2.热力学第一定律（导学案）物理人教版选择性必修第三册

第2节 热力学第一定律 物理观念：建立热力学第一定律的核心概念，理解其作为能量守恒定律在热学中的表达；明确内能、热量、做功的定量关系，能从能量守恒角度分析热力学过程；区分做功与热传递改变内能的本质，理解二者等效性。 科学思维：通过推导与应用∆U = Q + W，提升逻辑推理与模型建构能力；运用能量守恒分析热力学过程，深化“宏观—微观”关联认知；学会用数学表达式定量描述能量转化，培养严谨的计算与论证能力。 科学探究：设计探究热力学第一定律的实验，验证能量守恒关系；基于实验数据分析能量转化方向与效率，提升从证据推导规律的能力；提出猜想、设计方案，探究影响能量转化效率的因素。 科学态度与责任：联系生活中热力学第一定律的应用，体会理论指导实践的思想；关注热学原理在新能源、节能减排中的应用，增强社会责任感；培养严谨求实的科学态度，树立可持续发展意识。 1.热力学第一定律的内容、表达式∆U = Q + W及其物理意义(重点)。 2.运用热力学第一定律分析实际热力学过程问题(重点)。 3.准确理解∆U、Q 、W的符号法则及物理含义(重点)。 【知识回顾】 第三章 热力学定律 第1节 功、热和内能的改变 一、焦耳的实验 1.绝热过程：系统不从外界 ，也不向外界 的过程。 2.代表实验 (1)重物下落带动叶片转动，搅拌容器中的水，水由于摩擦而温度 。 (2)通过电流的 给水加热，使水温上升。 3.实验结论：在各种不同的绝热过程中，系统状态变化相同，所需外界做功的数量是相同的，与做功的方式无关。 4.内能：只依赖于热力学系统 的物理量。 二、功与内能的改变 1.功与内能的改变 在热力学系统的绝热过程中，当系统从状态1经过绝热过程达到状态2时，内能的变化量ΔU＝U2－U1，它就等于外界对系统所做的功W，即ΔU＝ 。 2.做功与内能变化的关系 (1)做功改变物体内能的过程是其他形式的能(如机械能)与内能相互转化的过程。 (2)在绝热过程中，外界对物体做功，则W＞0，外界对物体做多少功，就有多少其他形式的能转化为 ，物体的内能就 多少；物体对外界做功，则W＜0，物体对外界做多少功，就有多少 转化为其他形式的能，物体的内能就 多少。 3.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，并不意味着做功多。在绝热过程中，只有内能变化量越大时，相应地做功才越多。 三、热与内能的改变 1.传热 (1)条件：两个物体的 不同。 (2)过程：温度不同的物体发生传热，温度高的物体要降温，温度低的物体要升温，热从高温物体传到低温物体。 (3)传热的三种方式： 、 、 。 2.热和内能 (1)热量：在单纯的传热过程中系统 变化的量度。 (2)热与内能的改变 ①当系统从状态1经过单纯的传热达到状态2时，内能的变化量ΔU＝U2－U1等于外界向系统传递的热量Q，即ΔU＝ 。 ②理解：在单纯的传热过程中，系统从外界吸收热量，则Q 0，系统从外界吸收了多少热量，系统的内能就 多少，系统向外界放热，则Q 0，系统向外界放了多少热量，系统的内能 就 多少。 【自主预习】 第2节 热力学第一定律 一、热力学第一定律 1.改变内能的两种方式： 与 。两者对改变系统的内能是 。 2.热力学第一定律：一个热力学系统的内能变化量等于外界向它传递的 与外界对它所 的和。 3.热力学第一定律的表达式：ΔU＝ 。 4.公式ΔU＝Q＋W中符号的规定 符号 W Q ΔU ＋ 外界对系统做功 外界对系统传递热量 内能增加 － 系统对外界做功 系统对外界传递热量 内能减少 5.判断气体是否做功的方法 一般情况下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)在等压变化过程中，做功可用W＝pV计算。 6.几种特殊情况 (1)绝热过程：Q＝0，则ΔU＝W，物体内能的增加量等于外界对物体做的功。 (2)等容过程：该过程中不做功，即W＝0，则ΔU＝Q，物体内能的增加量等于外界对物体传递的热量。 (3)(理想气体)等温过程：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对外界传递的热量(或外界对物体传递的热量等于物体对外界做的功)。 