第3章 2. 热力学第一定律-【重难点手册】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册（人教版）

第三章 热力学定律么组 第2节热力学第一定律 重点和难点 课标要求 重点：热力学第一定律及其应用 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 难点：热力学第一定律和气体状态方程的 一定律 综合应用。 2.能运用热力学第一定律解释和计算能量的转化、转移问题 01必备知识梳理一 基础梳理 知识点1热力学第一定律 1.热力学第一定律的研究对象 热力学系统 冒敲黑板 2.热力学第一定律 如果一个系统的内能增 (1)内容：一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的 加，则系统一定从外界吸热且 外界也一定对系统做了功，这 热量与外界对它所做的功的和， 种说法正确吗？ (2)表达式：△U=Q+W. 错误，由热力学第一定律 3.对热力学第一定律的理解 可知，只要Q十W>0,系统的 (1)热力学第一定律不仅反映了做功和热传递这两种改变内 内能就增加，因此存在三种可 能的过程是等效的，而且给出了内能的变化量和做功与热传递之 能情况：(1)外界对系统做功 间的定量关系.此定律是标量式，应用时热量的单位应统一为国 且系统从外界吸热；(2)外界 际单位制中的焦耳。 对系统所做的功大于系统向 (2)热力学第一定律的数学表达式既适用于物体对外做功， 外界放出的热量：(3)系统对 外界所做的功小于系统从外 向外界散热，内能减少的情况，也适用于外界对物体做功，物体吸 界吸收的热量 热，内能增加的情况.为了区别以上两种情况，在应用△U=W+Q 进行计算时，应注意它们的正负号。 (3)对公式△U=Q+W符号的规定 符号 物理情形 取值 外界对物体做功 + W 物体对外界做功 物体吸收热量 + Q 物体放出热量 系统内能增加 + AU 系统内能减少 69 国避手册高中物理选择性必修第三册) 例①(2025·江西师大附中高二月考) 刀划重点 如图所示，内壁光滑的绝热汽缸固定在水平 几种特殊情况 面上，其右端由于有挡板，厚度不计的绝热 1.若过程是绝热的，即Q 活塞不能离开汽缸，汽缸内封闭着一定质量的理想气体，活塞距 0,则W=△U,外界对物体做 汽缸右端的距离为0.2m.现对封闭气体加热，活塞缓慢移动，一 的功等于物体内能的增加， 段时间后停止加热，此时封闭气体的压强变为2×10Pa.已知活 2若过程中不做功.即W 塞的横截面积为0.04m,外部大气压强为1×10Pa,加热过程 0,则Q=△U,物体吸收的热 中封闭气体吸收的热量为2000J,则封闭气体的内能变化量为 量等于物体内能的增加， (). 3.若过程的始末状态物 体的内能不变，即△U=0,则 A.400J B.1200J C.2000J D.2800J W十Q=0或W=一Q,外界对 解析由题意可知，气体先发生等压变化，到活塞运动到挡板 物体做的功等于物体放出的 处再发生等容变化，等压变化过程气体对外做功，做功为W= 热量 一pSx=一1×10×0.04×0.2J=一800J,由热力学第一定律 可知，封闭气体的内能变化量为△U=W+Q=(一800十2000)J =1200J 答案B 知识点2热力学第一定律的应用 1.理解：在热力学第一定律中△U=Q十W;△U是内能的增 已记方法司 量，内能增加，△U为正，内能减少，△U为负：Q表示系统从外界吸 1.首先应明确研究对象 收的热量，吸热，Q为正，放热，Q为负：W表示外界对系统做的 是哪个物体或者是哪个热力 功，外界对系统做功，W为正，系统对外做功，W为负， 学系统。 2.判断：系统内能的变化可以从组成内能的分子动能和分子 2.分别列出物体或系统 吸收或放出的热量：外界对物 势能来判断，理想气体不考虑分子势能，温度升高，分子平均动能 体或系统所做的功：物体或系 增大，内能增大：实际气体要考虑分子势能，判断内能变化时要同 统对外界所做的功， 时考虑分子动能和分子势能，温度升高，分子平均动能增大，体积 3.根据热力学第一定律 增大，分子引力做负功，分子势能增大 △U=Q十W列出方程进行 例②(2025·湖南师大附中高二阶段练习)一定质量的理想 求解 气体pV变化图像如图所示，气体从1→2→3的过程对外做的功 4.特别需要注意的是物 为W:,从外界吸收的热量为Q,气体内能的变化量为△U1:气体 理量的正负号及其物理意义 从14→3的过程对外做的功为W2,从外界吸收的热量为Q,气 体内能的变化量为△U2,则它们之间的关系正确的是( A.W,<W2,Q<Q2,△U1>△U B.W1<W2,Q>Q2,△U1<△U2 C.W1>W2,Q>Q,△U1=△U D.W1>W2,Q<Q2,△U1=△U2 70 第三章 热力学定律么组 解析初态和末态温度相同，因此两个热力学过程内能变化 相同；在pV图像中，图线与横轴所围面积表示气体对外界做功 的多少，故W>W2,根据热力学第一定律△U=W十Q可得Q> Q2,C正确. 答案C 重难拓展 重难点1热力学第一定律和气体状态方程的综合应用 对于理想气体，常把热力学第一定律与理想气体状态方程结 刀划重点切 合起来分析其状态变化规律，常见的分析思路如下： 理想气体状态变化过程中的 1.利用体积的变化分析做功问题，气体体积增大，对外做功： 内能变化 气体体积减小，外界对气体做功. 