第3章 第1节 热力学第一定律-（课件PPT+Word教案）【步步高】2024-2025学年高二物理选择性必修第三册教师用书（粤教版2019）

DISANZHANG 第三章 第一节　热力学第一定律 1 1.掌握内能的概念，知道分子动能和分子势能的影响因素(重点)。 2.知道做功和热传递是改变物体内能的两种方式，明确两种方式的区别。 3.理解热力学第一定律，并能运用热力学第一定律分析和解决相关问题(重点)。 学习目标 2 一、物体的内能 二、改变物体内能的两种方式 课时对点练 内容索引 三、热力学第一定律及其应用 3 物体的内能 一 4 1.分子势能 (1)概念：由于分子间存在相互作用力，分子间具有由它们的__________ 决定的势能。 (2)两分子间的势能与分子间距离的关系如图所示(取无 穷远处分子间势能为零)。 ①当r>r0时，分子力表现为 ，若r增大，需克服引力 做功，分子势能 。 相对位置 引力 增大 ②当r<r0时，分子力表现为 ，若r减小，需克服斥力做功，分子势能 。 ③当r=r0时，即分子间距离等于平衡距离时，分子间的作用力为零，分子势能 。 斥力 增大 最小 2.分子动能：物体内部的分子由于做 而具有分子动能。 3.内能：物体中所有分子的 和 的总和，叫作物体的内能。 (1)宏观上，物体的内能由物体的物质的量、温度和体积共同决定，同时受物态变化的影响。 (2)微观上，物体的内能由物体所含的分子总数、分子的平均动能和分子势能决定。 热运动 动能 分子势能 　(多选)关于物体的内能，下列说法正确的是 A.相同质量的两种不同物质，升高相同的温度，内能的增量一定相同 B.物体的内能改变时温度不一定改变 C.内能与物体的温度有关，所以0 ℃的物体内能为零 D.分子数和温度相同的物体不一定具有相同的内能 例1 √ √ 相同质量的两种不同物质的物质的量可能不同，进而可知分子数可能不同，故升高相同的温度时(分子平均动能的变化量相同)，其分子总动能的变化量不一定相同，且不知道分子势能如何变化，故其内能的增量可能不相同，选项A错误； 物体内能改变时，可能是分子势能改变，因此温度不一定改变，选项B正确； 分子永不停息地做无规则运动，故物体的内能不可能为零，选项C错误； 物体的内能与分子数、温度和体积有关，分子数和温度相同，体积不同的物体，内能可能不同，选项D正确。 总结提升 1.分子动能 (1)组成物体的每个分子都在不停地做无规则运动，因此分子具有动能。由于分子运动的无规则性，研究单个分子的动能没有意义。 (2)平均动能指物体内所有分子做热运动动能的平均值。温度升高时，分子的平均动能增大，温度是分子热运动的平均动能的标志。 2.比较物体内能的大小和判断内能改变的方法 (1)当物体质量m一定时(相同物质的摩尔质量M相等)，物体所含分子数n就一定。 (2)当物体温度一定时，物体内部分子的平均动能就一定。 (3)当物体的体积不变时，物体内部分子间的相对位置就不变，分子势能也不变。 (4)当物体发生物态变化时，要吸收或放出热量，使物体的温度或体积发生改变，物体的内能也随之变化。 返回 改变物体内能的两种方式 二 11 在空气压缩引火仪底部放置少量的硝化棉，迅速压下筒中的活塞，可以观察到硝化棉燃烧的火苗。为什么筒底的硝化棉会被点燃呢？ 答案　外界对筒内气体做功，使气体内能增加，温度升高，达到硝化棉的燃点后引起硝化棉燃烧。 1.做功与内能变化的关系 如果物体和外界不发生热传递，外界对物体做功，物体的内能 ，物体对外界做功，物体的内能 。 2.热传递与内能变化的关系 (1)热传递过程中物体 变化的量称为热量。 (2)在单纯热传递的过程中，物体从外界吸收热量，物体的内能 ，物体向外界放热，物体的内能 。 梳理与总结 增加 减少 内能 增加 减少 3.做功和热传递改变物体内能上的异同 (1) 和 是改变物体内能的两种方式，二者对于改变物体的内能来说是 的。 (2)做功的实质是内能与其他形式的能之间的 ，而热传递则是不同物体(或同一物体不同部分)之间内能的 。 做功 热传递 等效 转化 转移 　下列说法正确的是 A.热量和功是由过程决定的，而内能是由物体状态决定的 B.外界对物体做功，物体的内能一定增大 C.物体吸收热量，温度一定升高 D.热量总是由内能大的物体传向内能小的物体 例2 √ 热量和功是过程量，内能是状态量，故A选项正确； 引起物体内能的变化有做功和热传递两种方式，单就一个方面不足以断定其内能的变化，故B选项错误； 在晶体熔化和液体沸腾过程中，物体要不断地吸收热量，但物体的温度不变，这时内能的增加主要表现在内部分子势能的增加，故C选项错误； 两物体之间热量的传递方向只与它们的温度有关，与它们内能的大小无关，故D选项错误。 总结提升 1.功与内能的区别 (1)功是过程量，内能是状态量。 (2)物体的内能大，并不意味着外界对它做功多。只有在绝热过程中，内能变化越大时，相应地做功才越多。 2.热量、温度与内能的区别 (1)热量是系统内能变化的量度，而温度是系统内大量分子做无规则运动剧烈程度的标志，热传递的前提是两个系统之间要有温度差，传递的是热量而不是温度。 (2)内能是状态量，热量是过程量。热量只有在涉及能量的转移时才有意义。不能说物体具有多少热量，只能说某一过程中物体吸收或放出了多少热量。 (3)物体的内能大，并不意味着热传递多。只有在仅热传递过程中，内能变化越大时，相应的热传递才越多。 返回 热力学第一定律及其应用 三 19 1.内容：如果外界同时对物体做功和进行热传递，物体内能的增量ΔU等于物体吸收的 和外界对物体做的功W之和。 2.表达式：ΔU=________。 热量Q Q+W 一定质量的气体，膨胀过程中是外界对气体做功还是气体对外界做功？如果膨胀时气体对外做的功是135 J，同时向外放热85 J，气体内能的变化量是多少？内能是增加了还是减少了？ 讨论与交流 答案　膨胀过程中气体对外界做功，W=-135 J，气体向外放热：Q=-85 J，根据热力学第一定律：ΔU=W+Q，代入得：ΔU=-135 J+(-85) J=-220 J，所以气体内能减少了220 J。 1.ΔU的正负：当系统内能增加时，ΔU取_____值，内能减少时，ΔU取_____值。 2.W的正负：外界对系统做功时，W取_____值；系统对外界做功时，W取_____值。 3.Q的正负：外界对系统传递热量时，Q取_____值；系统向外界传递热量时，Q取____值。 提炼·总结 正 负 正 负 正 负 　(1)一定质量的气体，从外界吸收3.5×105 J的热量，同时气体对外界做功2.5×105 J，则气体的内能是增加还是减少？改变量是多少？ 例3 答案　增加　1.0×105 J　 由题意知，Q=3.5×105 J，W=-2.5×105 J，则根据热力学第一定律有 ΔU=Q+W=1.0×105 J ΔU为正值，说明气体的内能增加， 增加量为1.0×105 J。 (2)一定质量的气体，外界对其做功1.6×105 J，内能增加了4.2×105 J，此过程中气体是吸热还是放热？吸收或放出的热量是多少？ 答案　吸热　2.6×105 J 由题意知，ΔU=4.2×105 J，W=1.6×105 J， 则根据热力学第一定律有 Q=ΔU-W=2.6×105 J Q为正值，说明此过程中气体从外界吸热，吸收的热量为2.6×105 J。 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ΔU=W+Q列方程求出未知量； (3)再根据未知量结果的正负来确定吸、放热情况、做功情况或内能变化情况。 　(多选)(2024·湛江市期末)航天服是保障航天员的生命活动和正常工作的个人密闭装备，可防护空间的真空、高低温、太阳辐射和微流星等环境因素对人体的危害。航天员穿着航天服，从地面到达太空时内部气体将急剧膨胀，若航天服内气体的温度不变，视为理想气体并将航天服视为封闭系统。则关于航天服内的气体，下列说法正确的是 A.体积增大，内能减小 B.压强减小，内能不变 C.对外界做功，吸收热量 D.压强减小，分子平均动能增大 例4 √ √ 由于航天服内气体视为理想气体，温度决定内能，温度不变，内能不变，温度是分子热运动平均动能的标志，故分子平均动能也不变。由于航天服内气体体积增大，气体对外界做功，温度不变，由热力学第一定律ΔU=Q+W，可知由于W<0，ΔU=0，则Q>0，所以航天服内气体将吸收热量，又由等温变化有p1V1=p2V2可知体积变大，则压强减小。综上所述，故B、C正确，A、D错误。 总结提升 1.判断气体内能变化：由于理想气体分子间距离较大，忽略其分子势能，只考虑其分子动能，故温度升高，分子动能增大，内能增大；反之内能减小。 2.判断是否做功及做功正负的方法 一般情况下外界对气体做功与否，需看气体的体积是否变化。 (1)若气体体积增大，表明气体对外界做功，W<0。 (2)若气体体积减小，表明外界对气体做功，W>0。 3.判断吸热还是放热 气体在变化过程是吸热还是放热要结合内能变化和气体做功情况，由热力学第一定律ΔU=W+Q综合判断。 　如图所示，内壁光滑的绝热气缸固定在水平面上，其右端由于有挡板，厚度不计的绝热活塞不能离开气缸，气缸内封闭着一定质量的理想气体，活塞距气缸右端的距离为0.2 m。现对封闭气体加热，活塞缓慢移动，一段时间后停止加热，此时封闭气体的压强变为2×105 Pa。已知活塞的横截面积为0.04 m2，外部大气压强为1×105 Pa，加热过程中封闭气体吸收的热量为2 000 J，则封闭气体的内能 变化量为 A.400 J B.1 200 J C.2 000 J D.2 800 J 例5 √ 由题意可知，气体先等压变化，到活塞运动到挡板处再发生等容变化，等压变化过程气体对外做功，做功为W=-p0Sx=-1×105×0.04 ×0.2 J=-800 J，由热力学第一定律可知，封闭气体的内能变化量为ΔU=W+Q=(-800+2 000) J=1 200 J，故B正确。 总结提升 等压变化过程，功用公式W=pΔV计算 等压变化过程中，气体压强不变，气体对活塞的压力F=pS，为恒力，由恒力做功的公式W=Fx可得W=pSx=pΔV，即气体做的功与气体的压强p和气体体积的变化量ΔV有关。 返回 课时对点练 四 33 考点一　物体的内能 1.