第3节热力学第一定律
3热力学第一定律
§3.热力学第一定律 / 一、内能增量、功、热量正负规定
或外界对系统作功。 3.热量 系统吸热 系统放热
m Q Cm(T2 T1 ) M
Q吸 0
Q放 0
二、热力学第一定律
设一热力学系统，初始时内能为E1， 如果系统吸热，使系统内能增加到E2，系 统对外作功W。
§3.热力学第一定律 / 二、热力学第一定律
2 1
3.明确几点
①.注意内能增量、功、热量的正负规定。
第一定律的符号规定
Q
E2 E1
内能增加
W
系统对外界做功
+
系统吸热
系统放热
内能减少
外界对系统做功
§3.热力学第一定律 / 二、热力学第一定律
设计制作
干耀国
山东科技大学济南校区
§3.热力学第一定律
由能量守恒与转换定律
Q ( E2 E1 ) W Q E W
W
1.热力学第一定律 系统吸收的热量， 转变成系统的内能和 系统对外做的功。
系 E 统
Q吸
2.热力学第一定律对微小过程的应用
dQ dE dW
§3.热力学第一定律 / 二、热力学第一定律
符号 d 表示“元”，因为Q、W不是状 态 函数，不能写成微分。 V 由 W V PdV ， dQ dE PdV
第三节 热力学第一 定律
热力学第一定律实际上是包括热现象 在内的能量守恒与转换定律。 一、规定内能增量、功、热量的正负 1.内能增量
m i E RT M2
E 0 系统温度升高 T 0, E 0 系统温度降低 T 0, V W V PdV 2.功 体积膨胀V 0, W 0 系统对外界做正功。 体积收缩V 0, W 0 系统对外界做负功，
6-9第三章能量与热力学第一定律
第三章 能量与热力学第一定律 (6)基本要求深入理解热力学第一定律的实质，熟练掌握热力学第一定律及其表达式。
能够正确、灵活地应用热力学第一定律表达式来分析计算工程实际中的有关问题。
掌握稳态稳流能量方程的应用 本章重点熟练应用热力学第一定律解决具体问题3.1 热力学第一定律的实质3.1.1热力学第一定律产生概述19世纪30-40年代，迈尔·焦耳（德国医生）发现并确定了能量转换与守恒定律。
恩格斯将这列为19世纪三大发现之一（细胞学说、达尔文进化论）。
能量守恒定律：一切物质都具有能量。
能量不能被创造，也不能被消灭，它只能由一种形式转变为另外一种形式，或者由一个系统传递给另外一个系统，在转换和传递的过程中，能量的总和不变。
至今为止，没有一个人提出一个事实不符合这条自然规律的，相反，在各个领域：天文、地理、生物、化学、电磁光、宏观、微观各领域都遵循 这条规律。
热力学是研究能量及其特性的科学，它必然要遵循这条规律。
热力学第一定律是能量守恒与转换定律在热力学中的应用，它确定了热力过程中各种能量在数量上的相互关系。
3.1.2热力学第一定律的实质实质: 能量守恒与转换定律在热力学中的应用。
收入-支出=系统储能的变化 或 =+sur sys E E 常数 对孤立系统：0=∆isol E 或 0=∆+∆sur sys E E 3.1.3 热力学第一定律的三种表述热力学第一定律实质就是热力过程中的能量守恒和转换定律，它建立了热力过程中的能量平衡关系，是热力学宏观分析方法的主要依据之一。
热力学第一定律可表述为：热和功可以互相转换，为了获得一定量的功必须消耗一定量的热。
根据热力学第一定律，要想得到机械能就必须花费热能或其它能量，那种幻想创造一种不花费能量就可以产生动力的机器的企图是徒劳的。
因此，热力学第一定律也可以表述为：不花费能量就可以产生功的第一类永动机是不可能制造成功的。
热力学第一定律适用于一切热力系统和热力过程，不论是开口系统还是闭口系统，热力学第一定律均可表达为：进入系统的能量一离开系统的能量 = 系统储存能量的变化3.1.4闭口系统能量方程式闭口系统与外界没有物质交换，传递能量只有热量和功量两种形式。
03 热力学第一定律
u cv T v
对于理想气体：
第三节
采用定值比热容计算： 采用平均比热容计算：
闭口系统能量方程式
由理想气体组成的混合气体的内能等于组成气体内能之和： U U1 U 2 U n U i
i 1 n
mu mi ui
Q1 2 (U 2 U1 ) W1 2
对1kg工质，有：
Q dU pdV
Q12 (U 2 U1 ) pdV
1 2
q du w
q1 2 (u2 u1 ) w1 2
q du pdv
q12 (u2 u1 ) pdv
进入控制体的能量 1 2 Q (h1 c1 gz1 ) m1 离开控制体的能量
1 2 Ws (h2 c2 gz2 ) m2 2
2
控制体储存能变化：
dEcv ( E dE)cv Ecv
根据热力学第一定律建立能量方程
1 2 1 2 Q (h1 c1 gz1 ) m1 (h2 c2 gz2 ) m2 Ws dEcv 2 2 1 2 1 2 Q (h2 c2 gz2 ) m2 (h1 c1 gz1 ) m1 Ws dEcv 2 2
各种“功”的关系与区别
1.膨胀功（容积功）：压力作用下，工质的容积发生变化而传递的机械功
w pdv
2.流动功：推动流体通过控制界面而传递的机械功 流动净功：推动1kg工质进、出控制体所必须的功
w f p2 v2 p1v1
3.轴功：系统通过机械轴与外界传递的机械功
wf p v
ws
3.技术功：热力过程中可被直接利用来作功的能量，统称为技术功
物理化学热力学第一定律
物理化学热力学第一定律
热力学第一定律就是不同形式的能量在传递与转换过程中守恒的定律，表达式为△U=Q+W。
表述形式：热量可以从一个物体传递到另一个物体，也可以与机械能或其他能量互相转换，但是在转换过程中，能量的总值保持不变。
该定律经过迈耳、焦耳等多位物理学家验证。
热力学第一定律就是涉及热现象领域内的能量守恒和转化定律。
十九世纪中期，在长期生产实践和大量科学实验的基础上，它才以科学定律的形式被确立起来。
埃瓦特对煤的燃烧所产生的热量和由此提供的“机械动力”之间的关系作了研究，建立了定量联系。
03第一定律
B 2 v
Q1A2 50kJ
U 2 U1 10kJ
W2 B1 5kJ
解:
W1A2 Q1A2 (U 2 U1 ) 50 10 40kJ
是膨胀过程
p
1
dU 0
Q W
W W
v
A
B 2
1A2
W2 B1 40 5 35kJ
可逆过程 积分形式
q dh vdp
q h2 h1 ( vdp )
1 2
第五节 稳定流动能量方程的应用
开口系统的典型设备:
1.换热器：如锅炉、冷凝器等
2.喷管和扩压管
3.产生功的装置：如蒸汽轮机、燃气轮机
4.消耗功的装置：如泵、压缩机 5.节流装置：如膨胀阀
1 2 2 q h2 h1 ( wg 2 wg ) g ( z2 z1 ) ws 1 2
示热图
标志
dv﹥0 膨胀功 dv =0 无功 dv﹤0 压缩功
示功图
1.熵是状态参数，是尺度量。 四、熵的性质 p 可 1 T q 逆 2 过 图示 ｐ 程 1 2 2 q中 2.T-s（温-熵）图上可逆过程曲 Td？ w pdv 容 ｖ 1 ？ 线下的面积等于过程热量。 积 图 v 上 功 3.熵产是过程不可逆性的度 2 可逆过程 *强调：1. p v 图上曲线下面的面积代表容积功 的 在 w pdv 量。 1 表 ds>0 吸热 2. dv 0 有 w 0 w 称为膨胀功 称为膨胀功 示 可逆的绝热过程为等熵过程
Q U pdV
1 2
q u pdv
1
2
任意工质、可逆过程
q du pdv
热力学第一定律(高中物理教学课件)完整版
2.应用热力学第一定律解题的一般步骤： ①根据符号法则列出各已知量(W、Q、ΔU)的正 负； ②根据方程ΔU＝W＋Q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
二.热力学第一定律的应用
3. 气体状态变化的几种特殊情况：
①绝热过程：Q＝0，则ΔU＝W，不发生热传递，系统内 能的变化只与做功有关（分绝热膨胀和绝热压缩） ②等温过程： ΔU＝0，则W＝－Q，气体内能不变，外 界对气体做的功与气体吸收的热量等值异号（分等温膨 胀和等温压缩） ③等容过程：W＝0，则ΔU＝Q，气体不做功，系统内能 的变化只与热传递有关（分升温升压和降温降压） ④等压过程：等压膨胀，温度升高，内能增加，对外做 功，气体吸热；等压压缩，温度降低，内能减少，对内 做功，气体放热
解：根据热力学第一定律：U W Q 2.5105 J 1.2105 J Q
Q 1.3105 J， 气体向外界放热1.3105 J的功