二、热力学第一定律的应用 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。 思考与讨论1 一、热力学第一定律 1.在某一热力学过程中，外界既对系统做功W，又对系统传热Q，则系统内能的变化量∆U会是多大? 2.归纳热力学第一定律有关内容。 【例1】 (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？ 思考与讨论2 【例2】如图所示，内壁光滑的绝热汽缸固定在水平面上，其右端由于有挡板，厚度不计的绝热活塞不能离开汽缸，汽缸内封闭着一定质量的理想气体，活塞距汽缸右端的距离为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3】(多选)(2024·湛江市模拟)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 1.关于系统的内能及其变化，下列说法中正确的是(　　) A. 系统的温度改变时，其内能必定改变 B. 系统对外做功，其内能不一定改变；向系统传递热量，其内能不一定改变 C. 对系统做功，系统内能必定改变；系统向外传递一定热量，其内能必定改变 D. 若系统与外界不发生热交换，则系统的内能必定不改变 2.如图，一定质量的理想气体，用活塞封闭在开口向上的导热气缸内。若环境温度不变，活塞与气缸壁间无摩擦，现对活塞施加向上的拉力使其缓慢上升一小段距离（活塞未离开气缸），此过程中（　　） A. 气体压强增大，内能增加   B. 气体压强增大，吸收热量 C. 外界对气体做功，气体内能不变   D. 气体对外界做功，气体吸收热量 3.曾同学去西藏旅行时，发现从低海拔地区买的密封包装的零食，到了高海拔地区时出现了严重的鼓包(体积膨胀)现象，如图所示。假设零食袋里密封的气体可视为理想气体，从低海拔地区到高海拔地区的过程中温度保持不变，高海拔地区的大气压强显著小于低海拔地区的大气压强，下列说法正确的是(　　) A. 袋内气体的压强增大 B. 零食袋中气体分子的平均动能减小 C. 从低海拔地区到高海拔地区的过程中，袋内气体从外界吸收了热量 D. 从低海拔地区到高海拔地区的过程中，外界对气体做正功 4.如图甲所示，用活塞将一定质量的理想气体封闭在上端开口的直立圆筒形汽缸内，气体从状态完成一次循环，其状态变化过程的图像如图乙所示。已知该气体在状态时的温度为600K，求： (1)气体在状态和状态时的温度为多少K； (2)气体从状态的过程中，气体对外做的功； (3)已知气体从状态的过程中，外界对气体做的功，试说明全过程中气体是吸热还是放热并求吸收（或放出）了多少热量。 5.如图所示为拧紧瓶盖的空饮料瓶，温度为7℃时，瓶内气体压强为；当温度升高到35℃过程中，瓶内气体吸收了17J的热量，整个过程中瓶内气体视为理想气体且体积保持不变，求： (1)35℃时，瓶内气体压强； (2)气体内能增加量。 本节课学习中，你有哪些收获，还有哪些问题？ 1 / 2 学科网（北京）股份有限公司 $ 第2节 热力学第一定律 物理观念：建立热力学第一定律的核心概念，理解其作为能量守恒定律在热学中的表达；明确内能、热量、做功的定量关系，能从能量守恒角度分析热力学过程；区分做功与热传递改变内能的本质，理解二者等效性。 科学思维：通过推导与应用∆U = Q + W，提升逻辑推理与模型建构能力；运用能量守恒分析热力学过程，深化“宏观—微观”关联认知；学会用数学表达式定量描述能量转化，培养严谨的计算与论证能力。 科学探究：设计探究热力学第一定律的实验，验证能量守恒关系；基于实验数据分析能量转化方向与效率，提升从证据推导规律的能力；提出猜想、设计方案，探究影响能量转化效率的因素。 科学态度与责任：联系生活中热力学第一定律的应用，体会理论指导实践的思想；关注热学原理在新能源、节能减排中的应用，增强社会责任感；培养严谨求实的科学态度，树立可持续发展意识。 1.热力学第一定律的内容、表达式∆U = Q + W及其物理意义(重点)。 2.运用热力学第一定律分析实际热力学过程问题(重点)。 3.准确理解∆U、Q 、W的符号法则及物理含义(重点)。 【知识回顾】 第三章 热力学定律 第1节 功、热和内能的改变 一、焦耳的实验 1.绝热过程：系统不从外界吸热，也不向外界放热的过程。 2.