(2023·海南卷)下列关于分子力和分子势能的说法正确的是 A.分子间距离大于r0时，分子间表现为斥力 B.分子从无限远靠近到距离r0处过程中分子 势能变大 C.分子势能在r0处最小 D.分子间距离在小于r0且减小时，分子势能在减小 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 基础对点练 √ 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 分子间距离大于r0时，分子间表现为引力，分子从无限远靠近到距离r0处过程中，引力做正功，分子势能减小，在r0处分子势能最小，分子间距离继续减小，分子间表现为斥力，分子力做负功，分子势能增大，C正确。 2.(多选)两分子间的斥力和引力的合力F与分子间距离r的关系如图中曲线所示，曲线与r轴交点的横坐标为r0。相距很远的两分子在分子力作用下，由静止开始相互接近，若两分子相距无穷远时分子势能为零，下列说法正确的是 A.在r>r0阶段，F做正功，分子动能增加，势能减小 B.在r<r0阶段，F做负功，分子动能减小，势能减小 C.在r=r0时，分子势能最小，动能最大 D.在r=r0时，分子势能为零 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 √ √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 r大于r0时，分子间的作用力表现为引力，相互 靠近时F做正功，分子动能增加，势能减小， A正确； 当r小于r0时，分子间的作用力表现为斥力，F 做负功，分子动能减小，势能增加，B错误； 由以上分析可知，当r等于r0时，分子势能最小，动能最大，C正确； 因为两分子相距无穷远处时分子势能为零，所以r等于r0时，分子势能为负值，D错误。 11 12 3.关于物体的内能，下列说法中正确的是 A.机械能可以为零，但内能永远不为零 B.温度相同、质量相同的物体具有相同的内能 C.温度越高，物体的内能越大 D.0 ℃的冰的内能与等质量的0 ℃的水的内能相等 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 √ 11 12 机械能是宏观能量，可以为零，而物体内的分子在永不停息地做无规则运动，且存在相互作用力，所以物体的内能永不为零，A正确； 物体的内能与物质的量、温度和体积及物态有关，B、C、D错误。 考点二　改变内能的两种方式 4.如图为某种椅子与其升降部分的结构示意图。M、N两筒间密闭了一定质量的气体，M可沿N的内壁上下滑动，设筒内气体不与外界发生热交换，在M向下滑动的过程中 A.外界对气体做功，气体内能增大 B.外界对气体做功，气体内能减小 C.气体对外界做功，气体内能增大 D.气体对外界做功，气体内能减小 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 √ 11 12 筒内气体不与外界发生热交换，当M向下滑动时，筒内气体体积变小，外界对气体做功，使气体的内能增大，故选A。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 5.下列说法正确的是 A.物体的温度升高，物体所含的热量就增多 B.物体的温度不变，内能一定不变 C.热量和功的单位与内能的单位相同，所以热量和功都可以作为物体内 能的量度 D.做功和热传递对于改变物体的内能来说是等效的 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 热量是一个过程量，不能说物体含有多少热量，故A错误； 物体的温度不变，内能不一定不变，例如0 ℃的冰变为0 ℃的水内能增加，B错误； 功与热量都是能量转化的量度，热量和功都可以作为物体内能变化的量度，而不是内能的量度，C错误； 做功和热传递是改变物体内能的两种方式，二者对于改变物体的内能来说是等效的，D正确。 考点三　热力学第一定律 6.如图所示，封闭的气缸内部封有一定质量的理想气体。外力推动活塞P压缩气体，对缸内气体做功800 J，同时气体向外界放热200 J，则缸内气体的 A.温度升高，内能增加600 J B.温度升高，内能减少200 J C.温度降低，内能增加600 J D.温度降低，内能减少200 J 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 由热力学第一定律ΔU=Q+W得，ΔU=800 J+ (-200 J)=600 J，一定质量的理想气体的内能大小只与温度有关，ΔU=600 J>0，故温度升高，选项A正确。 7.(多选)(2024·惠州市高二模拟)为了减少污染，根据相关规定，加油站必须进行“油气回收”，操作如下：油枪从封闭油罐中吸取体积为V的汽油加到汽车油箱，同时抽取油枪周围体积为1.2V的油气(可视为理想气体)，压入封闭油罐(压至体积为V)。假设油罐及加油枪导热良好且环境温度不变，则将油气压入油罐的过程中，油气 A.