二.热力学第一定律的应用
1.判断气体是否做功的方法： 一般情况下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
例13. （多选）如图是某喷水壶。未喷水时阀门闭合，压 下压杆可向瓶内储气室充气；多次充气后按下按柄打开
阀门，水会自动经导管从喷嘴处喷出。储气室内气体可
第三章热力学第一定律
• 气缸内空气质量： • 终态吸收的热量：
• 提示：
（1）计算功时如果无法判断工质进行的过程 性质，此时用系统内部参数难以分析，可 直接用外部效果来求解。
（2）注意系统内能和比内能的区别。必须乘 上质量。
量称为热量。
2
q Tds
1
2、特点： （1）热量是过程量，与初、终状态和过程特
性有关。
（2）热量一旦通过界面传入（或传出）系统， 就变成系统（或外界）储存能的一部分， 即内能。有时习惯上称为热能。
从微观角度看：
• 热量——所起的作用是无规热运动能量 的传递。
二、功量 • 系统通过界面和外界进行的机械能的交换
Wre pdV
相同点：功和热量都是过程量。只有在系 统和外界通过边界传递能量时才有意义， 一旦它们越过界面，便转化为系统或外界 的能量。
不能说在某状态下，系统或外界有多少功 或热。
不同点：
（1）功是热力系与外界之间在压差的推动下， 通过宏观有序的运动（有规律的运动）的 方式进行传递能量。换而言之，借作功来 传递能量总是和物体的宏观位移有关。
• 焦耳设计了实验测定了电热当量和热功当 量，用实验确定了热力学第一定律，补充 了迈尔的论证。
• 热力学第一定律是能量转换和守恒定律在 热现象上的应用。
能量守恒定律反映了自然界中物质所具有 的能量既不能创生，也不能消失，而只能 从一种能量形态转换为另一种能量形态， 转换中能量的总量在数量上守恒。
• 热力学第一定律阐明： 1、功与热量在能量方面的等效性； 2、功与热量相互转化的可能性。
注意：流动功不象其它功，流动功是以状 态参数来表示（两状态参数p, v的乘积）， 流动功是状态量。
3-热力学第一定律(学案)
3 热力学第一定律能量守恒定律编写：孙高飞汪世环 2012-3-23 班级：_____ 姓名：___ _____一.教学目标（我们要学什么？）(一) 知识与技能1.理解热力学第一定律2.能运用热力学第一定律解释自然界能量的转化、转移问题3.理解能量守恒定律，知道能量守恒定律是自然界普遍遵从的基本规律4.通过能量守恒定律的学习，认识自然规律的多样性和统一性5.知道第一类永动机是不能实现的（二）过程与方法促进学生自主学习，让学生积极参与、乐于探究、勇于实验、勤于思考，培养学生的科学探究能力（三）情感态度与价值观注重激发学生学习物理的情趣和振兴中华的使命感和责任感.二.课前导读（带着问题读书吧！读后，你能解决这些问题吗？）1.焦耳的实验表明什么问题？2.写出热力学第一定律的文字表述和的数学表达式？3.△U，Q，W几个量中的正、负的所代表的意义？4.认真阅读教材后，写出能量守恒定律的内容。
5.什么是第一类永动机？第一类永动机为什么不能制成？三.典例精析（认真分析知识.规律在实际应用中的方法。
）1.一定量的气体在某一过程中，外界对气体做了8×104J的功，气体的内能减少了1.2×105J，则下列各式中正确的是（）A.W=8×104J，ΔU =1.2×105J ，Q=4×104JB.W=8×104J，ΔU =－1.2×105J ，Q=－2×105JC.W=－8×104J，ΔU =1.2×105J ，Q=2×104JD.W=－8×104J，ΔU =－1.2×105J ，Q=－4×104J2. 一定质量的气体从外界吸收了4.2×105J的热量，同时气体对外做了6×105J的功，问：（1）物体的内能是增加还是减少？变化量是多少？（2）分子势能是增加还是减少？（3）分子的平均动能是增加还是减少？3．物体从外界吸收热量时，内能（）A一定增加B．可能不变C．可能减小D．可能增大4．理想气体在等压变化中（）A．一定对外做正功B．外界一定对气体做正功C．若温度升高，一定对外做正功D．可能既不对外做功，外界也不对气体做功5．关于物体内能的变化情况，下列说法中正确的是（）A．吸热的物体，其内能一定增加B．体积膨胀的物体，其内能一定减少C．放热的物体，其内能也可能增加D．理想气体等温膨胀，其内能不变6．下列有关内能的说法正确的是（）A．质量和温度相同的物体，内能一定相同B．一定质量的理想气体的内能只与温度有关C．一定质量的理想气体在等容变化过程中若吸了热，内能一定增加D．理想气体等温变化，内能可能减少四.课后达标检测（加深知识、规律理解，检测学习、掌握程度。
3.2热力学第一定律(原卷版)
3.2热力学第一定律基础导学要点一、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．热力学第一定律的应用：(1)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．(均选填“正”或“负”)；(2)Q的正负：外界对系统传递的热量Q取正值；系统向外界传递的热量Q取负值．(均选填“正”或“负”)。
要点突破突破一：对热力学第一定律的理解热力学第一定律不仅反映了做功和热传递这两种改变内能过程是等效的，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际单位制中的焦耳．突破二：对公式ΔU＝Q＋W符号的规定符号W QΔU＋外界对物体做功物体吸收热量内能增加－物体对外界做功物体放出热量内能减少突破三：几种特殊情况(1)若过程是绝热的，则Q＝0，W＝ΔU，外界对物体做的功等于物体内能的增加．(2)若过程中不做功，即W＝0，则Q＝ΔU，物体吸收的热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ΔU＝0，则W＋Q＝0或W＝－Q，外界对物体做的功等于物体放出的热量．【特别提醒】(1)应用热力学第一定律时要明确研究的对象是哪个物体或者是哪个热力学系统．(2)应用热力学第一定律计算时，要依照符号法则代入数据．对结果的正、负也同样依照规则来解释其意义．典例精析题型一：热力学第一定律的理解和应用例一．空气压缩机在一次压缩中，活塞对空气做了2×105 J的功，同时空气的内能增加了1.5×105 J，这一过程中空气向外界传递的热量是多少？变式迁移1：一定质量的气体，从状态A变化到状态B的过程中，内能增加了160 J，下列是关于内能变化的可能原因的说法，其中不可能的是()A．从A到B的绝热过程中，外界对气体做功160 JB．从A到B的单纯传热过程中，外界对气体传递了160 J的热量C．从A到B的过程中吸热280 J，并对外界做功120 JD．从A到B的过程中放热280 J，外界对气体做功120 J题型二：热力学第一定律与气体实验定律的综合应用例二．气体温度计结构如图所示．玻璃测温泡A内充有理想气体，通过细玻璃管B和水银压强计相连．开始时A处于冰水混合物中，左管C中水银面在O点处，右管D中水银面高出O点h1＝14 cm，后将A放入待测恒温槽中，上下移动D，使C中水银面仍在O点处，测得D中水银面高出O点h2＝44 cm.(已知外界大气压为1个标准大气压，1标准大气压相当于76 cmHg)(1)求恒温槽的温度．(2)此过程A内气体内能________(填“增大”或“减小”)，气体不对外做功，气体将________(填“吸热”或“放热”)．变式迁移2：带有活塞的汽缸内封闭一定量的理想气体，气体开始处于状态a，然后经过过程ab到达状态b或经过过程ac到达状态c，b、c状态温度相同，如V－T图所示．设气体在状态b和状态c的压强分别为pb和pc，在过程ab和ac中吸收的热量分别为Q ab和Q ac，则(填入选项前的字母，有填错的不得分)()A．p b＞p c，Q ab＞Q acB．p b＞p c，Q ab＜Q acC．p b＜p c，Q ab＞Q acD．p b＜p c，Q ab＜Q a强化训练一、选择题1．恒温的水池中，有一气泡缓慢上升，在此过程中，气泡的体积会逐渐增大，不考虑气泡内气体分子势能的变化，下列说法中正确的是（）A．气泡内的气体对外界做功B．气泡内的气体内能增加C．气泡内的气体与外界没有热传递D．气泡内气体分子的平均动能减小2．下列关于能量转化的现象的说法中，正确的是（）A．用太阳灶烧水是太阳能转化为电能B．