第三章 2 热力学第一定律-【新课程能力培养】2025-2026学年高中物理选择性必修第三册学习手册（人教版）

高中物理选择性必修第三册（人教版） 增大 B.人体离开健身球前后，球内所有气体分 子的运动速率均减小 C.人体离开健身球前后，球内单位面积上 2.热力学 知识梳理 川知识点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 与外界对它 的和。 2.表达式：△U= 川知识点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△U=Q+W, 我们可以这样理解：外界对系统所做的功有 助于系统内能的 因此，外界对系 统做功时，W取 ；而系统对外界做 功时，W取 。同理，外界对系统传 递热量有助于系统内能的 因此， 外界对系统传递热量，Q取 ;而系 统向外界传递热量，Q取 要点突破 川要点1热力学第一定律的应用 1.热力学第一定律公式△U=Q+W的正负号 的规定： (62)学 撞击的分子数不变 D.将健身球举高，球内气体的分子势能 增大 第一定律 符号 W Q △U + 外界对系统做功 系统吸收热量内能增加 - 系统对外界做功系统放出热量 内能减少 2.一定质量的理想气体，公式△U=Q+W的 正负号： 符号 W Q △U + 气体膨胀 气体吸收热量 温度升高 气体被压缩 气体放出热量 温度降低 注意：如果气体向真空膨胀，没有推动物 体或其他气体，气体不做功。 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10~15min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 思路点拨 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，极短时间内气体增加了内能，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。 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 变式训练1题图 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，V2>V1,T>T, 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 第三章热力学定律。 大，△U>0,则由热力学第一定律有Q=△U- 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,△U<0,Q=△U- 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△U=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△U=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= 0,则△U=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△U=Q。 (3)若系统的始末状态的内能不变，则△U= 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400K,求： (1)状态C的温度Tc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400J的功，气 体的内能增加了20J,则这个过程气体 学(63 高中物理选择性必修第三册（人教版） 是吸收热量还是放出热量？其数值为 多少？ Ap/x10 Pa 500 400 300 200 B 100 04 12345V/x10-3m3 例2题图 思路点拨 (1)直接根据理想气体状态方程列式求 解状态C的温度Tc。 (2)根据热力学第一定律分析即可。 B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 卡诺循环 循环包含1、3两个等温过 变式训练2题图 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→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 情境拓展 制作水火箭是青少年科技活动的常见项 目之一。某研究小组为了探究水火箭在充气 64)学 与喷水过程中气体的热力学规律，把水火箭 的塑料容器竖直固定，其中A、C分别是塑 料容器的充气口、喷水口，B是气压计，如 图甲所示。在室温环境下，容器内装入一定 质量的水，此时容器内的气体体积为V,压 强为Po,现缓慢充气后压强变为4po,不计 容器的容积变化。 (1)设充气过程中气体温度不变，求充入的 气体在该室温环境下压强为Po时的体积。 (2)打开喷水口阀门，喷出一部分水后关闭 阀门，容器内气体从状态M变化到状 态N,其压强p与体积V的变化关系如 图乙中实线所示，已知气体在状态N时 的体积为V1,压强为p1。求气体在状态 N与状态M时的热力学温度之比 (3)图乙中虚线MN'是容器内气体在绝热 (既不吸热也不放热)条件下压强p与 体积V的变化关系图线，试判断气体在 图乙中沿实线从M到N的过程是吸热 还是放热。（不需要说明理由）》 AB 情境拓展题图高中物理选择性必修第三册（人教版） 特别注意：物体与活塞碰撞时有机械能损失。 变式训练2AD 例3A【解析】热量能够自发地从高温物体传递 到低温物体，在外界影响下也能够从低温物体传递到高 温物体，比如电冰箱，故A正确：物体的内能是指物体 内部所有分子的动能和分子势能之和，由于分子永不停 息地做无规则运动，所以任何物体都有内能，故B错 误；热量是过程量，只有吸、放热过程中，才能比较热 量的多少，故C错误；物体吸收了热量，可能用来加快 分子的无规则运动，即表现在物体的温度升高；也可能 用来改变物体的状态，比如晶体的熔化过程。所以，物 体吸收了热量，物体的温度可能升高，也可能不变，故 D错误。 变式训练3C 例4C【解析】打气筒打气时气筒壁发热，即通 过做功的方式改变内能，故A错误：搓搓手就会觉得暖 和些，是通过做功将体内的化学能转化为内能，故B错 误；阳光照射衣服是通过热传递的方式改变衣服的内 能，故C正确：擦火柴时，是通过做功使火柴头上的红 磷温度升高，D错误。 变式训练4CD 情境拓展 A【解析】人体挤压健身球过程中，气体体积减小， 外界对气体做正功：健身球是用绝热材料制成，Q=0 △U=W,球内气体内能增大，A正确；人体离开健身球 前后，气体体积增大，气体对外界做功内能减少，气体 温度降低，气体压强减小，气体分子平均动能减小，但 不是所有气体分子的运动速率都减小，球内单位时间单 位面积上撞击的分子数减少，B、C错误；将健身球举 高，气体重力势能增大，但理想气体分子势能忽略不 计，D错误。 “2.热力学第一定律 知识梳理 知识点1热力学第一定律 1.热量做功2.Q+W 知识点2热力学第一定律的应用 增加正值负值增加正值负值 要点突破 例1C【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 36 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。 变式训练1A 例2(1)状态C的温度Tc为320K。(2)气体 是吸收热量，其数值为420J。【解析】(1)由理想气 体状态方程为D-卫，代入数据解得T320K。 Ta Tc (2)由热力学第一定律公式△U=Q+W,得到Q=420J>0, 气体吸收热量。 变式训练2D 情境拓展 (1)充入的气体在该室温环境下压强为p时的体积 为3V。(2)气体在状态N与状态M时的热力学温度 之比为卫V (3)气体在图乙中沿实线从M到N的 4poVo 过程是吸热。【解析】(1)充气过程中气体发生等温 变化，设充入的气体体积为△V,根据玻意耳定律有 poVo+po△V=4poVa,解得△V=3Va。(2)容器喷出一部分 水后，被封闭的一定质量的气体的体积、压强和温度都 将发生变化，设状态M对应的温度为T,状态N对应 的温度为T,根据理想气体的状态方程有poV=卫V1 To T 可得状态N和状态M的热力学温度之比I=pV To 4poVo (3)气体在图乙中沿实线从M到N的过程是吸热。 >"3.能量守恒定律 知识梳理 知识点1能量守恒定律 产生消失转化转移总量 知识点2永动机不可能制成 1.动力燃料2.能量守恒 要点突破 例1A【解析】能量能从一种形式转化为另一种 形式，也能从一个物体转移到另一物体，故A错误，B 正确；某一个物体能量增加了，必然伴随着别的物体能 量减少，一个物体的总能量减少，根据能量守恒定律得 知，必然有其他物体的能量增加，故C正确，D正确。 变式训练1A 例2（山F的大小为2。 (2)AC段与CB 段动摩擦因数1与2的比值是3：2。【解析】(1)设 水平拉力为F,力的作用时间为，对金属块，由牛顿 第二定律可得a,=m竖-ug,由匀变速直线运动的速度 m