压强增大 B.对外做正功 C.向环境放热 D.从环境吸热 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 油气压入油罐的过程中，体积减小，外界对气体做功，由于油罐及加油枪导热良好且环境温度不变，则气体的内能不变，根据热力学第一定律可知油气向环境放热，C正确，B、D错误； 气体压入油罐的过程中，体积减小，温度不变，根据理想气体状态方程可知压强增大，A正确。 8.(多选)(2023·广州市高二期末)将一只踩扁的乒乓球放到热水中，乒乓球会恢复原形，则在乒乓球恢复原形的过程中，球内气体 A.吸收的热量等于其增加的内能 B.分子平均动能变大 C.吸收的热量大于其增加的内能 D.对外做的功大于其吸收的热量 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 √ 11 12 √ 能力综合练 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 将踩扁的乒乓球放到热水中，球内气体温度升高，分子平均动能变大，内能增大，ΔU>0，球内气体体积增大，外界对气体做负功，W<0，根据热力学第一定律ΔU=ΔQ+W，可知ΔQ>0，气体吸收热量，且有ΔQ>ΔU，|W|<ΔQ，故选B、C。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 9.(2023·佛山市高二模拟)如图，小明把空的玻璃瓶开口向下缓慢压入恒温水中，瓶内空气无泄漏，在下降过程中 A.气体从外界吸热 B.单位面积单位时间气体分子撞击瓶壁次数增多 C.气体内能增大 D.气体对外做功 √ √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 下压过程中，气体压强变大，温度不变，则气体体积减小，外界对气体做功，气体内能不变，气体向外放热，选项A、C、D错误； 气体压强变大，温度不变，则气体分子平均动能不变，气体体积减小，则气体的分子密集程度变大，则单位面积单位时间气体分子撞击瓶壁次数增多，选项B正确。 10.甲分子固定在坐标原点O，乙分子沿x轴运动，甲、乙两分子间的分子势能Ep与甲、乙两分子间距离x的关系如图中曲线所示，图中分子势能的最小值为-E0。若乙分子所具有的分子动能和分子势能之和为0，则下列说法正确的是 A.乙分子在P点(x=x2)时，加速度最大，分子力最大 B.乙分子在P点(x=x2)时，分子动能最大，且其动能为E0 C.乙分子在Q点(x=x1)时，处于平衡状态，其分子力为零 D.乙分子在Q点(x=x1)时，分子力表现为引力 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 由题图可知，乙分子在P点(x=x2)时，分子势能 最小，则x2处为平衡位置，分子引力与分子斥力 大小相等，合力为零，乙分子处于平衡状态，分 子力和加速度均为零，故A错误； 乙分子在P点(x=x2)时的分子势能最小，为-E0，由题知乙分子所具有的分子动能和分子势能之和为0，可知乙分子在P点的分子动能最大，为E0，故B正确； 乙分子在Q点(x=x1)时，分子间距离小于平衡距离，分子力表现为斥力，乙分子处于非平衡状态，故C、D错误。 11.(2023·广州市高二期末)用隔板将一绝热气缸分成两部分，隔板左侧充有一定质量的理想气体，右侧与绝热活塞之间是真空的。现将隔板抽开，气体会自发扩散至整个气缸，待气体达到稳定状态后，缓慢推压活塞，将气体压缩回到原来的体积。整个过程不漏气，则下列说法正确的是 A.气体被压缩过程中内能增大 B.气体自发扩散过程中内能减小 C.气体自发扩散过程中，气体分子的平均速率增大 D.气体被压缩过程中，温度升高，所有分子的速率都增大 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 根据热力学第一定律ΔU=Q+W可知，在气缸绝热 的情况下Q=0，缓慢推压活塞，气体被压缩的过 程中，外界对气体做功W>0，因此可得ΔU>0， 即缸内气体的内能增大，故A正确； 由于隔板右侧为真空，当抽去隔板，气体自发扩散，并不对外做功，而气缸绝热，根据热力学第一定律可知W=0，Q=0，由此可知ΔU=0，即气体自发扩散过程中缸内气体内能不变，对于一定质量的理想气体，内能不变则温度不变，气体分子平均动能不变，气体分子的平均速率不变，故B、C错误； 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 气体被压缩过程中，外界对气体做功，气缸绝热，气体内能增大，温度升高，因此可知气体分子的平均速率增大，但并不是所有分子的速率都增大，对于单个分子而言，其速率可能增大也可能减小，故D错误。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 12.如图，内壁光滑的气缸竖直放置在水平桌面上，气缸内封闭一定质量的理想气体。