电灯发光是电能转化为光能C．核电站发电是电能转化为内能D．生石灰放入盛有凉水的烧杯里，水温升高是动能转化为内能3．下列关于分子运动和热现象的说法正确的是（）A．气体如果失去了容器的约束就会散开，这是因为气体分子之间存在斥力的缘故B．一定质量100℃的水变成100℃的水蒸气，其分子之间的势能增加C．对于一定量的气体，如果压强不变，体积增大，那么它一定向外界放热D．如果气体分子总数不变，而气体温度升高，气体分子的平均动能增大，因此压强必然增大4、被压瘪但尚未破裂的乒乓球放在热水里泡一会儿，就会重新鼓起来，这一过程乒乓球内的气体( )A.吸热，对外做功，内能不变B.吸热，对外做功，内能增加C.温度升高，对外做功，内能不变D.压强增大，单位体积内分子数增大5、(2020·吉林通化期末)对于一定质量的理想气体,下列过程不可能发生的是( )A.气体膨胀对外做功,温度升高,内能增加B.气体吸热,温度降低,内能不变C.气体放热,压强增大,内能增大D.气体放热,温度不变,内能不变6、(2020·河北石家庄月考)对于一定质量的气体,下列说法正确的是( )A.在体积缓慢增大的过程中,气体一定对外界做功B.在压强不断增大的过程中,外界对气体一定做功C.在体积不断被压缩的过程中,内能一定增加D.在与外界没有发生热交换的过程中,内能一定不变7、(2021·河北张家口月考)(多选)如图,一定质量的理想气体从状态a出发,经过等容过程ab到达状态b,再经过等温过程bc到达状态c,最后经等压过程ca回到状态a。
热力学第一定律
三. 热力学第一定律的数学表达式（第三节）
系统从状态1变为状态2，若“系统从环 境吸热”Q，“系统对环境作功”W，则系统 热力学能的改变ΔU为：
ΔU = U2 - U1 = Q +W
或
d U = δQ +δW
热力学第一定律的数学表达式
四. 热力学第一定律的数学表达式（第三节）
热力学平衡是动态平衡
四、状态函数与状态方程（第二节）
（一）状态函数 状态——热力学平衡态 状态函数——平衡系统的各种热力学性质 状态函数——描述平衡系统宏观性质的物理量。
例如：T、p、V、密度ρ、黏度η、摩尔数n、质量m
四、状态函数与状态方程（第二节）
（一）状态函数 1. 状态函数是状态的单值函数
1mol理想气体 25℃、202.6kPa
1mol理想气体 25℃、202.6kPa
可逆过程，W= 1718J W nRT ln V2 V1
功与途径有关，可逆过程环境做功最小。
三、可逆过程（第四节）
25℃ 202.6kPa 理想气体
等温过程 体积增大一倍
25℃ 101.3kPa 理想气体
等温过程 体积减小一倍
注意：和差时的单位一致。如 T+V 就不是状 态 函数，没有意义 。
四、状态函数与状态方程（第二节）
（二）状态方程 状态函数之间的关系： 对于含有n种物质的均相封闭系统，只有n+2个
状态函数是独立的。 例如，理想气体的状态方程可表示为： pV=nRT
五、过程与途径（第二节）
等温过程： T环 恒定，T始 T终 T环
H=U+pV 焓是状态函数，广度性质，能量单位
第三章 热力学第一定律
四、焓及其物理意义
一、功量与热量的特性 • 1是传递形式的能量 • 热量和功量是系统与外界通过边界 传递的能量，过程一旦结束，两者 将成为系统或外界储存形式的能量。 • 2是过程量 • 其数值不仅取决于系统的初、终平 衡状态，而且还取决于热力过程中 系统所经历的路径。
• 2气体在某一过程中吸热12kJ，同时内 能增加20kJ。问此过程是膨胀过程还 是压缩过程?对外所作的功是多少?
• 3压力为1MPa和温度为200℃的空气 在—主管道中稳定流动。现以一绝热 容器用带阀门的管道与它相连，慢慢 开启阀门使空气从主管道流人容器。 设容器开始是真空的，求在容器内空 气的最终温度。
1842年，J.R. Mayer阐述热一律，但没有 引起重视 1840-1849年，Joule用多种实验的一致性 证明热一律，于1950年发表并得到公认
热力学第一定律的实质
• 热力学第一定律是将能量守恒与转 换定律在热力学中的应用，它确定 了热能与其它形式能量相互转换时 在数量上的关系。即 • 进入系统的能量－离开系统的能量 ＝系统储存能量的变化 • 第一类永动机是不可能制成的。
焦耳实验
1、重物下降，输 入功，绝热容 器内气体 T 2、绝热去掉，气
体 T ，放出
热给水，T 恢复
原温。
焦耳实验
水温升高可测得热量， 重物下降可测得功
Mechanical equivalent of heat 热功当量 1 cal = 4.1868 kJ
第一节
系统储存能
• 系统与外界传递发生了相互作用，其 储存形式的能量就会变化。 • 因此有必要确定系统在某一特定平衡 状态时其本身储存了多少能量。 系统的储存能包括： • ⑴与系统分子本身状态有关的内部储 存能（也称为热力学能）； • ⑵与系统整体运动有关的外部储存能。
2016新课标三维人教物理选修3-3 第十章 热力学定律 第3节 热力学第一定律 能量守恒定律
第3节热力学第一定律__能量守恒定律1.热力学第一定律：一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的和。
2．热力学第一定律的表达式ΔU＝Q＋W，要熟悉其符号法则。
3．能量守恒定律：能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变。
4．第一类永动机不可能制成，因为它违背了能量守恒定律。
一、热力学第一定律1．改变内能的两种方式做功和热传递。
2．热力学第一定律(1)内容：一个热力学系统的内能增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：ΔU＝Q＋W。
二、能量守恒定律和永动机1．能量守恒定律(1)内容：能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变。
(2)意义：①各种形式的能可以相互转化。
②各种物理现象可以用能量守恒定律联系在一起。
2．永动机不可能制成(1)第一类永动机：不需要任何动力或燃料，却能不断地对外做功的机器。
(2)不可制成的原因：违背了能量守恒定律。
1．自主思考——判一判(1)做功和热传递在改变物体内能上是不等效的。
(×)(2)运动的物体在阻力作用下会停下来，说明机械能凭空消失了。
(×)(3)功和能可以相互转化。
(×)(4)第一类永动机不能制成，是因为它违背了能的转化和守恒定律。
(√)(5)某个物体的能量减少，必然有其他物体的能量增加。
(√)(6)自由摆动的秋千摆动幅度越来越小，减少的机械能转化为内能，但总能量守恒。
(√)2．合作探究——议一议(1)快速推动活塞对汽缸内气体做功10 J，气体内能改变了多少？若保持气体体积不变，外界对汽缸传递10 J的热量，气体内能改变了多少？能否说明10 J的功等于10 J的热量？图10-3-1提示：无论外界对气体做功10 J，还是外界给气体传递10 J的热量，气体内能都增加了10 J，说明做功和热传递在改变物体内能上是等效的，但不能说10 J的功等于10 J的热量，因为功与热量具有本质区别。
热力学第一定律
热力学第一定律热力学第一定律，也被称为能量守恒定律，是热力学基本定律之一。
它阐述了能量在物理系统中的守恒原理，即能量不会被创造或消灭，只会在不同形式之间转换或传递。
该定律在许多领域都有广泛的应用，包括工程、物理、化学等。
1. 定律的表述热力学第一定律可从不同的角度进行表述，以下是几种常见的表述方式：1.1 内能变化根据热力学第一定律，一个封闭系统内能的变化等于系统所吸收的热量与系统所做的功的代数和。
数学表达式如下：ΔU = Q + W其中，ΔU表示系统内能的变化，Q表示系统吸收的热量，W表示系统所做的功。
1.2 能量守恒根据能量守恒定律，能量既不能被创造也不能被摧毁，只会在不同形式之间传递或转换。
能量的总量在一个封闭系统中保持不变。
2. 系统内能的变化系统内能的变化是热力学第一定律的核心内容之一。
系统内能的变化是由系统吸收或释放的热量以及系统所做的功决定的。
2.1 系统吸收的热量系统吸收的热量指的是系统从外界获得的热能。
当一个热源与系统接触时，能量会以热量的形式从热源传递到系统中。
系统吸收的热量可以引起系统内能的增加。
2.2 系统所做的功系统所做的功指的是系统对外界做的能量转移。
当系统对外界施加力并移动时，能量会以功的形式从系统传递到外界。