1,等温过程：气体内能不 2.利用温度的变化分析理想气体内能的变化，一定质量的理 变，若气体体积增大（不考虑 想气体的内能仅与温度有关，温度升高，内能增加：温度降低，内 真空扩散)，气体从外界吸收 能减少 热量：若气体体积减小，气体 3.利用热力学第一定律判断是吸热还是放热 向外界放出热量， 根据热力学第一定律U一W十Q,若已知气体的做功情况和内 2.等容过程：气体体积不 能的变化情况，即可判断气体状态变化是吸热过程还是放热过程 变，W=0,若温度升高，气体 4.几种特殊情况 从外界吸收热量：若温度降 (1)若过程是绝热的，即Q=0,则W=△U,外界对物体做的 低，气体向外界放出热量。 功等于物体内能的增加。 3.等压过程：需结合盖 (2)若过程中不做功，即W=0,则Q=△U,物体吸收的热量 吕萨克定律分析.气体体积增 大时（不考虑真空扩散），气体 等于物体内能的增加. 例3(2025·湖北武汉外国语学校高二检测)如图所示，一 对外界做功，同时温度升高， 内能增加，气体从外界吸热： 定质量的理想气体从状态A开始，经历两个过程，先后到达状态 气体体积减小时，外界对气体 B和C.有关A,B和C三个状态温度TA、TB和Tc的关系，下列 做功，温度降低，内能减少，气 说法正确的是(). 体向外界放出热量 3 L 2V.3V.V 刀拓视野 A.TA<T,从状态A到状态B的过程中，气体的内能不变 关于气体状态变化时做功 B.TA>TB,从状态A到状态B的过程中，气体的内能减少 多少的计算 C.T#<Tc,从状态B到状态C的过程中，气体的内能增加 1.若为等压变化，W=p· D.TB>Tc,从状态B到状态C的过程中，气体的内能减少 S△x=p△V. 71 重雕台手圆高中物理选择性必修第三册划 解折由题图可知，状态A到状态B是一个等压过程，根据 2.如图所示，若知道气体 A 的p-V图像，在p-V图像中 一，因为V>V,则有T>TA,从A到B,温度升高，内能增 图线与横轴围成的面积表示 功的大小 加，故A、B错误；状态B到状态C是一个等容过程，根据 T8 气，周为p加>c,则有T>T,从B到C,温度降低，内能减少， 故C错误，D正确. 答案D 口02关建能力提升-， 题型1热力学第一定律的理解与应用 对气体缓慢加热过程中，气体经历等压变化， 例①(2025·湖北宜昌一中高二月考) (多选)如图，一定质量的理想气体被质量为m 根据盖一吕萨克定律有学-华，解得T 2T。,故B正确：该过程中，气体对外做功为W= 的绝热活塞封闭在竖直放置的绝热汽缸中，活 塞的面积为S,与汽缸底部相距L,温度为T: pSL=mgL十pSL,根据热力学第一定律可得 现接通电热丝给气体缓慢加热，活塞缓慢向上 △U=Q-W=Q-mgL一SL,故C、D错误。 移动距离L后停止加热，整个过程中，气体吸 答案B 收的热量为Q,大气压强为p,重力加速度为 题型2热力学第一定律气体状态变化图像 g.则( 问题 例②(2025·安徽合肥一六八中学高二 阶段练习)如图所示，一定量的理想气体从状 态：开始经历两个状态变化过程，先后到达状 电热丝 态b和c.下列说法正确的是( A.初始时，气体压强p:=p0 B.停止加热时，气体的温度T=2T C.该过程中，气体内能增加量△U=Q mgL A.在Q→b过程中，外界对气体做功，吸收 D.该过程中，气体内能增加量△U=Q一 热量 PoSL B.在ab过程中，气体对外界做功，放出 解析初始时，对活塞根据平衡条件有 热量 C.在b→c过程中，外界对气体做功，放出 AS=S十mg,解得p=零+加：故A错误： 热量 72 第三章 热力学定律医组 D.在b·c过程中，气体对外界做功，吸收 热量，故A、B错误：在b→c过程中气体体积减 热量 小，外界对气体做功，气体发生等压变化，根据 解析]由题图可知，在a→b过程中气体体 积减小，外界对气体做功，根据 会光可知工<工气体内能浅小，据装 =C,可得p 力学第一定律△U=Q十W,可知气体放出热 =TC,可知气体的温度不变，内能不变，根 量，故C正确，D错误。 据热力学第一定律△U=Q十W,可知气体放出 答案C 03-核心素养聚焦。 考向1热力学第一定律气体状态变化图像 解析1→2为绝热过程，根据热力学第一 问题 定律△U=Q十W,可知此时气体体积减小，外 例①(2024·新课标卷)（多选）如图，一 界对气体做功，故内能增加，故A正确；2→3 定量理想气体的循环由下面4个过程组成： 为等压过程，根据盖一吕萨克定律可知气体体 积增大时温度升高，内能增大，此时气体体积 1→2为绝热过程（过程中气体不与外界交换热 增大，气体对外界做功W<0,故气体吸收热 量)，2→3为等压过程，3→4为绝热过程，4→1 量，故B错误；3→4为绝热过程，此时气体体积 为等容过程.上述四个过程是四冲程柴油机 增大，气体对外界做功W<0,根据热力学第一 工作循环的主要过程，下列说法中正确的是 定律可知气体内能减小，故C错误；4→1为等 (). 容过程，根据查理定律可知压强减小时温度降 A.1→2过程中，气体内 低，故内能减小，由于体积不变，W=0,故可知 能增加 气体向外放热，故D正确. B.23过程中，气体向 答案AD 外放热 考查热力学第一定律气体状态变化图像 命题意图 C.34过程中，气体内能不变 问题 D.4→1过程中，气体向外放热 核心素养 科学思雏 素养水平 水平4 73