气体从状态A(活塞在A处)变为状态B(活塞 在B处)时，气体吸收热量280 J，并对外做功120 J。 (1)气体的内能改变了多少？是增加还是减少？ 尖子生选练 答案　160 J　增加　 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 根据热力学第一定律可知，气缸内封闭气体的内能变化量为 ΔU=Q+W=280 J+(-120) J=160 J 即内能增加了160 J。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 (2)某人接着提了后一个问题，说：“若使气体从上一问的B状态再回到A状态，即回到原来A时的体积和温度，气体放出的热量是150 J，那么返回过程中气体对外做的功又是多少？”请你对后一个问题进行评价。 答案　10 J　见解析 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 若气体从B状态又返回A状态，则气体的内能变化量为ΔU'=ΔU=-160 J 根据热力学第一定律可知，气体由B状态返回A状态的过程中有ΔU'=Q'+W' 则W'=ΔU'-Q'=(-160+150) J=-10 J 即气体从B状态返回A状态过程中，对外做功为10 J。 后一个问题的题设条件有误，该过程不能发生，因为 气体从B状态返回A状态，体积减小，显然应该是外界 对气体做功才合理。 返回 BENKEJIESHU 本课结束 $$ 第一节　热力学第一定律 ［学习目标］　1.掌握内能的概念，知道分子动能和分子势能的影响因素(重点)。2.知道做功和热传递是改变物体内能的两种方式，明确两种方式的区别。3.理解热力学第一定律，并能运用热力学第一定律分析和解决相关问题(重点)。 一、物体的内能 1.分子势能 (1)概念：由于分子间存在相互作用力，分子间具有由它们的相对位置决定的势能。 (2)两分子间的势能与分子间距离的关系如图所示(取无穷远处分子间势能为零)。 ①当r>r0时，分子力表现为引力，若r增大，需克服引力做功，分子势能增大。 ②当r<r0时，分子力表现为斥力，若r减小，需克服斥力做功，分子势能增大。 ③当r=r0时，即分子间距离等于平衡距离时，分子间的作用力为零，分子势能最小。 2.分子动能：物体内部的分子由于做热运动而具有分子动能。 3.内能：物体中所有分子的动能和分子势能的总和，叫作物体的内能。 (1)宏观上，物体的内能由物体的物质的量、温度和体积共同决定，同时受物态变化的影响。 (2)微观上，物体的内能由物体所含的分子总数、分子的平均动能和分子势能决定。 例1　(多选)关于物体的内能，下列说法正确的是 (　　) A.相同质量的两种不同物质，升高相同的温度，内能的增量一定相同 B.物体的内能改变时温度不一定改变 C.内能与物体的温度有关，所以0 ℃的物体内能为零 D.分子数和温度相同的物体不一定具有相同的内能 答案　BD 解析　相同质量的两种不同物质的物质的量可能不同，进而可知分子数可能不同，故升高相同的温度时(分子平均动能的变化量相同)，其分子总动能的变化量不一定相同，且不知道分子势能如何变化，故其内能的增量可能不相同，选项A错误；物体内能改变时，可能是分子势能改变，因此温度不一定改变，选项B正确；分子永不停息地做无规则运动，故物体的内能不可能为零，选项C错误；物体的内能与分子数、温度和体积有关，分子数和温度相同，体积不同的物体，内能可能不同，选项D正确。 1.分子动能 (1)组成物体的每个分子都在不停地做无规则运动，因此分子具有动能。由于分子运动的无规则性，研究单个分子的动能没有意义。 (2)平均动能指物体内所有分子做热运动动能的平均值。温度升高时，分子的平均动能增大，温度是分子热运动的平均动能的标志。 2.比较物体内能的大小和判断内能改变的方法 (1)当物体质量m一定时(相同物质的摩尔质量M相等)，物体所含分子数n就一定。 (2)当物体温度一定时，物体内部分子的平均动能就一定。 (3)当物体的体积不变时，物体内部分子间的相对位置就不变，分子势能也不变。 (4)当物体发生物态变化时，要吸收或放出热量，使物体的温度或体积发生改变，物体的内能也随之变化。二、改变物体内能的两种方式 在空气压缩引火仪底部放置少量的硝化棉，迅速压下筒中的活塞，可以观察到硝化棉燃烧的火苗。为什么筒底的硝化棉会被点燃呢？ 答案　外界对筒内气体做功，使气体内能增加，温度升高，达到硝化棉的燃点后引起硝化棉燃烧。 1.做功与内能变化的关系 如果物体和外界不发生热传递，外界对物体做功，物体的内能增加，物体对外界做功，物体的内能减少。 2.热传递与内能变化的关系 (1)热传递过程中物体内能变化的量称为热量。 (2)在单纯热传递的过程中，物体从外界吸收热量，物体的内能增加，物体向外界放热，物体的内能减少。 3.做功和热传递改变物体内能上的异同 (1)做功和热传递是改变物体内能的两种方式，二者对于改变物体的内能来说是等效的。 (2)做功的实质是内能与其他形式的能之间的转化，而热传递则是不同物体(或同一物体不同部分)之间内能的转移。 例2　下列说法正确的是 (　　) A.