69J。故选B。

3.（2022•北京二中期末）•定质量的理想气体，从某•状态开始，经过•系列变化后乂回到开

始的状态，用M表示外界对气体做的功，1%表示气体对外界做的功，Q表示气体吸收的热

量，0表示气体放出的热量，则在整个过程中一定有（）

A.0|—。2=卬2—附B.彷=。2

C.VV1=W2D.Q\>Q1

答案A

解析一定质量的理想毛体，从某一状态开始，经过一系列变化后又回到开始的状态，说明

整个变化过程内能的变化为零，根据热力学第一定律可得

△U=WLW2+QLQ=0,

可得。I一。2=卬2—卬1,因为没有具体的变化过程，所以无法判断W1与卬2的大小关系，也

无法判断彷与Q2的大小关系,A正确，B、C、D错误。

4.（2022•南充市高二期末）恒温环境中，在导热性能良好的注射器内，用活塞封闭了一定质量

的理想气体，用力缓慢向外拉活塞，此过程中（）

A.封闭气体分子间的平均距离减小

B.封闭气体分子的平均速率减小

C.封闭气体从外界吸热

D.活塞对封闭气体做正功

答案C

解析向外拉活塞，封闭气体的体积变大，分子间的平均距离增大，故A错误；对于一定质

量的理想气体，气体的内能和分子平均速率只取决于温度，由题可知，温度不变，则封闭气

体的内能不变，封闭气体分子的平均速率也不变，故B错误；根据AU=W+Q,可知，温度

不变，则内能不变，即△U=0,用力向外缓慢拉动活塞，则W<0,故。>0,即气体从外界吸

妆热量，故C正确；用力向外缓慢拉动活塞过程中，戈体对活塞做正功，则活塞对气体做负

功，故D错误。

5.（2022•广州市高二期末）列车运行的平稳性与车厢的振动密切相关，车照底部安装的空气弹

簧可以有效减震，空气弹簧主要由活塞、气缸及内封的一定质量的气体构成。上下乘客及剧

烈颠簸均能引起车厢振动，上下乘客时气缸内气体的体积变化缓慢，气体与外界有充分的热

交换，剧烈颠簸时气缸内气体的体枳变化较快，气体与外界来不及热交换。若外界环境温度

保持不变，气缸内气体视为理想气体，在气体压缩的过程中，当上下乘客时，气体的内能

（选填“增加”“减少”或“不变”），气体从（向）外界（选填“吸热”或

“放热”）:剧烈颠簸时，________________（选填“外界对气体”或“气体对外界”）做功，

气体的温度________（选填“升高”“降低”或“不变”）。

答案不变放热外界时气体升高

解析上下乘客时气缸内气体的体积变化线慢，气体与外界有充分的热交换，则气体温度不

变，内能.不变,即AU=O:

在气体压缩的过程中，外界对气体做正功，即卬＞0,根据热力学第一定律AU=Q+W,可得

。＜0,所以毛体对外放出热量：

剧烈颠簸时气缸内气体的体枳变化较快，气体与外界来不及热交换，即。=0,在气体压缩的

过程中，外界对气体做正功，即卬＞0：

根据热力学第一定律AU=Q+W,可得AUX）,即气体的内能增加，温度升高。

考点二能量守恒定律永动机不可能制成

6.下列说法正确的是（）

A.条形磁体下落过程中穿过闭合线圈，线圈中产生了感应电流，说明电能是可以被创造的

B.太阳照射到地球上的光能转化成了其他形式的能量，但照射到宇宙空间的能量都消失了

C.”既要马儿跑，又让马儿不吃草”违背了能量守恒定律，因而是不可能的

D.有种“全自动”手表，不用上发条，也不用任何形式的电源，却能一直走动，说明能量

是可以凭空产生的

答案C

解析磁铁穿过线圈过程中是机械能转化成了电能，故A错误；太阳照射到宇宙空间的能量

没有消失，故B错误；马儿奔跑时同样需要消耗能量，故“既爰马儿跑，又让马儿不吃草”

