3.2热力学第一定律-【堂堂清】2023-2024学年高二物理同步易混易错（人教版2019选择性必修第三册）

第三章 热力学定律 第一节 热力学第一定律 [核心素养·明目标] 核心素养 学习目标 物理观念 知道热力学第一定律及其符号法则。　 科学思维 理解热力学第一定律的公式并能进行相关的分析计算。 科学探究 通过热力学第一定律的应用，养成与他人合作探究的习惯，体验科学家探究规律的艰辛与执着。 科学态度与责任 了解热力学第一定律的发现过程，体会科学探索中的挫折和失败对科学发展的意义。 知识点一 　热力学第一定律的理解 (1)做功和热传递在改变系统内能上是等效的。 (2)做功过程是系统与外界之间的其他形式能量与内能的相互转化。 (3)热传递过程是系统与外界之间内能的转移。 知识点二 热力学第一定律的三种特殊情况 (1)绝热过程：Q＝0，W＝ΔU，外界对物体做的功等于物体内能的增加。 (2)不做功的过程：W＝0，Q＝ΔU，物体吸收的热量等于物体内能的增加。 (3)内能不变的过程：W＋Q＝0，即物体吸收的热量全部用来对外做功，或外界对物体做的功等于物体放出的热量。 易错易混点1.热力学定律与气体定律的综合 易错易混点辨析：求解气体实验定律与热力学定律的综合问题的一般思路 例1.如图所示，一根两端开口、横截面积为S＝2 cm2足够长的玻璃管竖直插入水银槽中并固定(插入水银槽中的部分足够深)。管中有一个质量不计的光滑活塞，活塞下封闭着长L＝21 cm的气柱，气体的温度为t1＝7 ℃，外界大气压取p0＝1.0×105 Pa(相当于75 cm高汞柱压强)。 (1)若在活塞上放一个质量为m＝0.1 kg的砝码，保持气体的温度t1不变，则平衡后气柱为多长？ (g＝10 m/s2) (2)若保持砝码的质量不变，对气体加热，使其温度升高到t2＝77 ℃，此时气柱为多长？ (3)若在(2)过程中，气体吸收的热量为10 J，则气体的内能增加多少？ 解析：(1)被封闭气体的初状态为p1＝p0＝1.0×105 Pa，V1＝LS＝42 cm3，T1＝280 K 末状态压强p2＝p0＋＝1.05×105 Pa，V2＝L2S，T2＝T1＝280 K 根据玻意耳定律，有p1V1＝p2V2，即p1LS＝p2L2S， 得L2＝20 cm。 (2)对气体加热后，气体的压强不变，p3＝p2，V3＝L3S，T3＝350 K 根据盖—吕萨克定律，有＝，即＝， 得L3＝25 cm。 (3)气体对外做的功W＝p2Sh＝p2S(L3－L2)＝1.05 J 根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W 得ΔU＝10 J＋(－1.05 J)＝8.95 J， 即气体的内能增加了8.95 J。 例2.如图所示，内壁光滑、足够高的圆柱形汽缸竖直放置，内有一质量为m的活塞封闭一定质量的理想气体。已知活塞横截面积为S，外界大气压强为p0，缸内气体温度为T1。现对汽缸内气体缓慢加热，使气体体积由V1增大到V2，该过程中气体吸收的热量为Q1，停止加热并保持体积V2不变，使其降温到T1，已知重力加速度为g，求： (1)停止加热时缸内气体的温度； (2)降温过程中气体放出的热量。 解析：(1)加热过程中气体等压膨胀，由盖—吕萨克定律＝， 得：T2＝T1。 (2)设加热过程中，封闭气体内能增加ΔU，因气体体积增大，故此过程中气体对外做功，W<0。 由热力学第一定律知：ΔU＝Q1＋W 其中W＝－pΔV＝－(V2－V1) 由于理想气体内能只与温度有关，故再次降到原温度时气体放出的热量满足Q2＝ΔU 整理可得：Q2＝Q1－(V2－V1)。 答案：(1)T1　(2)Q1－(V2－V1) 例3.一横截面积为S的汽缸竖直倒放，汽缸内有一质量为m的活塞，将一定质量的理想气体封闭在汽缸内，气柱的长度为L，活塞与汽缸壁无摩擦，气体处于平衡状态，如图甲所示，现保持温度不变，把汽缸倾斜，使汽缸侧壁与竖直方向夹角θ＝37°，重新达到平衡后，如图乙所示，设大气压强为p0，汽缸导热良好，已知sin 37°＝0.6，cos 37°＝0.8，重力加速度为g，求： (1)此时气柱的长度； (2)分析说明汽缸从竖直倒放到倾斜过程，理想气体吸热还是放热。 解析：(1)以活塞为研究对象，汽缸竖直倒放时，根据平衡条件有p0S＝mg＋p1S，得p1＝p0－ 汽缸倾斜后，根据平衡条件有p0S＝mgcos 37°＋p2S， 得p2＝p0－cos 37°＝p0－ 根据玻意耳定律有p1LS＝p2xS，解得x＝L。 (2)由(1)得出气体体积减小，外界对气体做功，W>0， 气体等温变化，ΔU＝0，由热力学第一定律ΔU＝W＋Q，知Q<0，故气体放出热量。 易错易混点2.热力学第一定律与气体图像的综合 易错易混点辨析：处理热力学第一定律与气体图像的综合问题的思路 1.根据气体图像的特点判断气体的温度、体积的变化情况，从而判断气体与外界的吸、放热