热量和功是由过程决定的，而内能是由物体状态决定的 B.外界对物体做功，物体的内能一定增大 C.物体吸收热量，温度一定升高 D.热量总是由内能大的物体传向内能小的物体 答案　A 解析　热量和功是过程量，内能是状态量，故A选项正确；引起物体内能的变化有做功和热传递两种方式，单就一个方面不足以断定其内能的变化，故B选项错误；在晶体熔化和液体沸腾过程中，物体要不断地吸收热量，但物体的温度不变，这时内能的增加主要表现在内部分子势能的增加，故C选项错误；两物体之间热量的传递方向只与它们的温度有关，与它们内能的大小无关，故D选项错误。 1.功与内能的区别 (1)功是过程量，内能是状态量。 (2)物体的内能大，并不意味着外界对它做功多。只有在绝热过程中，内能变化越大时，相应地做功才越多。 2.热量、温度与内能的区别 (1)热量是系统内能变化的量度，而温度是系统内大量分子做无规则运动剧烈程度的标志，热传递的前提是两个系统之间要有温度差，传递的是热量而不是温度。 (2)内能是状态量，热量是过程量。热量只有在涉及能量的转移时才有意义。不能说物体具有多少热量，只能说某一过程中物体吸收或放出了多少热量。 (3)物体的内能大，并不意味着热传递多。只有在仅热传递过程中，内能变化越大时，相应的热传递才越多。 三、热力学第一定律及其应用 1.内容：如果外界同时对物体做功和进行热传递，物体内能的增量ΔU等于物体吸收的热量Q和外界对物体做的功W之和。 2.表达式：ΔU=Q+W。 一定质量的气体，膨胀过程中是外界对气体做功还是气体对外界做功？如果膨胀时气体对外做的功是135 J，同时向外放热85 J，气体内能的变化量是多少？内能是增加了还是减少了？ 答案　膨胀过程中气体对外界做功，W=-135 J，气体向外放热：Q=-85 J，根据热力学第一定律：ΔU=W+Q，代入得：ΔU=-135 J+(-85) J=-220 J，所以气体内能减少了220 J。 1.ΔU的正负：当系统内能增加时，ΔU取正值，内能减少时，ΔU取负值。 2.W的正负：外界对系统做功时，W取正值；系统对外界做功时，W取负值。 3.Q的正负：外界对系统传递热量时，Q取正值；系统向外界传递热量时，Q取负值。 例3　(1)一定质量的气体，从外界吸收3.5×105 J的热量，同时气体对外界做功2.5×105 J，则气体的内能是增加还是减少？改变量是多少？ (2)一定质量的气体，外界对其做功1.6×105 J，内能增加了4.2×105 J，此过程中气体是吸热还是放热？吸收或放出的热量是多少？ 答案　(1)增加　1.0×105 J　(2)吸热　2.6×105 J 解析　(1)由题意知，Q=3.5×105 J，W=-2.5×105 J，则根据热力学第一定律有 ΔU=Q+W=1.0×105 J ΔU为正值，说明气体的内能增加， 增加量为1.0×105 J。 (2)由题意知，ΔU=4.2×105 J，W=1.6×105 J， 则根据热力学第一定律有 Q=ΔU-W=2.6×105 J Q为正值，说明此过程中气体从外界吸热，吸收的热量为2.6×105 J。 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ΔU=W+Q列方程求出未知量； (3)再根据未知量结果的正负来确定吸、放热情况、做功情况或内能变化情况。 例4　(多选)(2024·湛江市期末)航天服是保障航天员的生命活动和正常工作的个人密闭装备，可防护空间的真空、高低温、太阳辐射和微流星等环境因素对人体的危害。航天员穿着航天服，从地面到达太空时内部气体将急剧膨胀，若航天服内气体的温度不变，视为理想气体并将航天服视为封闭系统。则关于航天服内的气体，下列说法正确的是 (　　) A.体积增大，内能减小 B.压强减小，内能不变 C.对外界做功，吸收热量 D.压强减小，分子平均动能增大 答案　BC 解析　由于航天服内气体视为理想气体，温度决定内能，温度不变，内能不变，温度是分子热运动平均动能的标志，故分子平均动能也不变。由于航天服内气体体积增大，气体对外界做功，温度不变，由热力学第一定律ΔU=Q+W，可知由于W<0，ΔU=0，则Q>0，所以航天服内气体将吸收热量，又由等温变化有p1V1=p2V2可知体积变大，则压强减小。综上所述，故B、C正确，A、D错误。 1.判断气体内能变化：由于理想气体分子间距离较大，忽略其分子势能，只考虑其分子动能，故温度升高，分子动能增大，内能增大；反之内能减小。 2.判断是否做功及做功正负的方法 一般情况下外界对气体做功与否，需看气体的体积是否变化。 (1)若气体体积增大，表明气体对外界做功，W<0。 (2)若气体体积减小，表明外界对气体做功，W>0。 3.判断吸热还是放热 气体在变化过程是吸热还是放热要结合内能变化和气体做功情况，由热力学第一定律ΔU=W+Q综合判断。 例5　如图所示，内壁光滑的绝热气缸固定在水平面上，其右端由于有挡板，厚度不计的绝热活塞不能离开气缸，气缸内封闭着一定质量的理想气体，活塞距气缸右端的距离为0.2 m。现对封闭气体加热，活塞缓慢移动，一段时间后停止加热，此时封闭气体的压强变为2×105 Pa。