内容正文:
2 热力学第一定律
[学业要求]
1.了解热力学第一定律。
2.会用ΔU=W+Q解决一些简单问题。
热力学定律
1.改变内能的两种方式
做功与__热传递__,两者在改变系统内能方面是__等效的__。
2.热力学第一定律
(1)内容
一个热力学系统的内能变化量等于外界向它传递的__热量__与外界对它__所做的功__的和。
(2)数学表达式:ΔU=__Q+W__。
1.下列说法正确的是( )
A.外界对系统做功,系统的内能一定增加
B.系统内能增加,一定是系统从外界吸收了热量
C.系统从外界吸收热量5 J,内能可能增加5 J
D.系统内能减少,一定是系统对外界做了功
答案 C
2.疫情期间,某班级用于消毒的喷壶示意图如图所示。闭合阀门K,向下压压杆A可向瓶内储气室充气,多次充气后按下按柄B打开阀门K,消毒液会自动经导管从喷嘴处喷出。储气室内气体可视为理想气体,充气和喷液过程中温度保持不变,则下列说法正确的是( )
A.充气过程中,储气室内气体分子数增多且分子运动剧烈程度增加
B.充气过程中,储气室内气体分子平均动能变大
C.充气过程中,储气室内气体内能不变
D.喷液过程中,储气室内气体吸收热量,对外界做功
解析 充气过程中,储气室内气体增加,则分子数增多,因温度不变,则分子运动剧烈程度不变,选项A错误;充气过程中,因温度不变,则储气室内气体分子平均动能不变,选项B错误;充气过程中,温度不变,但储气室内气体分子数增多,所以储气室内气体内能增大,C错误;喷液过程中,温度不变,内能不变,但由于气体膨胀,气体对外做功,所以要吸收热量,D正确。
答案 D
知识点一 对热力学第一定律的理解与应用
1.对公式ΔU=Q+W中ΔU、Q、W符号的规定
符号
Q
W
ΔU
+
物体吸收热量
外界对物体做功
内能增加
-
物体放出热量
物体对外界做功
内能减少
2.几种特殊情况
(1)若过程是绝热的,即Q=0,则ΔU=W,物体内能的增加量等于外界对物体做的功。
(2)若过程中不做功,即W=0,则ΔU=Q,物体内能的增加量等于物体从外界吸收的热量。
(3)若过程的始末状态物体的内能不变,即ΔU=0,则W=-Q(或Q=-W),外界对物体做的功等于物体放出的热量(或物体吸收的热量等于物体对外界做的功)。
3.判断是否做功的方法
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,W<0;
(2)若物体体积减小,表明外界对物体做功,W>0。
(2022·山东卷)如图所示,内壁光滑的绝热汽缸内用绝热活塞封闭一定质量的理想气体,初始时汽缸开口向上放置,活塞处于静止状态,将汽缸缓慢转动90°过程中,缸内气体( )
A.内能增加,外界对气体做正功
B.内能减小,所有分子热运动速率都减小
C.温度降低,速率大的分子数占总分子数比例减少
D.温度升高,速率大的分子数占总分子数比例增加
[解析] 初始时汽缸开口向上,活塞处于平衡状态,汽缸内外气体对活塞的压力差与活塞的重力平衡,则有(p1-p0)s=mg,汽缸在缓慢转动的过程中,汽缸内外气体对活塞的压力差大于重力沿汽缸壁的分力,故汽缸内气体缓慢地将活塞往外推,最后汽缸水平,缸内气压等于大气压。汽缸、活塞都是绝热的,故缸内气体与外界没有发生热传递,汽缸内气体压强作用将活塞往外推,气体对外做功,根据热力学第一定律ΔU=Q+W得:气体内能减小,故缸内理想气体的温度降低,分子热运动的平均速率减小,并不是所有分子热运动的速率都减小,AB错误;气体内能减小,缸内理想气体的温度降低,分子热运动的平均速率减小,故速率大的分子数占总分子数的比例减小,C正确,D错误。
[答案] C
一定质量的气体从外界吸收了4.2×105 J的热量,同时气体对外做了6×105 J的功,问:
(1)物体的内能是增加还是减少?变化量是多少?
(2)分子势能是增加还是减少?
(3)分子的平均动能是增加还是减少?
[解析] (1)气体从外界吸热,故Q=4.2×105 J,气体对外做功,故W=-6×105 J,由热力学第一定律有ΔU=W+Q=(-6×105 J)+(4.2×105 J)=-1.8×105 J。ΔU为负,说明气体的内能减少了,所以气体内能减少了1.8×105 J。
(2)因为气体对外做功,气体的体积膨胀,分子间的距离增大了,所以分子力做负功,气体分子势能增加。
(3)因为气体内能减少,同时气体分子势能增加,所以气体分子的平均动能一定减少。
[答案] (1)减少 1.8×105 J (2)增加
(3)减少
●总结提升
应用热力学第一定律解题的一般步骤
(1)根据符号法则写出各已知量(W、Q、ΔU)的正负;
(2)根据方程ΔU=W+Q求出未知量;
(3)再根据未知量结果的正负