第3章 2 热力学第一定律(Word教参)-【精讲精练】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册（人教版2019）

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

阅读教材，并回答：

(1)①一物体在绝热过程：当外界对物体做了10 J功，物体内能增加了多少？当物体对外做了10 J功，物体内能又如何变化？

②一物体只与外界有热交换：外界传给物体4 J热量物体的内能增加了多少？物体若向外界传出了4 J热量，物体内能减少了多少？

答案：①10 J　10 J　②4 J　4 J

(2)如果物体内能在改变的过程中，既有热传递又有做功，内能怎样改变。

①外界对物体做了10 J的功，同时物体吸热4 J，物体内能如何变化？

②外界对物体做了10 J的功，同时物体放热4 J，物体内能如何变化？

③物体对外界做了10 J的功，同时物体吸热4 J，物体内能如何变化？

答案：①增加14 J　②增加6 J　③减小6 J

[概念·规律]

(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．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

探究点一　对热力学第一定律的理解与应用

[交流讨论]

1．热力学第一定律的推理过程用到什么方法？热力学第一定律的实质是什么？

答案：控制变量法，能量守恒。

2．下面结构图中ΔU、Q、W的正、负各表示什么物理意义？

答案：略

[归纳总结]

1．对公式ΔU＝Q＋W中ΔU、Q、W符号的规定

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。