系统所做的功可以引起系统内能的减少。
3. 热力学第一定律的应用3.1 工程应用热力学第一定律在工程领域有着广泛的应用。
例如，在能源系统的设计与优化中，需要根据系统的能量转换过程，计算系统的内能变化和热功效率等参数，以提高能源利用效率。
3.2 物理学应用在物理学研究中，热力学第一定律通常用于分析热力学过程中的能量转化。
例如，在热力学循环中，通过计算各个环节的能量转换情况，可以确定工作物质的热效率，从而评估系统的性能。
3.3 化学反应在化学反应中，热力学第一定律对于研究反应的能量变化和平衡状态具有重要意义。
通过计算反应过程中释放或吸收的热量，可以确定反应的放热性或吸热性，并预测反应的发生与否。
热力学第一定律的内容及公式
热力学第一定律的内容及公式
热力学第一定律是一种物理定律，它探究个体系（物理和化学）之间发生在过程中的热变化。
它提供了一个把能量作为热量和机械能的方式来观察系统的工作原理，其简称为“热力学一定律”。
热力学第一定律的内容在于：热力学系统改变的度量叫做热力学熵，它是关于系统增加了多少能量也就是温度增加了多少，也就把热力学熵标志为S，那么其数学形式就可以表示为：S=Q/T，其中Q是系统获得多少热量，T是系统恒定温度，这是一种相对温度，称为温度。
它还提出了一种熵可以增加、但不能减小，这是一个“熵定律”。
也就是说，在热力学过程中，熵的变化总是增加的，它的变化永远不能是负的，熵的总增加一般只能通过进行反应而引起的热力学过程。
另外，一个微观物理系统在恒定温度和压力条件下，也就是恒定温度和熵时，它的熵是不变的。
热力学第一定律又称为“能量守恒定律”，它的数学表达式是：W＋Q＝0，这表明
全部的工作（W）和得到的热（Q）之和为零，也就是说，实际使用的能量以及产生的热量之间均衡的，即能量的守恒性。
热力学第一定律的内容主要集中在热力学增量熵上面，主要有两个大的内容：1.热力学熵可以增加，但不能减少。
2.恒定温度和压力，熵是不变的。
它由“热力学熵”和“能量守恒定律”组成，“热力学熵”是它的主要内容，通过“能量守恒定律”，它描述了在物理系统中实际使用的能量以及发生的热量之间的均衡关系。
热力学第一定律作为物理系统发生变化时的基本原理，多被应用于工程设计，技术研究及现代工业工厂，我们可以从中获得许多重要信息。
热学三定律
浅析热力学三大定律一、第一定律热力学第一定律也叫能量不灭原理，就是能量守恒定律。
简单的解释如下：ΔU = Q+ W或ΔU=Q-W（目前通用这两种说法，以前一种用的多）定义：能量既不会凭空产生，也不会凭空消灭，它只能从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到另一个物体，在转化或转移的过程中，能量的总量不变。
基本内容：热可以转变为功，功也可以转变为热；消耗一定的功必产生一定的热，一定的热消失时，也必产生一定的功。
普遍的能量转化和守恒定律在一切涉及热现象的宏观过程中的具体表现。
热力学的基本定律之一。
热力学第一定律是对能量守恒和转换定律的一种表述方式。
热力学第一定律指出，热能可以从一个物体传递给另一个物体，也可以与机械能或其他能量相互转换，在传递和转换过程中，能量的总值不变。
表征热力学系统能量的是内能。
通过作功和传热，系统与外界交换能量，使内能有所变化。
根据普遍的能量守恒定律，系统由初态Ⅰ经过任意过程到达终态Ⅱ后，内能的增量ΔU应等于在此过程中外界对系统传递的热量Q 和系统对外界作功A之差，即UⅡ－UⅠ＝ΔU＝Q－W或Q＝ΔU＋W这就是热力学第一定律的表达式。
如果除作功、传热外，还有因物质从外界进入系统而带入的能量Z，则应为ΔU＝Q－W＋Z。
当然，上述ΔU、W、Q、Z均可正可负（使系统能量增加为正、减少为负）。
对于无限小过程，热力学第一定律的微分表达式为δQ＝dU＋δW因U是态函数，dU是全微分[1]；Q、W是过程量，δQ和δW只表示微小量并非全微分，用符号δ以示区别。
又因ΔU或dU只涉及初、终态，只要求系统初、终态是平衡态，与中间状态是否平衡态无关。
热力学第一定律的另一种表述是：第一类永动机是不可能造成的。
这是许多人幻想制造的能不断地作功而无需任何燃料和动力的机器，是能够无中生有、源源不断提供能量的机器。
显然，第一类永动机违背能量守恒定律。
二、第二定律1.定义①热不可能自发地、不付代价地从低温物体传到高温物体(不可能使热量由低温物体传递到高温物体，而不引起其他变化，这是按照热传导的方向来表述的)。
高二物理选修3-3 热力学第一定律
高二物理选修3-3 热力学第一定律【知识要点】1.热力学第一定律（1）.一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的和。
这个关系叫做热力学第一定律。
其数学表达式为：ΔU=W+Q（2）.与热力学第一定律相匹配的符号法则（3）热力学第一定律说明了做功和热传递是系统内能改变的量度，没有做功和热传递就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=W+Q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.能量守恒定律⑴能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中其总量不变。
这就是能量守恒定律。
⑵热力学第一定律、机械能守恒定律都是能量守恒定律的具体体现。
⑶能量守恒定律适用于任何物理现象和物理过程。
3.第一类永动机不可能制成任何机器运动时只能将能量从一种形式转化为另一种形式，而不可能无中生有地创造能量，即第一类永动机是不可能制造出来的。
【典型例题】例1．一定量的气体在某一过程中，外界对气体做了8×104J的功，气体的内能减少了1.2×105J，则下列各式中正确的是（）A.W=8×104J，ΔU =1.2×105J ，Q=4×104JB.W=8×104J，ΔU =－1.2×105J ，Q=－2×105JC.W=－8×104J，ΔU =1.2×105J ，Q=2×104JD.W=－8×104J，ΔU =－1.2×105J ，Q=－4×104J例2．一定质量的理想气体经过一系列过程，如图所示．下列说法中正确的是( )a→过程中，气体体积增大，压强减小，气体吸热A.bb→过程中，气体压强不变，体积增大，气体对外做功B.cC.a c →过程中，气体压强增大，体积变小，气体吸热D.a c →过程中，气体内能增大，体积不变例３．水在1个标准大气压下沸腾时，汽化热为L=2264 J/g ，这时质量m=1g 的水变为水蒸气，其体积由V1=1.043 cm3变为V2=1676 cm3，在该过程中水增加的内能是多少？例4．“和平号”空间站己于2001年3月23日成功地坠落在南太平洋海域，坠落过程可简化从为一个近圆轨道（可近似看作圆轨道）开始．经过与大气摩擦，空间站的大部分经过升温、熔化、最后汽化而销毁，剩下的残片坠入大海．此过程中，空间站原来的机械能中除一部分用于销毁和一部分被残片带走外，还有一部分能量Ｅ’通过其他方式散失（不考虑坠落过程中化学反应的能量）．（1）试导出下列各物理量的符号表示散失能量Ｅ’的公式． （2）算出Ｅ’的数值（结果保留两位有效数字）． 坠落开始时空间站的质量Ｍ＝1. 57×105㎏； 轨道离地面的高度为h =146km ； 地球半径为Ｒ＝6.4×106m ；坠落空间范围内重力加速度可看作g =10m/s 2； 入海残片的质量m =1.2×104㎏； 入海残片的温度升高△Ｔ＝3000K ； 入海残片的入海速度为声速v =340m/s ；空间站材料每1千克升温1k 平均所需能量Ｃ=1.0×103J ； 每销毁1千克材料平均所需能量7100.1⨯=μJ【当堂反馈】１．如题图，某同学将空的薄金属筒开口向下压入水中。
高中物理新教材同步选择性必修第三册 第3章热力学定律 2 热力学第一定律-3 能量守恒定律
