第3章 2. 热力学第一定律-【新课程能力培养】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册学习手册（人教版2019）

学 第三章 热力学定律 2. 热力学第一定律 零能量损耗的情况下， 像空调系统一样冷却 烈日下的建筑物” 无须提供电能和机械能， 它从其覆盖的物体中吸收热量， 故 A 、 B 、 D 错误， C 正确。 答案： C 变式训练答案 1. A 2. AD 3. C 4. CD 知 识 梳 理 知识点 1 热力学第一定律 1. 热力学第一定律内容： 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=W+Q 。 知识点 2 热力学第一定律的应用 在运用热力学第一定律解决问题时， 首 先需要确定研究对象。 对于公式 ΔU＝Q＋W ， 我们可以这样理解： 外界对系统做功有助于 系统内能的增加， 因此， 外界对系统做功 时， W 取正值； 而系统对外界做功时， W 取负值。 同理， 外界对系统传递热量有助于 系统内能的增加， 因此， 外界对系统传递的 热量 Q 取正值； 而系统向外界传递的热量 Q 就取负值。 要 点 突 破 要点 1 热力学第一定律的应用 1. 热力学第一定律内容： 一个热力学系统内 能的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=W+Q 。 3. 对公式 ΔU=Q+W 符号的规定： 例 1 自热米饭因其便于加热和携带越来越 受到大众的欢迎。 自热米饭盒内有一 个发热包 ， 遇水发生化学反应而产 生大量热 能 ， 不 需 要 明 火 ， 温 度 可超过 100 ℃ ， 盖上盒盖便能在 10～ 15 min 内迅速加热食品。 自热米饭的 盖子上有一个透气孔， 如果透气孔堵 塞， 容易造成小型爆炸。 下列说法正 确的是 （ ） A． 自热米饭盒爆炸， 是盒内气体温度升高， 气体分子间斥力急剧增大的结果 B． 在自热米饭盒爆炸的瞬间， 盒内气体内 能增加 C． 在自热米饭盒爆炸的瞬间， 盒内气体温 度降低 D． 自热米饭盒爆炸前， 盒内气体温度升高， 标志着每一个气体分子速率都增大了 符号 W Q ΔU ＋ 外界对物体做功 物体吸收热量 内能增加 － 物体对外界做功 物体放出热量 内能减少 69 学 第三册 （人教版）高中物理选择性必修 解析： 自热米饭盒爆炸前， 盒内气体温度升 高， 由分子动理论可知， 气体分子间的距离 很大， 气体分子间作用力忽略不计， 即使需 要考虑分子间的作用力， 分子间的作用力也 应该表现为引力， 故 A 错误； 根据热力学第 一定律， 爆炸前气体温度升高， 内能应增 大， 突然爆炸的瞬间气体对外界做功， 这一 瞬间可以忽略热传递， 所以其内能应减少， 温度也会有所下降， 故 B 错误， C 正确； 自 热米饭盒爆炸前， 盒内气体温度升高， 分子 平均动能增加， 但并不是每一个气体分子速 率都增大， 故 D 错误。 答案： C 变式训练 1 春节期间， 小明去泡温 泉， 经细心观察， 他发现水 泡在上升过程中变得越来越 大。 若将水泡内的气体视为 理想气体， 且水泡内气体的 温度不变， 则在水泡上升的过程中 （ ） A． 水泡内气体的压强减小， 吸收热量 B． 水泡内气体的压强减小， 放出热量 C． 水泡内气体的压强增大， 吸收热量 D． 水泡内气体的压强增大， 放出热量 要点 2 热力学第一定律在理想气体变 化过程中的应用 1． 理想气体的等压过程 如图所示是一定质 量气体的等压线 ， 若气 体从状态 A 变化到状态 B ， 该过程是等压膨胀过程， V 2 >V 1 ， T 2 >T 1 ， 体积增大， 气体对外做功， W<0 ， 但理想气 体的内能仅取决于温度， 温度升高， 内能增 大， ΔU>0 ， 则由热力学第一定律有 Q＝ΔU－ W>0 ， 气体吸收热量， 吸收的热量一部分用 来增加气体的内能， 一部分转化为对外所做 的功。 若气体从状态 B 变化到状态 A ， 该过 程为等压压缩， 应有 W>0 ， ΔU<0 ， Q＝ΔU－ W<0 ， 这说明气体放出的热量等于外界对气 体所做的功与气体内能减小量的和。 2． 理想气体的等容过程 等容过程中， 体积 V 不变， W＝0 ， 则由 热力学第一定律有 ΔU＝Q ， 若温度升高时， 气体吸收的热量全部用来增加气体的内能， 反之 ， 气体放出的热量等于气体内能的 减少。 3． 理想气体的等温过程 等温过程中内能不变， 即 ΔU＝0 ， 由热 力学第一定律有 W＝－Q ， 若气体等温压缩， 则 W>0 ， Q<0 ， 气体放出热量， 外界对气体 所做的功全部转换为放出的热量， 若气体等 温膨胀， W<0 ， Q>0 ， 气体吸收热量， 吸收 的热量全部用来对外做功。 4. 几种特殊情况 （ 1 ） 绝热过程： 系统与外界没有热传递， Q＝ 变式训练 1 题图 T 1 TT 2 O V V 1 V 2 A B 气体分子间的距离很大， 气体分子 间的作用力可以忽略。 