违背了能量守恒定律，因而是不可能的，故C正确；不用上发条，也不用任何形式的电源，

却能一直走动的“全自动”手表是靠手臂的摆动提供能量的，它不违背能量守恒定律，故D

错误。

7.（多选）下列关于第一类永动机的说法正确的是（）

A.第一类永动机是不消耗任何能量却能源源不断对外做功的机器

B.随着科技的发展，第一类永动机是可以制成的

C.第一类永动机不可能制成的原因是技术问

D.第一类永动机不可能制成的原因是违背了能量守恒定律

答案AD

解析第一类永动机是不消耗任何能量却能源源不断对外做功的机器，这是人们的美好愿望，

但它违背了能量守恒定律，这也是它不可能制成的原因，故A、D正确，B、C错误。

8.（多选）行驶中的汽车刹车后会滑行一段距离，最后停卜；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：条形磁体在下落过程中穿过闭合线圈，线圈中产生电流。上

述不同现象所包含的相同物理过程是（）

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中都受到阻力作用，汽车主要受摩擦阻力，流星、降落伞

受空气阻力，条形磁体下落受磁场阻力，因而物体都克服阻力做功，A正确。四个物体的运

动过程中，汽车是动能转化成了内能，流星、降落伞、条形磁体是重力势能转化成其他形式

的能，总之是机械能转化成了其他形式的能，D正确。

能力综合练

9.如图所示，导热良好的圆筒形气缸竖直放置在水平地面上，用活塞将一定质量的理想气体

封闭在气缸内，活塞上堆放着铁砂，系统处于静止状态。现缓慢取走铁砂，忽略活塞与气缸

之间的摩擦，外界环境温度不变，则在此过程中缸内气体（）

A.对外做功，其内能减少

B.温度不变，与外界无热量交换

C.分子碰撞缸壁时的平均作用力减小

D.分子在单位时间内对单位面积活塞的碰撞次数减少

答案D

解析缓慢取走铁砂的过程中，活塞对封闭％体的压强减小，因温度不变，由〃V=C知V变

大，活塞会缓慢上升，气体膨张对外做功，WVO,气缸导热艮好，缸内气体温度保持不变，

即△UnO,由热力学第一定律AU=W+Q知Q>0,即气体要从外界吸收热量，故A、B错

误；由上面的分析可知缸内气体温度不变，即气体分子的平均动能不变，所以分子与缸壁碰

撞时的平均作用力不变，故C错误：因为缸内气体体积增大，所以缸内气体分子数密度减小，

分子的平均动能不变，则在单Q时间内气体分子对单位面积活塞的碰撞次数减少，故D正确。

10.（2022•深圳市高二期中）如图所示，容器A、B各有一个可以目由移动的轻活塞，活塞卜.面

是水，上面是大气，大气压强恒定。A、B的底部由带有阀门K的管道相连，整个装置与外

界绝热。起初，A中水面比B中的高，打开阀门，使A中的水逐渐流向B中，最后达到平

衡。在这个过程中，卜列说法止确的是（)

A.大气压力对水做功，水的内能减小

B.水克服大气压力做功，水的内能减小

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，水向内能增加

答案D

解析平衡前，A容器中的活塞向下移动，设A中活塞横截面积为与，移动距离为八大%

压力推动A中活塞向下移动时对水做的功WA=P（5/I,平衡前，B容器中的活塞向上移动，

设B中活塞横截面为B,移动距离为5水通过活塞对外界做功，WB=-P（）S2/2,由于水的

总体积不变，则有SM=S212,即A容器中大气压力对水做的功与B容器中水克服大气压力

做的功相等。在整个过程中，大气压力对水做的功是上述两个功（正功WA、负功WB）的代数

和，即1以+15=/）0$/|-/70.*/2=0,诜项A、R错误.大气压力对■水不做功，同时整个装责

与外界绝热