2热力学第一定律3能量守恒定律[学习目标] 1.理解热力学第一定律，并会运用于分析和计算.2.理解并会运用能量守恒定律.3.知道什么是第一类永动机及其不可能制成的原因．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．热力学第一定律的应用：(1)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．(均选填“正”或“负”)(2)Q的正负：外界对系统传递的热量Q取正值；系统向外界传递的热量Q取负值．(均选填“正”或“负”)二、能量守恒定律1．探索能量守恒的足迹2．能量守恒定律能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变．3．永动机不可能制成(1)第一类永动机：不需要任何动力或燃料，却能不断地对外做功的机器．(2)第一类永动机由于违背了能量守恒定律，所以不可能制成．1．判断下列说法的正误．(1)外界对系统做功，系统的内能一定增加．(×)(2)系统内能增加，一定是系统从外界吸收了热量．(×)(3)系统内能减少，一定是系统对外界做了功．(×)(4)违背能量守恒定律的过程是不可能发生的．(√)2．一定质量的气体从外界吸收了50 J的热量，同时对外做功100 J，则物体的内能________(填“增加”或“减少”)________ J.答案减少50一、热力学第一定律导学探究如图1所示，快速推动活塞对汽缸内气体做功10 J，气体内能改变了多少？若保持气体体积不变，汽缸向外界传递10 J的热量，气体内能改变了多少？若推动活塞对汽缸内气体做功10 J的同时，汽缸向外界传递10 J的热量，气体的内能改变了多少？图1答案内能增加了10 J减少了10 J没改变．知识深化1．对公式ΔU＝Q＋W符号的规定符号W Q ΔU＋体积减小，外界对热力学系统做功热力学系统吸收热量内能增加－体积增大，热力学系统对外界做功热力学系统放出热量内能减少2.气体状态变化的几种特殊情况(1)绝热过程：Q＝0，则ΔU＝W，系统内能的增加(或减少)量等于外界对系统(或物体对外界)做的功．(2)等容过程：W＝0，则ΔU＝Q，物体内能的增加量(或减少量)等于系统从外界吸收(或系统向外界放出)的热量．(3)等温过程：始末状态一定质量理想气体的内能不变，即ΔU＝0，则W＝－Q(或Q＝－W)，外界对系统做的功等于系统放出的热量(或系统吸收的热量等于系统对外界做的功)．3．判断气体是否做功的方法一般情况下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>0.4．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＝W＋Q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．一定质量的气体在某一过程中，外界对气体做了8×104J的功，气体的内能减少了1.2×105 J，则下列各式正确的是()A．W＝8×104 J，ΔU＝1.2×105 J，Q＝4×104 JB．W＝8×104 J，ΔU＝－1.2×105 J，Q＝－2×105 JC．W＝－8×104 J，ΔU＝1.2×105 J，Q＝2×104 JD．W＝－8×104 J，ΔU＝－1.2×105 J，Q＝－4×104 J答案 B解析因为外界对气体做功，W取正值，即W＝8×104 J；气体内能减少，ΔU取负值，即ΔU ＝－1.2×105 J；根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，可知Q＝ΔU－W＝－1.2×105 J－8×104 J ＝－2×105 J，B选项正确．(2020·济南市期中)如图2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()图2A．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．二、气体实验定律和热力学第一定律的综合应用导学探究如图3所示，一定质量的理想气体由a状态变化到b状态，请在图像基础上思考以下问题：图3(1)在变化过程中是气体对外界做功，还是外界对气体做功？(2)在变化过程中气体吸热，还是向外放热？气体内能如何变化？答案(1)由a状态变化到b状态，气体体积变大，因此气体对外界做功，即W<0.(2)由p－V图像知从a状态变化到b状态，体积变大而压强不变，则温度升高，故ΔU>0.由ΔU＝W＋Q得Q>0，即气体吸热，内能增加．知识深化热力学第一定律与理想气体状态方程结合问题的分析思路：(1)利用体积的变化分析做功情况．气体体积增大，气体对外界做功；气体体积减小，外界对气体做功．(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，内能减小．(3)利用热力学第一定律判断是吸热还是放热．由热力学第一定律ΔU＝W＋Q，则Q＝ΔU－W，若已知气体的做功情况和内能的变化情况，即可判断气体状态变化是吸热过程还是放热过程．(2020·长郡中学高二月考)一定质量的理想气体，状态从A→B→C→D→A的变化过程可用如图4所示的p－V图线描述，其中D→A为等温线，气体在状态A时温度为T A＝300 K，试求：图4(1)气体在状态C时的温度T C；(2)若气体在A→B过程中吸热1 000 J，则在A→B过程中气体内能如何变化？变化了多少？答案 (1)375 K (2)气体内能增加了400 J解析 (1)D →A 为等温线，则T D ＝T A ＝300 K 气体由C 到D 为等压变化，由盖－吕萨克定律得：V C T C ＝V D T D得：T C ＝V C T D V D＝375 K ； (2)气体由A 到B 为等压变化，则W ＝－p ΔV ＝－2×105×3×10－3 J ＝－600 J ，由热力学第一定律得ΔU ＝Q ＋W ＝1 000 J －600 J ＝400 J ，则气体内能增加了400 J.三、能量守恒定律 永动机不可能制成导学探究 (1)在能量发生转化或转移时，能量的总量会减少吗？(2)图5为一种所谓“全自动”的机械手表，既不需要上发条，也不用任何电源，却能不停地走下去．这是不是一种永动机？如果不是，维持表针走动的能量是从哪儿来的？图5答案 (1)能量的总量不会减少．(2)这不是永动机．手表戴在手腕上，通过手臂的运动，机械手表获得能量，供手表指针走动．若将此手表长时间放置不动，它就会停下来．知识深化1．能量的存在形式及相互转化(1)各种运动形式都有对应的能：机械运动有机械能，分子的热运动有内能，还有电磁能、化学能、核能等．(2)各种形式的能，通过某种力做功可以相互转化．例如：利用电炉取暖或烧水，电能转化为内能；煤燃烧，化学能转化为内能；列车刹车后，轮子温度升高，机械能转化为内能．2．能量守恒的两种表达(1)某种形式的能减少，一定有其他形式的能增加，且减少量和增加量一定相等．(2)某个物体的能量减少，一定存在其他物体的能量增加，且减少量和增加量一定相等．3．第一类永动机不可能制成的原因分析如果没有外界供给热量而对外做功，由ΔU ＝W ＋Q 知，系统内能将减小．若想源源不断地做功，在无外界能量供给的情况下是不可能的．(多选)下列对能量守恒定律的认识正确的是( )A ．某种形式的能量减少，一定存在其他形式的能量增加B．某个物体的能量减少，必然有其他物体的能量增加C．不需要任何外界的动力而持续对外做功的机器——第一类永动机是不可能制成的D．石子从空中落下，最后停止在地面上，说明机械能消失了答案ABC解析A选项是指不同形式的能量间的转化，转化过程中能量是守恒的；B选项是指能量在不同的物体间发生转化或转移，转化或转移过程中能量是守恒的，这正好是能量守恒定律的两个方面——转化与转移；第一类永动机是不可能制成的，它违背了能量守恒定律，所以A、B、C正确．D选项中石子的机械能在变化，比如受空气阻力作用，机械能减少，但机械能并没有消失，而是转化成其他形式的能，能量守恒定律表明能量既不能创生，也不能消失，故D错误．1．(热力学第一定律的理解)关于内能的变化，以下说法正确的是()A．物体吸收热量，内能一定增大B．物体对外做功，内能一定减少C．物体吸收热量，同时对外做功，内能可能不变D．物体放出热量，同时对外做功，内能可能不变答案 C解析根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，物体内能的变化与做功及传热两个因素均有关．物体吸收热量，内能不一定增大，因为物体可能同时对外做功，故内能还有可能不变或减少，A错误，C正确；物体对外做功，可能同时吸收热量内能还有可能不变或增大，B错误；物体放出热量，同时对外做功，内能一定减少，D错误．2.(能量守恒定律的应用)如图6所示，上端开口、粗细均匀的U形管的底部中间有一阀门，开始阀门关闭，两管中的水面高度差为h.