根据热力学第一 定律， 盒内气体吸收化学反应释放的热 量， 极短时间气体增加了内能， 从而使 得温度迅速升高， 压强瞬间增大。 气体 温度升高， 分子平均动能增大， 不是每 个分子动能都增加。 思路点拨 70 学 第三章 热力学定律 0 ， 则 ΔU=W 。 （ 2 ） 自由膨胀过程： 系统在真空中做自由膨 胀时， 对外界不做功， W＝0 ， 则 ΔU=Q 。 （ 3 ） 若系统的始末状态的内能不变， 则 ΔU＝ 0 ， W+Q=0 。 例 2 一定质量的理想气体， 经过如图所示 的状态变化 ， 设状态 A 的温度为 400 K ， 求： （ 1 ） 状态 C 的温度 T C 为多少？ （ 2 ） 如果由 A 经 B 到 C 的状态变化的整个 过程中， 气体对外做了 400 J 的功， 气 体的内能增加了 20 J ， 则这个过程气体 是吸收热量还是放出热量？ 其数值为 多少？ 解析： （ 1 ） 由理想气体状态方程为 p A V A T A = p C V C T C ， 代入数据解得 T C ＝320 K 。 （ 2 ） 由热力学第一定律公式 ΔU＝Q+W ， 得到 Q＝420 J＞0 ， 气体吸收热量。 答案 ： （ 1 ） 状态 C 的温度 T C 为 320 K 。 （ 2 ） 气体是吸收热量， 其数值为 420 J 。 变式训练 2 卡诺循环是能体现热机工作时汽缸内气 体状态循环变化基本特性的理想循环， 其循 环过程如图所示。 卡诺循环包含 1 、 3 两个 等温过程和 2 、 4 两个绝热 过程。 汽缸内气体可看作理想气体， 关于卡 诺循环， 下列说法正确的是 （ ） A． 过程 1 气体放热 B． 过程 2 气体温度升高 C． 过程 3 气体对外界做功 D． 经 a→b→c→d→a 完整循环过程时气体对 外界做的功大于外界对气体做的功 拓 展 创 新 （多选） 气闸舱是载人航天器中供航天 员进入太空或由太空返回用的气密性装置， 其原理如图所示。 座舱 M 与气闸舱 N 之间 装有阀门 K ， 座舱 M 中充满空气， 气闸舱 N 内为真空。 航天员从太空返回气闸舱 N 后 ， 打开阀门 K ， M 中的气体进入 N 中 ， 最终达到平衡。 若此过程中不考虑空气与外 界的热交换， 舱内气体可视为理想气体， 下 列说法正确的是 （ ） V/×10 -3 m 3 p/×10 3 Pa 500 400 300 200 100 0 1 2 3 4 5 A B C 例 2 题图 （ 1 ） 直接根据理想气体状态方程列式求 解状态 C 的温度 T C 。 （ 2 ） 根据热力学第一定律分析即可。 思路点拨 卡诺循环 V p O c d a b 1 2 3 4 变式训练 2 题图 K MN 拓展创新题图 71 学 第三册 （人教版）高中物理选择性必修 3. 能量守恒定律 A． 气体对外不做功， 气体内能不变 B． 气体体积膨胀， 对外做功， 内能减小 C． 气体温度降低， 体积增大， 压强减小 D． N 中气体不能自发地全部退回到 M 中 解析： M 中的气体自由扩散膨胀， 没有对外 做功， W＝0 ， 又因为整个系统与外界没有热 交换， Q＝0 ， 根据热力学第一定律 ΔU＝W+Q 可知， ΔU＝0 ， 即气体内能不变， 故 A 正确， B 错误； 因气体内能不变， 所以其温度不 变， 根据玻意耳定律 pV＝C 可知， 扩散后气 体的体积 V 增大， 压强 p 减小， 故 C 错误； 根据热力学第二定律可知， 一切宏观热现象 均具有方向性， 可知 N 中气体不能自发地 全部退回到 M 中， 故 D 正确。 答案： AD 变式训练答案 1. A 2. D 知 识 梳 理 知识点 1 能量守恒定律 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其他形式， 或 者从一个物体转移到别的物体， 在转化或转 移的过程中， 能量的总量保持不变。 知识点 2 永动机不可能制成 1. 第一类永动机： 不需要任何动力或燃料， 却能不断地对外做功， 史称 “第一类永 动机”。 2. 第一类永动机不可能制成的原因： 能量守 恒定律说明第一类永动机不可能制成。 要 点 突 破 要点 1 理解能量守恒定律 1. 能量的存在形式及相互转化 （ 1 ） 各种运动形式都有对应的能量： 机械运 动有机械能， 分子热运动有内能， 还有 电磁能、 化学能、 原子能等。 （ 2 ） 各种形式的能通过某种力做功可以相互 转化， 例如， 汽车刹车时机械能转化为 内能， 燃烧煤时化学能转化为内能， 电 动机工作时电能转化为机械能和内能 等。 2. 第一类永动机不可能制成的原因： 以热 机为例， 如果没有外界供给热量而对外 做功， 由热力学第一定律公式 ΔU＝Q+W 可知， 系统内能将减少， 若想源源不断 地做功 ， 就必须使系统不断回到初始 状态， 在无外界能量供给的情况下是不 可能的。 例 1 下列关于能量转化与守恒定律的说法 错误的是 （ ） A. 能量能从一种形式转化为另一种形式 ， 但不能从一个物体转移到另一物体 B. 能量的形式多种多样， 它们之间可以相 互转化 C. 一个物体能量增加， 必然伴随着别的物 体能量减少 72