代表实验 (1)重物下落带动叶片转动，搅拌容器中的水，水由于摩擦而温度上升。 (2)通过电流的热效应给水加热，使水温上升。 3.实验结论：在各种不同的绝热过程中，系统状态变化相同，所需外界做功的数量是相同的，与做功的方式无关。 4.内能：只依赖于热力学系统自身状态的物理量。 二、功与内能的改变 1.功与内能的改变 在热力学系统的绝热过程中，当系统从状态1经过绝热过程达到状态2时，内能的变化量ΔU＝U2－U1，它就等于外界对系统所做的功W，即ΔU＝W。 2.做功与内能变化的关系 (1)做功改变物体内能的过程是其他形式的能(如机械能)与内能相互转化的过程。 (2)在绝热过程中，外界对物体做功，则W＞0，外界对物体做多少功，就有多少其他形式的能转化为内能，物体的内能就增加多少；物体对外界做功，则W＜0，物体对外界做多少功，就有多少内能转化为其他形式的能，物体的内能就减少多少。 3.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，并不意味着做功多。在绝热过程中，只有内能变化量越大时，相应地做功才越多。 三、热与内能的改变 1.传热 (1)条件：两个物体的温度不同。 (2)过程：温度不同的物体发生传热，温度高的物体要降温，温度低的物体要升温，热从高温物体传到低温物体。 (3)传热的三种方式：热传导、热对流、热辐射。 2.热和内能 (1)热量：在单纯的传热过程中系统内能变化的量度。 (2)热与内能的改变 ①当系统从状态1经过单纯的传热达到状态2时，内能的变化量ΔU＝U2－U1等于外界向系统传递的热量Q，即ΔU＝Q。 ②理解：在单纯的传热过程中，系统从外界吸收热量，则Q>0，系统从外界吸收了多少热量，系统的内能就增加多少，系统向外界放热，则Q<0，系统向外界放了多少热量，系统的内能就减少多少。 【自主预习】 第2节 热力学第一定律 一、热力学第一定律 1.改变内能的两种方式：做功与传热。两者对改变系统的内能是等价的。 2.热力学第一定律：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。 3.热力学第一定律的表达式：ΔU＝Q＋W。 4.公式ΔU＝Q＋W中符号的规定 符号 W Q ΔU ＋ 外界对系统做功 外界对系统传递热量 内能增加 － 系统对外界做功 系统对外界传递热量 内能减少 5.判断气体是否做功的方法 一般情况下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)在等压变化过程中，做功可用W＝pV计算。 6.几种特殊情况 (1)绝热过程：Q＝0，则ΔU＝W，物体内能的增加量等于外界对物体做的功。 (2)等容过程：该过程中不做功，即W＝0，则ΔU＝Q，物体内能的增加量等于外界对物体传递的热量。 (3)(理想气体)等温过程：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对外界传递的热量(或外界对物体传递的热量等于物体对外界做的功)。 二、热力学第一定律的应用 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。 思考与讨论1 一、热力学第一定律 1.在某一热力学过程中，外界既对系统做功W，又对系统传热Q，则系统内能的变化量∆U会是多大? 答案 ∆U = Q + W。 2.归纳热力学第一定律有关内容。 答案 （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）表达式:∆U = Q + W。 （3）物理意义：不仅反映了做功与传热在改变系统内能方面是等效的，而且给出了功、热量跟系统内能改变之间的定量关系。 【例1】 (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？ 【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。 思考与讨论2 二、热力学第一定律的应用 【例2】如图所示，内壁光滑的绝热汽缸固定在水平面上，其右端由于有挡板，厚度不计的绝热活塞不能离开汽缸，汽缸内封闭着一定质量的理想气体，活塞距汽缸右端的距离为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 【解析】由题意可知，封闭气体先等压变化，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。 