现将阀门打开，最终两管水面相平，则这一过程中()图6A．大气压做正功，重力做负功，水的内能不变B．大气压不做功，重力做正功，水的内能增大C．大气压不做功，重力做负功，水的内能增大D．大气压做负功，重力做正功，水的内能不变答案 B解析 由于两管粗细相同，作用在液体上的大气压力的合力为零，故大气压力不做功；水流动过程中重心下降，重力做正功，水的重力势能减少，减少的重力势能最终转化为内能，故水的内能增大，选项B 对，A 、C 、D 错．3.(热力学第一定律的应用)(2021·黄梅国际育才高级中学高二期中)如图7所示为某理想气体的p －T 图像，下列说法正确的是( )图7A ．由A 到B 的过程，气体对外做功，内能增加B ．由A 到B 是等容过程，B 到C 是等压过程，气体在C 状态时的体积比在B 状态时的体积大C ．由B 到C 的过程，外界对气体做功，放出热量D ．由B 到C 的过程，气体温度升高，所有气体分子的动能都增大答案 B解析 由A 到B 的过程为等容升温的过程，因体积不变，则W ＝0，而温度升高了，则内能增大，故A 错误；由B 到C 的过程是等压升温的过程，比较B 点、C 点与坐标原点连线的斜率可知，C 点的斜率小，则气体体积大，故B 正确；B 到C 的过程，体积变大，则气体对外做功(W <0)，而温度升高说明内能增大(ΔU >0)，由热力学第一定律ΔU ＝Q ＋W 可得Q >0，即气体要吸热，故C 错误；由B 到C 的过程气体温度升高，反映气体分子的平均动能增大，而气体分子的热运动是统计规律，不能体现所有气体分子的动能都增大，故D 错误．4．(热力学第一定律与气体实验定律的综合应用)如图8所示，竖直放置、上端开口的绝热汽缸底部固定一电热丝(图中未画出)，横截面积为S 的绝热活塞位于汽缸内(质量不计)，下端封闭一定质量的某种理想气体，绝热活塞上放置一质量为M 的重物并保持平衡，此时汽缸内理想气体的温度为T 0，活塞距汽缸底部的高度为h ，现用电热丝缓慢给汽缸内的理想气体加热，活塞上升了h 2，封闭理想气体吸收的热量为Q .已知大气压强为p 0，重力加速度为g .求：图8(1)活塞上升了h 2时，理想气体的温度是多少；(2)理想气体内能的变化量．答案 (1)32T 0 (2)Q －12(p 0S ＋Mg )h 解析 (1)封闭理想气体初状态：V 1＝Sh ，T 1＝T 0末状态：V 2＝S (h ＋12h )＝32Sh ， 用电热丝缓慢给汽缸内的理想气体加热，理想气体发生等压变化，设末状态的温度为T 2，由盖—吕萨克定律得V 1T 1＝V 2T 2，可得T 2＝32T 0. (2)设封闭理想气体压强为p 1，理想气体发生等压变化，对活塞，根据受力平衡可得p 1S ＝p 0S ＋Mg ，理想气体对外做功为W ＝p 1S ·12h ， 由热力学第一定律可知ΔU ＝Q －W ，联立解得ΔU ＝Q －12(p 0S ＋Mg )h .考点一 热力学第一定律1．(多选)下列过程可能发生的是( )A ．物体吸收热量，对外做功，同时内能增加B ．物体吸收热量，对外做功，同时内能减少C ．外界对物体做功，同时物体吸热，内能减少D ．外界对物体做功，同时物体放热，内能增加答案 ABD解析 当物体吸收的热量多于物体对外做的功时，物体的内能就增加，A 正确；当物体吸收的热量少于物体对外做的功时，物体的内能就减少，B 正确；外界对物体做功，同时物体吸热，则物体的内能一定增加，C 错误；当物体放出的热量少于外界对物体做的功时，物体的内能增加，D 正确．2.如图1所示是密闭的汽缸，外力推动活塞P 压缩一定质量的理想气体，对缸内气体做功 800 J ，同时气体向外界放热200 J ，缸内气体的( )图1A．温度升高，内能增加600 JB．温度升高，内能减少200 JC．温度降低，内能增加600 JD．温度降低，内能减少200 J答案 A解析对一定质量的理想气体，由热力学第一定律ΔU＝W＋Q可知，ΔU＝800 J＋(－200 J)＝600 J，ΔU为正表示内能增加了600 J，内能增加，气体分子的平均动能增加，温度升高，选项A正确．3．(多选)二氧化碳是导致“温室效应”的主要原因之一，目前专家们正在研究二氧化碳的深海处理技术．在某次实验中，将一定质量的二氧化碳气体封闭在一个可自由压缩的导热容器中，将容器缓慢移到海水某深处，气体体积减为原来的一半，不计温度的变化，二氧化碳可视为理想气体，则此过程中()A．封闭气体对外界做正功B．封闭气体向外界传递热量C．封闭气体分子的平均动能不变D．封闭气体从外界吸收热量答案BC解析因为不计气体的温度变化，气体分子的平均动能不变，即ΔU＝0，选项C正确；因为气体体积减半，故外界对气体做功，即W>0，选项A错误；根据热力学第一定律：ΔU＝W ＋Q，可知Q<0，即气体向外界传递热量，选项B正确，D错误．4.(2020·济南市期末)一定质量的理想气体，从状态a开始，经历ab、bc、ca三个过程回到原状态，其V－T图像如图2所示，其中图线ab的反向延长线过坐标原点O，图线bc平行于T 轴，图线ca平行于V轴，则()图2A．ab过程中气体压强不变，气体从外界吸热B．bc过程中气体体积不变，气体不吸热也不放热C．ca过程中气体温度不变，气体从外界吸热D．整个变化过程中气体的内能先减少后增加答案 A解析由题图中图线ab的反向延长线过坐标原点O，可知a到b过程中，气体压强不变，体积变大，气体对外做功；温度升高，内能增加，根据热力学第一定律可知，气体从外界吸热，故A正确．b到c过程中气体体积不变，气体不对外界做功，外界也不对气体做功，温度降低，内能减小，根据热力学第一定律可知，气体放热，故B错误．c到a过程中气体温度不变，内能不变，体积变小，外界对气体做功，根据热力学第一定律可知，气体放热，故C错误．整个变化过程温度先升高，后降低，最后不变，所以气体的内能先增加，后减小，最后不变，故D错误．考点二能量守恒定律永动机不可能制成5．“第一类永动机”是不可能制成的，这是因为()A．它不符合机械能守恒定律B．它违背了能量守恒定律C．没有合理的设计方案D．找不到合适的材料答案 B解析第一类永动机不可能制成的原因是违背了能量守恒定律，故B正确．6.(多选)细绳一端固定在天花板上，另一端拴一质量为m的小球，如图3所示．使小球在竖直平面内摆动，经过一段时间后，小球停止摆动．下列说法正确的是()图3A．小球机械能不守恒B．小球能量正在消失C．小球摆动过程中，只有动能和重力势能在相互转化D．总能量守恒，但小球的机械能减少答案AD解析小球在竖直平面内摆动，经过一段时间后，小球停止摆动，说明机械能通过克服阻力做功不断地转化为内能，即机械能不守恒，故A正确；小球的机械能转化为内能，能量的种类变了，但能量不会消失，故B错误；小球长时间摆动过程中，重力势能和动能相互转化的同时，机械能不断地转化为内能，故摆动的幅度越来越小，但总能量守恒，故C错误，D正确．考点三气体实验定律与热力学第一定律的综合应用7.(多选)用密封性好、充满气体的塑料袋包裹易碎品，如图4所示，充气袋四周被挤压时，假设袋内气体与外界无热交换，则袋内气体()图4A ．体积减小，内能增大B ．体积减小，压强减小C ．对外界做负功，内能增大D ．对外界做正功，压强减小答案 AC解析 实际气体在温度不太低、压强不太大时可看作理想气体．充气袋被挤压，气体体积减小，外界对气体做正功，则W >0，即气体对外界做负功，由于袋内气体与外界无热交换，即Q ＝0，根据热力学第一定律ΔU ＝W ＋Q 知，内能增大，选项A 、C 正确；根据理想气体状态方程pV T＝C 可判断压强一定增大，选项B 、D 错误． 8.(2020·天津市期中)如图5所示，一定质量的理想气体，由状态a 等压变化到状态b ，再从b 等容变化到状态c ，a 、c 两状态温度相等．下列说法正确的是( )图5A ．从状态b 到状态c 的过程中气体吸热B ．气体在状态a 的内能大于在状态c 的内能C ．气体在状态b 的温度小于在状态a 的温度D ．从状态a 到状态b 的过程中气体对外做正功答案 D解析 从状态b 等容变化到状态c ，根据p b T b ＝p c T c，可知T c <T b .根据热力学第一定律，气体没有对外做功，而温度降低，则内能减小，因此一定放出热量，A 错误；理想气体的内能是由温度决定的，a 、c 两状态温度相等，因此内能相等，而c 的温度小于b 的温度，因此a 的温度小于b 的温度，B 、C 错误；从状态a 到状态b 的过程中，气体体积膨胀，对外做功，D 正确．