已知活塞的横截面积为0.04 m2，外部大气压强为1×105 Pa，加热过程中封闭气体吸收的热量为2 000 J，则封闭气体的内能变化量为 (　　) A.400 J B.1 200 J C.2 000 J D.2 800 J 答案　B 解析　由题意可知，气体先等压变化，到活塞运动到挡板处再发生等容变化，等压变化过程气体对外做功，做功为W=-p0Sx=-1×105×0.04×0.2 J=-800 J，由热力学第一定律可知，封闭气体的内能变化量为ΔU=W+Q=(-800+2 000) J=1 200 J，故B正确。 等压变化过程，功用公式W=pΔV计算 等压变化过程中，气体压强不变，气体对活塞的压力F=pS，为恒力，由恒力做功的公式W=Fx可得W=pSx=pΔV，即气体做的功与气体的压强p和气体体积的变化量ΔV有关。 课时对点练　［分值：60分］ 1~7题每题4分，共28分 考点一　物体的内能 1.(2023·海南卷)下列关于分子力和分子势能的说法正确的是 (　　) A.分子间距离大于r0时，分子间表现为斥力 B.分子从无限远靠近到距离r0处过程中分子势能变大 C.分子势能在r0处最小 D.分子间距离在小于r0且减小时，分子势能在减小 答案　C 解析　分子间距离大于r0时，分子间表现为引力，分子从无限远靠近到距离r0处过程中，引力做正功，分子势能减小，在r0处分子势能最小，分子间距离继续减小，分子间表现为斥力，分子力做负功，分子势能增大，C正确。 2.(多选)两分子间的斥力和引力的合力F与分子间距离r的关系如图中曲线所示，曲线与r轴交点的横坐标为r0。相距很远的两分子在分子力作用下，由静止开始相互接近，若两分子相距无穷远时分子势能为零，下列说法正确的是 (　　) A.在r>r0阶段，F做正功，分子动能增加，势能减小 B.在r<r0阶段，F做负功，分子动能减小，势能减小 C.在r=r0时，分子势能最小，动能最大 D.在r=r0时，分子势能为零 答案　AC 解析　r大于r0时，分子间的作用力表现为引力，相互靠近时F做正功，分子动能增加，势能减小，A正确； 当r小于r0时，分子间的作用力表现为斥力，F做负功，分子动能减小，势能增加，B错误； 由以上分析可知，当r等于r0时，分子势能最小，动能最大，C正确；因为两分子相距无穷远处时分子势能为零，所以r等于r0时，分子势能为负值，D错误。 3.关于物体的内能，下列说法中正确的是 (　　) A.机械能可以为零，但内能永远不为零 B.温度相同、质量相同的物体具有相同的内能 C.温度越高，物体的内能越大 D.0 ℃的冰的内能与等质量的0 ℃的水的内能相等 答案　A 解析　机械能是宏观能量，可以为零，而物体内的分子在永不停息地做无规则运动，且存在相互作用力，所以物体的内能永不为零，A正确；物体的内能与物质的量、温度和体积及物态有关，B、C、D错误。 考点二　改变内能的两种方式 4.如图为某种椅子与其升降部分的结构示意图。M、N两筒间密闭了一定质量的气体，M可沿N的内壁上下滑动，设筒内气体不与外界发生热交换，在M向下滑动的过程中 (　　) A.外界对气体做功，气体内能增大 B.外界对气体做功，气体内能减小 C.气体对外界做功，气体内能增大 D.气体对外界做功，气体内能减小 答案　A 解析　筒内气体不与外界发生热交换，当M向下滑动时，筒内气体体积变小，外界对气体做功，使气体的内能增大，故选A。 5.下列说法正确的是 (　　) A.物体的温度升高，物体所含的热量就增多 B.物体的温度不变，内能一定不变 C.热量和功的单位与内能的单位相同，所以热量和功都可以作为物体内能的量度 D.做功和热传递对于改变物体的内能来说是等效的 答案　D 解析　热量是一个过程量，不能说物体含有多少热量，故A错误；物体的温度不变，内能不一定不变，例如0 ℃的冰变为0 ℃的水内能增加，B错误；功与热量都是能量转化的量度，热量和功都可以作为物体内能变化的量度，而不是内能的量度，C错误；做功和热传递是改变物体内能的两种方式，二者对于改变物体的内能来说是等效的，D正确。 考点三　热力学第一定律 6.如图所示，封闭的气缸内部封有一定质量的理想气体。外力推动活塞P压缩气体，对缸内气体做功800 J，同时气体向外界放热200 J，则缸内气体的 (　　) A.温度升高，内能增加600 J B.温度升高，内能减少200 J C.温度降低，内能增加600 J D.温度降低，内能减少200 J 答案　A 解析　由热力学第一定律ΔU=Q+W得，ΔU=800 J+(-200 J)=600 J，一定质量的理想气体的内能大小只与温度有关，ΔU=600 J>0，故温度升高，选项A正确。 7.(多选)(2024·惠州市高二模拟)为了减少污染，根据相关规定，加油站必须进行“油气回收”，操作如下：油枪从封闭油罐中吸取体积为V的汽油加到汽车油箱，同时抽取油枪周围体积为1.2V的油气(可视为理想气体)，压入封闭油罐(压至体积为V)。假设油罐及加油枪导热良好且环境温度不变，则将油气压入油罐的过程中，油气 (　　) A.压强增大 B.对外做正功 C.向环境放热 D.