第四章 第2节 热力学第一定律

第2节热力学第一定律

一、改变物体内能的两种方式

1．改变内能的两种方式：做功和热传递。

2．做功：外力对物体做功，可以使物体的内能增加。

3．热传递：没有做功而使物体内能改变的物理过程。

4．做功和热传递对物体内能的改变是等效的，但本质不同。

二、热力学第一定律

1．定义：功、热量跟内能改变之间的定量关系。

2．数学表达式：ΔU＝Q＋W。

1．判断：(1)物体吸收热量，内能一定增大。()

(2)物体对外做功，内能一定减小。()

(3)物体吸收热量，同时对外做功，内能可能不变。()

(4)物体放出热量，同时对外做功，内能可能不变。()

答案：(1)×(2)×(3)√(4)×

2．思考：运用所学物理知识分析古代人“钻木取火”的原理是什么？

提示：“钻木取火”即人对木头做功，使木头的内能增大，温度升高，当温度达到木头的着火点时，木头便开始燃烧，即利用做功的方式改变木头的内能。

1.

内能是由系统的状态决定的，状态确定，系统的内能也随之确定。要使系统的内能发生变化，可以通过热传递或做功两种方式来完成。热量是热传递过程中的特征物理量，和功一样，热量只是反映物体在状态变化过程中所迁移的能量，是用来衡量物体内能变化的。有过程，才有变化，离开过程则毫无意义。就某一状态而言，只有“内能”，不能谈到“热量”或“功”。

(1)内能是状态量，热量、功是过程量。

(2)热量、功、内能本质是不同的。

1．物体的内能增加了20 J，下列说法中正确的是()

A．一定是外界对物体做了20 J的功

B．一定是物体吸收了20 J的热量

C．一定是物体分子动能增加了20 J

D．物体分子的平均动能可能不变

解析：选D做功和热传递都可以改变物体内能，物体内能改变20 J，其方式是不确定的，因此A、B错误；物体内能包括所有分子的平均动能和分子势能，内能由分子数、分子平均动能、分子势能三者决定，故C错误。

1.

(1)对ΔU＝Q＋W的理解：热力学第一定律将单纯的绝热过程和单纯的热传递过程中内能改变的定量表述推广到一般情况，既有做功又有热传递的过程，其中ΔU表示内能改变的数量，W表示做功的数量，Q表示外界与物体间传递的热量。

(2)与热力学第一定律相对应的符号法则：

不可能实现能量的转化或转移，同时也进一步揭示了能量守恒定律。

(4)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根据方程ΔU＝Q＋W求出未知量；

③再根据未知量结果的正、负来确定吸热、放热情况或做功情况。

2．判断是否做功的方法

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．几种常见的气体变化过程

(1)绝热过程：过程是绝热的，则Q＝0，W＝ΔU，外界对气体做的功等于气体内能的增加。

(2)等容过程：过程中不做功，即W＝0，则Q＝ΔU，气体吸收的热量等于气体内能的增加。

(3)等温过程：过程的始末状态气体的内能不变，即ΔU＝0，则Q＋W＝0或W＝－Q。

对于热力学第一定律的应用，要特别注意公式中各量的符号规则，能确定正负号的直接在数值前代入符号计算即可。对于不能确定符号的，可先采取假设正值的方法来处理。若计算结果是正值，就是规定正值的情况，若计算结果为负值，就是与假设相反的情况。

2．压缩过程中，两个阀门均关闭。若此过程中，气室中的气体与外界无热量交换，内能增加了3.4×104J，则该气体的分子平均动能________(选填“增大”、“减小”或“不变”)，活塞对该气体所做的功________(选填“大于”、“小于”或“等于”)3.4×104 J。

解析：气室中的气体与外界无热交换，内能增加，同时外界对气体做功，故密闭气体的温度升高，气体分子的平均动能增大。根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W可知，Q＝0，W＝ΔU，所以活塞对该气体所做的功等于3.4×104 J。

答案：增大等于

[例1][多选

理想气体，隔板右侧与绝热活塞之间是真空。现将隔板抽开，气体会自发扩散至整个汽缸。

待气体达到稳定后，缓慢推压活塞，将气体压回到原来的体积。假设整个系统不漏气。下列说法正确的是()

A．气体自发扩散前后内能相同

B．气体在被压缩的过程中内能增大

C．在自发扩散过程中，气体对外界做功

D．气体在被压缩的过程中，外界对气体做功

E．气体在被压缩的过程中，气体分子的平均动能不变

[解析]抽开隔板，气体自发扩散过程中，气体对外界不做功，与外界没有热交换，因此气体的内能不变，A项正确，C项错误；气体在被压缩的过程中，外界对气体做功，D项正确；由于气体与外界没有热交换，气体在被压缩的过程中内能增大，因此气体的温度升高，气体分子的平均动能增大，B项正确，E项错误。

[答案]ABD

[借题发挥]一定质量的理想气体的内能只与温度有关，温度升高，内能增加，温度降低，内能减少。

[例2](1)5 J，是

气体对外界做了功，还是外界对气体做了功？做了多少功？

(2)一定质量的气体，从外界吸收5 J的热量，同时气体对外界做功5 J，则气体的内能怎样变化？

[解析](1)根据热力学第一定律表达式中的符号法则，可知Q＝5J，ΔU＝

5 J。

由ΔU＝W＋Q，

则W＝ΔU－Q＝5 J－5 J＝5 J。

W＞0，说明是外界对气体做了功。

(2)Q＝5 J，W＝－5 J

则ΔU＝Q＋W＝5 J

ΔU为正值，说明气体的内能增加5 J。