9．(多选)一定质量的理想气体在某一过程中，从外界吸收热量2.5×104 J ，气体对外界做功1.0×104 J ，则下列关于理想气体的说法正确的是( )A ．气体温度一定升高B ．气体的内能一定减少C ．气体的压强一定不变D ．分子间平均距离一定增大答案 AD解析 气体从外界吸收热量2.5×104 J ，气体对外界做功1.0×104 J ，则气体内能增加1.5× 104 J ；气体的内能增加，则温度一定升高，A 正确，B 错误．气体对外界做功，体积变大，则分子间平均距离一定变大，温度升高，由pV T＝C 可知，压强可能变化，C 错误，D 正确．10．(2021·黄梅国际育才高级中学高二期中)气闸舱是载人航天器中供航天员进入太空或由太空返回用的气密性装置．如图6所示，座舱A 与气闸舱B 之间装有阀门K ，座舱A 中充满一定质量的空气(可视为理想气体)，气闸舱B 内为真空．航天员从太空返回气闸舱时，打开阀门K ，A 中的气体进入B 中，最终达到平衡．假设此过程中系统与外界没有热交换．下列说法正确的是( )图6A ．在完全失重的情况下，座舱A 内的空气对器壁的顶部没有作用力B ．气体对外做功，平衡后气体内能减小C ．气体对外不做功，平衡后气体温度不变D ．气体体积变小，平衡后压强增大答案 C解析 气体压强是大量分子对容器壁的碰撞造成的，与是否失重无关，故A 错误；该过程中气体自由扩散，没有对外做功，又因为整个系统与外界没有热交换，根据ΔU ＝W ＋Q ，可知内能不变；理想气体的内能只与温度有关，气体的内能不变，则温度不变，故C 正确，B 错误；由于气体体积变大，根据pV T＝C 知压强减小，故D 错误． 11.(多选)(2020·南和县第一中学高二期中)一定质量的理想气体，经历如图7所示的循环，该过程每个状态视为平衡态，各状态参数如图所示，已知a 状态的体积为2.0×10－3 m 3，则下列说法正确的是( )图7A ．各状态气体体积V a ＝V b ＞V c ＝V dB ．b →c 过程中，气体吸热C ．c →d 过程中，气体内能增加D ．d →a 过程中，外界对气体做功200 J答案 BD解析 根据pV T＝C 可知过原点的直线为等容线，且斜率越大的等容线对应的气体的体积越小，由题图可知V a ＝V b ＜V c ＝V d ，选项A 错误；b →c 过程中，气体的体积变大，对外做功，温度升高，内能增加，根据热力学第一定律可知气体吸热，选项B 正确；c →d 过程中，气体温度降低，则气体内能减小，选项C 错误；d →a 过程中，气体体积减小，又因为V d ＝V c ，根据理想气体状态方程可知p c V c T c ＝p a V a T a代入数据解得V c ＝V d ＝4.0×10－3 m 3，外界对气体做功W ＝p ΔV ＝1.0×105×(4.0×10－3－2.0×10－3) J ＝200 J ，选项D 正确．12.(2020·安徽省二模)一定质量的理想气体从状态A 变化到状态B ，再变化到状态C ，其状态变化过程的p －V 图像如图8所示．已知该气体在状态A 时的温度为27 ˚C ，气体由状态B 到C 过程从外界吸收热量Q ＝300 J ，求：图8(1)该气体在状态C 时的温度；(2)该气体从状态B 到状态C 的过程中内能变化量．答案 (1)300 K (2)100 J解析 (1)分析A →C 过程，由气体状态方程得p A V A T A ＝p C V C T C其中T A ＝(273＋27) K ＝300 K解得T C ＝300 K(2)分析B →C 过程，因为体积膨胀，故气体对外界做功W ＝－p B (V C －V B )代入数据解得W ＝－200 J由热力学第一定律ΔU ＝W ＋Q得ΔU ＝100 J13．(2021·山东滨州市高二期中)如图9所示，一定质量的理想气体被活塞封闭在可导热的汽缸内，活塞可沿汽缸无摩擦地滑动．活塞横截面积S ＝1.0×10－3 m 2，质量m ＝2 kg ，汽缸竖直放置时，活塞相对于底部的高度为h ＝1.2 m ，室温等于27 ℃；现将汽缸置于77 ℃的热水中，已知大气压强p 0＝1.0×105 Pa ，取g ＝10 m/s 2，求：图9(1)平衡时活塞离汽缸底部的距离；(2)此过程中内部气体吸收热量28.8 J ，气体内能的变化量．答案 (1)1.4 m (2)增加4.8 J解析 (1)设活塞距汽缸底部的距离为h 2，取封闭气体为研究对象，气体发生等压变化，由盖－吕萨克定律得hS T 1＝h 2S T 2解得h 2＝1.4 m(2)在此过程中气体对外做功W ＝p 0S (h 2－h 1)＋mg (h 2－h 1)由热力学第一定律得ΔU ＝Q －W解得ΔU ＝4.8 J气体内能增加4.8 J.。
3热力学第一定律
n 等温过程： 1
n 等压过程： 0 绝热过程：n
2、能量关系 n V2 V2 V1 外界做功 A pdV p1 dV
V1
V1
V p1V1 1 n V 1 p2V2 p1V1 n1
n
1 n V2
V p1V1n V21 n p1V1 n1
dQ dE pdV CV ,mdT RdT (CV ,m R)dT
1 dQ CV ,m R ——迈耶公式 dT p
C p ,m
C p ,m CV ,m R
C p ,m CV ,m
比热容比：
C p ,m CV ,m C p CV c p cV 1
当V2<V1：Q=A<0
四、绝热过程（Adiabatic Process) 1、过程分析
dQ 0 （或Q=0） 由热力学第一定律： dA dE V增大，故dA 0 以绝热膨胀为例分析 T降低 则dE dA 0
又由理想气体状态方程知： 压强p也将减小 从微观角度理解： 2、过程方程
若能均分定理成立：
i E RT 2
故： C p ,m
应有： CV ,m
i2 比热容比： i
i R 2
i i2 R R R 2 2
用上面的γ或Cp,m值与实验比较：常温下，对单原子和双原 子分子的气体符合得较好，但对多原子分子气体则较差。
氢气的实验结果： 低温时，只有平动，i=3 常温时，转动被激发， i =3+2=5 高温时，振动也被激发， i=5+1×2=7
第3章 热力学第一定律
本章内容：
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第3节热力学第一定律目标导航1•知道热力学第一定律的内容及其表达式2•理解能量守恒定律的内容3•了解第一类永动机不可能制成的原因诱思导学1.热力学第一定律(1).一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的和。
这个关系叫做热力学第一定律。
其数学表达式为：A U=W+Q(2).与热力学第一定律相匹配的符号法则(3)热力学第一定律说明了做功和热传递是系统内能改变的量度，没有做功和热传递就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、A U)的正、负；②根据方程A U=W+Q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.能量守恒定律⑴自然界存在着多种不同形式的运动，每种运动对应着一种形式的能量。
如机械运动对应机械能 ;分子热运动对应内能；电磁运动对应电磁能。
⑵.不同形式的能量之间可以相互转化。
摩擦可以将机械能转化为内能；炽热电灯发光可以将电能转化为光能。
⑶.能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中其总量不变。
这就是能量守恒定律。
(4).热力学第一定律、机械能守恒定律都是能量守恒定律的具体体现。
(5).能量守恒定律适用于任何物理现象和物理过程。
(6).能量守恒定律的重要意义第一，能量守恒定律是支配整个自然界运动、发展、变化的普遍规律，学习这个定律，不能满足一般理解其内容，更重要的是，从能量形式的多样化及其相互联系，互相转化的事实岀发去认识物质世界的多样性及其普遍联系，并切实树立能量既不会凭空产生，也不会凭空消失的观点，作为以后学习和生产实践中处理一切实际问题的基本指导思想之一。
第二，宣告了第一类永动机的失败。
3.第一类永动机不可能制成任何机器运动时只能将能量从一种形式转化为另一种形式，而不可能无中生有地创造能量，即第一类永动机是不可能制造出来的。