【例3】(多选)(2024·湛江市模拟)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 【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，B、C正确，A、D错误。 1.关于系统的内能及其变化，下列说法中正确的是(　　) A. 系统的温度改变时，其内能必定改变 B. 系统对外做功，其内能不一定改变；向系统传递热量，其内能不一定改变 C. 对系统做功，系统内能必定改变；系统向外传递一定热量，其内能必定改变 D. 若系统与外界不发生热交换，则系统的内能必定不改变 【解析】系统的温度改变时，其内能不一定改变，故A错误。根据热力学第一定律可知，系统对外做功或外界对系统做功，系统的内能不一定改变；向系统传递热量或系统向外传递一定热量，系统的内能不一定改变，故B正确，C错误。若系统与外界不发生热交换，系统对外做功或外界对系统做功，则系统的内能发生变化，故D错误。 2.如图，一定质量的理想气体，用活塞封闭在开口向上的导热气缸内。若环境温度不变，活塞与气缸壁间无摩擦，现对活塞施加向上的拉力使其缓慢上升一小段距离（活塞未离开气缸），此过程中（　　） A. 气体压强增大，内能增加   B. 气体压强增大，吸收热量 C. 外界对气体做功，气体内能不变   D. 气体对外界做功，气体吸收热量 【解析】由题意可知，气体的温度不变，体积增大，根据玻意耳定律，可知气体的压强减小；气体的温度不变，气体的内能不变，故A错误；气体的温度不变，体积增大，气体的压强减小；气体的温度不变，气体的内能不变；气体体积增大，气体对外做功；根据热力学第一定律，可知气体吸收热量；B错误，D正确；气体体积增大，气体对外做功；气体温度不变，气体内能不变，C错误。故选D。 3.曾同学去西藏旅行时，发现从低海拔地区买的密封包装的零食，到了高海拔地区时出现了严重的鼓包(体积膨胀)现象，如图所示。假设零食袋里密封的气体可视为理想气体，从低海拔地区到高海拔地区的过程中温度保持不变，高海拔地区的大气压强显著小于低海拔地区的大气压强，下列说法正确的是(　　) A. 袋内气体的压强增大 B. 零食袋中气体分子的平均动能减小 C. 从低海拔地区到高海拔地区的过程中，袋内气体从外界吸收了热量 D. 从低海拔地区到高海拔地区的过程中，外界对气体做正功 【解析】A，根据气体的等温变化规律可知，袋内气体压强减小，选项A错误； B，温度不变，则零食袋中气体分子的平均动能不变，选项B错误；CD，从低海拔地区到高海拔地区的过程中，袋内气体对外界做正功，袋内气体的内能不变，根据热力学第一定律可知，袋内气体从外界吸收了热量，选项C正确、D错误。故选C。 4.如图甲所示，用活塞将一定质量的理想气体封闭在上端开口的直立圆筒形汽缸内，气体从状态完成一次循环，其状态变化过程的图像如图乙所示。已知该气体在状态时的温度为600K，求： (1)气体在状态和状态时的温度为多少K； (2)气体从状态的过程中，气体对外做的功； (3)已知气体从状态的过程中，外界对气体做的功，试说明全过程中气体是吸热还是放热并求吸收（或放出）了多少热量。 【解析】（1）由乙图可知，对于理想气体过程，保持体积不变，由查理定律有 解得 过程，压强保持不变，由盖—吕萨克定律有 解得 （2）而过程是等容变化，气体对外不做功；过程中气体体积膨胀对外做的功，即从状态到状态气体对外做的功 （3）全过程从状态又回到状态，根据热力学第一定律 其中， 解得，即气体放热。 5.如图所示为拧紧瓶盖的空饮料瓶，温度为7℃时，瓶内气体压强为；当温度升高到35℃过程中，瓶内气体吸收了17J的热量，整个过程中瓶内气体视为理想气体且体积保持不变，求： (1)35℃时，瓶内气体压强； (2)气体内能增加量。 【解析】(1)气体体积不变，则根据查理定律可知 解得35℃时，瓶内气体压强大小为 (2)气体体积不变，则W=0 瓶内气体吸收了17J的热量，则Q=17J 根据热力学第一定律 可得 即气体内能增加17J 本节课学习中，你有哪些收获，还有哪些问题？ 1 / 2 学科网（北京）股份有限公司 $