从环境吸热 答案　AC 解析　油气压入油罐的过程中，体积减小，外界对气体做功，由于油罐及加油枪导热良好且环境温度不变，则气体的内能不变，根据热力学第一定律可知油气向环境放热，C正确，B、D错误；气体压入油罐的过程中，体积减小，温度不变，根据理想气体状态方程可知压强增大，A正确。 8~11题每题6分，共24分 8.(多选)(2023·广州市高二期末)将一只踩扁的乒乓球放到热水中，乒乓球会恢复原形，则在乒乓球恢复原形的过程中，球内气体 (　　) A.吸收的热量等于其增加的内能 B.分子平均动能变大 C.吸收的热量大于其增加的内能 D.对外做的功大于其吸收的热量 答案　BC 解析　将踩扁的乒乓球放到热水中，球内气体温度升高，分子平均动能变大，内能增大，ΔU>0，球内气体体积增大，外界对气体做负功，W<0，根据热力学第一定律ΔU=ΔQ+W，可知ΔQ>0，气体吸收热量，且有ΔQ>ΔU，|W|<ΔQ，故选B、C。 9.(2023·佛山市高二模拟)如图，小明把空的玻璃瓶开口向下缓慢压入恒温水中，瓶内空气无泄漏，在下降过程中 (　　) A.气体从外界吸热 B.单位面积单位时间气体分子撞击瓶壁次数增多 C.气体内能增大 D.气体对外做功 答案　B 解析　下压过程中，气体压强变大，温度不变，则气体体积减小，外界对气体做功，气体内能不变，气体向外放热，选项A、C、D错误；气体压强变大，温度不变，则气体分子平均动能不变，气体体积减小，则气体的分子密集程度变大，则单位面积单位时间气体分子撞击瓶壁次数增多，选项B正确。 10.甲分子固定在坐标原点O，乙分子沿x轴运动，甲、乙两分子间的分子势能Ep与甲、乙两分子间距离x的关系如图中曲线所示，图中分子势能的最小值为-E0。若乙分子所具有的分子动能和分子势能之和为0，则下列说法正确的是 (　　) A.乙分子在P点(x=x2)时，加速度最大，分子力最大 B.乙分子在P点(x=x2)时，分子动能最大，且其动能为E0 C.乙分子在Q点(x=x1)时，处于平衡状态，其分子力为零 D.乙分子在Q点(x=x1)时，分子力表现为引力 答案　B 解析　由题图可知，乙分子在P点(x=x2)时，分子势能最小，则x2处为平衡位置，分子引力与分子斥力大小相等，合力为零，乙分子处于平衡状态，分子力和加速度均为零，故A错误；乙分子在P点(x=x2)时的分子势能最小，为-E0，由题知乙分子所具有的分子动能和分子势能之和为0，可知乙分子在P点的分子动能最大，为E0，故B正确；乙分子在Q点(x=x1)时，分子间距离小于平衡距离，分子力表现为斥力，乙分子处于非平衡状态，故C、D错误。 11.(2023·广州市高二期末)用隔板将一绝热气缸分成两部分，隔板左侧充有一定质量的理想气体，右侧与绝热活塞之间是真空的。现将隔板抽开，气体会自发扩散至整个气缸，待气体达到稳定状态后，缓慢推压活塞，将气体压缩回到原来的体积。整个过程不漏气，则下列说法正确的是 (　　) A.气体被压缩过程中内能增大 B.气体自发扩散过程中内能减小 C.气体自发扩散过程中，气体分子的平均速率增大 D.气体被压缩过程中，温度升高，所有分子的速率都增大 答案　A 解析　根据热力学第一定律ΔU=Q+W可知，在气缸绝热的情况下Q=0，缓慢推压活塞，气体被压缩的过程中，外界对气体做功W>0，因此可得ΔU>0，即缸内气体的内能增大，故A正确；由于隔板右侧为真空，当抽去隔板，气体自发扩散，并不对外做功，而气缸绝热，根据热力学第一定律可知W=0，Q=0，由此可知ΔU=0，即气体自发扩散过程中缸内气体内能不变，对于一定质量的理想气体，内能不变则温度不变，气体分子平均动能不变，气体分子的平均速率不变，故B、C错误；气体被压缩过程中，外界对气体做功，气缸绝热，气体内能增大，温度升高，因此可知气体分子的平均速率增大，但并不是所有分子的速率都增大，对于单个分子而言，其速率可能增大也可能减小，故D错误。 12.(8分)如图，内壁光滑的气缸竖直放置在水平桌面上，气缸内封闭一定质量的理想气体。气体从状态A(活塞在A处)变为状态B(活塞在B处)时，气体吸收热量280 J，并对外做功120 J。 (1)(2分)气体的内能改变了多少？是增加还是减少？ (2)(6分)某人接着提了后一个问题，说：“若使气体从上一问的B状态再回到A状态，即回到原来A时的体积和温度，气体放出的热量是150 J，那么返回过程中气体对外做的功又是多少？”请你对后一个问题进行评价。 答案　(1)160 J　增加　(2)10 J　见解析 解析　(1)根据热力学第一定律可知，气缸内封闭气体的内能变化量为 ΔU=Q+W=280 J+(-120) J=160 J 即内能增加了160 J。 (2)若气体从B状态又返回A状态，则气体的内能变化量为ΔU'=ΔU=-160 J 根据热力学第一定律可知，气体由B状态返回A状态的过程中有ΔU'=Q'+W' 则W'=ΔU'-Q'=(-160+150) J=-10 J 即气体从B状态返回A状态过程中，对外做功为10 J。 后一个问题的题设条件有误，该过程不能发生，因为气体从B状态返回A状态，体积减小，显然应该是外界对气体做功才合理。 学科网（北京）股份有限公司 $$