典例探究例1一定量的气体在某一过程中，外界对气体做了8X104尚功，气体的内能减少了1.2杓勺，则下列各式中正确的是 ( )4 5 4A.W=8X 104J, A U =1.2 1OJ , Q=4X104J4 5 5B.W=8X104J, A U =— 1.2 105J , Q=—2X105J4 5 4C.W= —8X104J, A U =1.2 105J , Q=2X104J4 5 4D.W= —8X104J, A U =— 1.2 X05J , Q=—4X104J解析：本题主要考查热力学第一定律的应用。
因为外界对气体做功，W取正值，即W=8< 104J；内能减少，A J取负值，即A J= —1.2 R0J；根据A U=W+Q，可知Q= A U —W= —1.2 为05—8X104=_ 2X105J, 即B选项正确。
答案：B友情提示：注意热力学第一定律关系式中各物理量的符号法则。
例2 一定质量的气体，在压缩过程中外界对气体做功300J，但这一过程中气体的内能减少了300J,问气体在此过程中是吸热还是放热？吸收(或放出)多少热量？解析：由题意可知，W=300J, A U= —300J，根据热力学第一定律可得Q= A U—W= —300J—300J=—600JQ为负值表示气体放热，因此气体放出600J的热量。
友情提示：注意热力学第一定律关系式中各物理量的符号法则及其物理意义。
例3. 一定质量的气体从外界吸收了4.2为05J的热量，同时气体对外做了6X105J的功，问：(1)物体的内能是增加还是减少？变化量是多少？(2)分子势能是增加还是减少？(3)分子的平均动能是增加还是减少？解析：(1)气体从外界吸热为：Q=4.2X105J气体对外做功：W= — 6X105J由热力学第一定律：AJ=W+Q= (—6X105) + (4.2 >105J) =—1.8 105JA U为负，说明气体的内能减少了。
所以，气体内能减少了 1.8 >105Jo( 2)因为气体对外做功，所以气体的体积膨胀，分子间的距离增大了，分子力做负功，气体分子势能增加了。
(3)因为气体内能减少，同时气体分子势能增加，说明气体分子的平均动能一定减少了。
友情提示：本题以热力学第一定律关系式为起点，结合分子动理论中内能的定义，分析得出：①气体对外做功，体积膨胀，分子间的距离增大了，分子力做负功，气体分子势能增加了②气体内能减少，同时气体分子势能增加，说明气体分子的平均动能一定减少了。
课后问题与练习点击1.解析：由热力学第一定律A U=W+Q有A U=900J-210J=690J2.解析：(1)一定质量的封闭气体可以看作是理想气体，由理想气体的状态方程和热力学第一定律可知：两种情况下内能的变化A U是相同的，即A U=Q,但A U=QW,所以Q>Q。
(2)比热容是指单位质量的某种物质温度每升高1摄氏度所吸收的热量。
由于等容过程中，温度升高，系统所吸收的热全部用来增加内能，而等压过程中，所吸收的热除增加内能外，还要多吸收一点热用来对外膨胀做功，所以气体等压下的比热容恒大于等容下的比热容。
3.解：设在阳光直射时地面上每平方米每分钟接受的太阳能量为Qcm^t则Q=-St代入数值得：Q=4.2 X 104J 4•解：由能量守恒定律得： mgh=cm &gh2 3 △t= 代入 g=10m/s ,h=3 X 0m=60m,c= 4.2 X 0 J/kg Gc△t=0.14 G5•解：要使奶牛的内能不变，1h 提供的热量 E= cm △= 4.2 X 3X 400X 3.5J=5.88 1X 6J故每天提供的热量E'=24E=1.4 X108J6.解：物体吸收的能量一部分转化为物体的内能，使物体的内能增加，同时另一部分因物体膨胀要对 外界做功。
基础训练1 •关于物体内能的变化，以下说法正确的是（） A. 物体吸热，内能一定增大B. 物体对外做功，内能可能增大C. 物体吸收热量，同时对外做功，内能可能不变D. 物体放出热量，同时对外做功，内能可能不变2•自由摆动的秋千摆动幅度越来越小，下列说法正确的是（） A.秋千的机械能守恒 B.秋千的能量正在消失 C.只有动能和重力势能的相互转化 D.减少的机械能转化为内能，但总能量守恒3.下列各物体在所经历的过程中，内能增加的有 （）A. 在光滑斜面上由静止释放而下滑的物体B. 水平飞行并射穿木块的子弹C. 在绝热的条件下被压缩的气体D.在光滑水平面上运动的两个小球，碰撞后以共同的速度运动 5.对于在一个大气压下100G 的水变成100G 的水蒸气的过程中，下列说法正确的是A. 水的内能增加，对外界做功，一定是吸热B. 水的内能不变，对外界做功，从外界吸热C. 水的内能减少，对外界不做功，向外界放热4 •在热力学第一定律的表达式 的是 （） △U=W+Q 中关于 A U 、W 、 Q 各个物理量的正、负，下列说法中正确A.外界对物体做功时W 为正, 吸热时 Q 为负, 内能增加时 △U 为正 B.物体对外界做功时C.物体对外界做功时D.外界对物体做功时 W 为负， W 为负， W 为负， 吸热时 吸热时 吸热时 Q 为正, Q 为正, Q 为负, 内能增加时 内能增加时 内能增加时 △U 为负 △U 为正 △U 为负D.水的内能增加，对外界做功，向外界放热6•为使一个与外界保持良好热交换状态的物体的内能能够明显变化，以下方法可行的是(7•图10.3-1所示是一定质量的理想气体从状态A 经B 至C 的P —- A. 气体的内能改变B. 气体的体积增大C. 气体向外界放热D. 气体对外界做功8从10m 高空由静止开始下落的水滴，在下落的过程中,1水滴重力势能的40%转化为水的内能使 水的温度升高，则水滴落下后温度升高多少？ [水的比热容c=4.2 X103J / (kg -C)]9.一个透热良好的气缸，缸壁浸在盛水的容器中，迅速下压活塞，压缩中对气体做了 2000J 的功,稳定后使容器中2千克的水温度升高了 02C ，假设盛水容器绝热。
问：压缩前后缸内气体的内能变化了 多少？多维链接1 •有一种所谓 全自动”机械手表，既不需要上发条，也不用任何电源，却能不停地走下去。
这是 不是一种永动机？如果不是，你知道维持表针走动的能量是哪儿来的吗？提示：不是永动机。
能量是通过摆动手臂对表内的转轮做功而储存的。
2•在一间隔热很好的密闭房间里放一台电冰箱，如果把冰箱门打开，开动一段时间后，房内温度 是降低还是升高？ 提示：升高了。
因为电冰箱消耗电能，产生电热，使密闭房间内的空气内能增加，房内温度升高。
3.能的转化和守恒定律的建立能的转化和守恒定律的建立，揭示了机械热、电、化学等各种运动形式之间相互联系并相互转化的统一 性，是物理学发展史上继牛顿学将天体运动与地面物体运动的大综合之后的第二次大综合，恩格斯将这 一伟大的运动基本定律称为19世纪自然科学的三大发现之一，它不仅是自然科学的基础，而且也给哲学 上的不灭运动原理和自然界运动形式的统一性提供了可靠的科学论据。
4．关于太阳能的转化 太阳能辐射到地球表面，产生热量和化学能，能量给地球以温暖，推动地表水的循环和空气的流动A.以较大的功率对物体做功C.该物体以较大的功率对外做功B. .以较小的功率对物体做功 D. 该物体以较小的功率对外做功图线，则在此过程中(。
化学能被植物经过化学作用所利用，产生糖类及其其它有机物，成为生命活动的能源，一个活的生命体可以看作是一个利用太阳能以维持自身生命，并延续下一代的化学系统。
太阳能有广泛的应用，其辐射的直接利用基本上有以下四种方式：(1).太阳能——内能转换这是目前技术最为成熟，成本最为低廉，因而应用最为广泛的形式，其基本原理是将太阳辐射能收集起来，利用温室效应来加热物体而获得内能，如地膜、大棚、温室等，目前使用较多的太阳能收集装置有两种，一种是平板式集热器，如太阳能热水器等，另一种是聚集型集热器，如反射式太阳灶、高温太阳炉等。
(2).太阳能——电能转换太阳能与电能转换有两种方式，一种是利用太阳辐射能发电，一般是由太阳能集热器将吸收的太阳能转换成蒸汽，再驱动汽轮机发电，但这一过程效率较低并且成本高，没有实用价值；另一种是太阳能与电能的转换，是利用光电效应，将太阳辐射能直接转化成电能。
(3).太阳能——化学能转换利用太阳辐射能可以转化为化学键中的化学能，进而生成新物质，或利用其分解化学物质生成新物质。
例如直接分解水制氢，是一种很有前途的光能与化学能的转化方式。
(4).太阳能——生物质能的转换主要是通过地球上众多的植物的光合作用，将太阳辐射能转化为生物质能。