(讲义)第3章 2 热力学第一定律-【提分教练】2023-2024学年新教材高中物理选择性必修第三册(人教版2019)

2．热力学第一定律 1．能以系统为研究对象，用综合分析的方法推导出热力学第一定律。 2．能运用热力学第一定律解释和计算能量的变化、转移问题。 　热力学第一定律 1．改变内能的两种方式 做功与传热。两者在改变系统内能方面是等价的。 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)表达式：ΔU＝Q＋W。 (3)外界对系统做功时，W取正值，系统对外界做功时，W取负值；外界对系统传递的热量Q取正值，系统向外界传递的热量Q取负值。 提醒：热力学第一定律的数学表达式也适用于物体对外界做功、向外界传热和内能减少的情况。 如图所示，气象探测气球内充有常温常压的氦气，从地面上升至某高空的过程中，气球内氦气的压强随外部气压减小而逐渐减小，其温度因启动加热装置而保持不变，高空气温为－7.0 ℃，球内氦气可视为理想气体。 【问题】 若在此高空，关闭加热装置后： (1)氦气对外界做功还是外界对氦气做功？ (2)氦气吸热还是放热？ 提示：(1)根据＝C可知，探测气球体积减小，外界对氦气做功。 (2)在此高空，ΔU<0，W>0，根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W可知，Q<0，即氦气对外放热。 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．热力学第一定律的几种典型应用 (1)若过程是绝热的，即Q＝0，则W＝ΔU，外界对物体(或物体对外界)做的功等于物体内能的增加(或减少)量。 (2)若过程中不做功，即W＝0，则Q＝ΔU，物体吸收(或放出)的热量等于物体内能的增加(或减少)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(或物体对外界)做的功等于物体放出(或吸收)的热量。 【典例1】　(2022·江苏徐州高二期末)如图所示，一台四冲程内燃机，活塞在压缩冲程的某段时间内移动的距离为0.1 m，这段过程中活塞对气体的压力逐渐增大，其做的功相当于2×103 N的恒力使活塞移动相同距离所做的功，内燃机工作时汽缸温度高于环境温度，该过程中压缩气体传递给汽缸的热量为25 J，则压缩冲程气体内能的变化量为________J。做功冲程，燃烧后的高压气体对活塞做功，气体推动活塞移动0.1 m，其做的功相当于9×103 N的恒力使活塞移动相同距离所做的功，若做功冲程气体内能的减少量为930 J，则该做功冲程气体传递给汽缸的热量为________J。 [解析]　压缩冲程中，外界对气体做功，W1＝F1s＝2×103×0.1 J＝200 J，气体向外放热，Q1＝－25 J，可得气体内能的变化量为ΔU1＝W1＋Q1＝175 J。做功冲程，气体对外界做功，W2＝－F2s＝－9×103×0.1 J＝－900 J，气体内能的减少量为ΔU2＝W2＋Q2＝－930 J，解得Q2＝－30 J，所以气体传递给汽缸的热量为30 J。 [答案]　175　30 　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)对外界所做的功。 (3)根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W列出方程进行求解。 (4)特别注意物理量的正负号及其物理意义。 [跟进训练] 1．一定质量的理想气体在某一过程中，外界对气体做了8×104 J的功，气体的内能减少了1.2×105 J，则下列各式正确的是(　　) A．W＝8×104 J，ΔU＝1.2×105 J，Q＝4×104 J B．W＝8×104 J，ΔU＝－1.2×105 J，Q＝－2×105 J C．W＝－8×104 J，ΔU＝1.2×105 J，Q＝2×104 J D．W＝－8×104 J，ΔU＝1.2×105 J，Q＝－4×104 J B　[由符号法则可知，外界对气体做功，W取正值，气体内能减少，ΔU为负值，代入热力学第一定律表达式得Q＝－2×105 J，故选项B正确。] 　热力学第一定律的应用 如图所示，一定质量的理想气体由a状态变化到b状态。 【问题】 (1)在变化过程中是气体对外做功，还是外界对气体做功？ (2)在变化过程中气体吸热，还是向外放热？气体的内能增加了，还是减少了？ 提示：(1)由题图可知，气体的变化为等压膨胀，气体对外做功。 (2)由日常经验可知，理想气体在等压膨胀过程中需要从外界吸收热量。 由盖-吕萨克定律可知，理想气体在等压膨胀过程中温度升高，内能一定增加。 1．热力学第一定律与理想气体状态方程结合问题的分析思路 (1)利用体积的变化分析做功情况。气体体积增大，气体对外界做功；气体体积减小，