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2. 热力学第一定律
人教版（2019）物理（选择性必修第三册）
第三章 热力学定律
目录
素养目标
01
课程导入
02
新课讲解
03
总结归纳
04
课堂练习
05
正确教育
素养目标
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一定律
2.能运用热力学第一定律解释和计算能量的转换、转移问题
汽缸内有一定质量的气体，压缩气体的同时给汽缸加热。那么，气体内能的变化会比单一方式（做功或传热）更明显。这是为什么呢
压缩气体，内能增大，给气体加热内能也是增大。两者叠加所以就更明显。
改变系统内能的两种方式
做功
热传递
对内
对外
吸热
放热
内能增加
内能增加
内能减少
内能减少
外界对系统
做功
系统对外界做功
系统从外界吸热
系统对外界放热
知识回顾
正确教育
热力学第一定律
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，这个关系叫作热力学第一定律
ΔU = Q +W
表达式
ΔU 表示系统内能的改变量，W 表示外界对系统所做的功，Q 表示系统从外界吸收的热量
热力学第一定律的意义
①热力学第一定律不仅反映了做功和传热这两种改变内能的方法是等价的，而且给出了内能的变化量与做功和传热之间的定量关系。
②热力学第一定律将单纯的做功过程和单纯的传热过程中内能改变的定量表达式推广到一般情况，既有做功又有传热的过程，其中ΔU表示内能改变的数量，W表示外界对系统所做的功，Q表示外界向系统传递的热量。
传递的热量 Q
Q>0:
系统吸热
Q<0:
系统放热
Q=0:
绝热状态
微波炉
锡纸
火炉
外界对系统所做的功W
W>0：
外界对系统做功
W<0：
系统对外界做功
F
h
F
h
W>0
V↓
W<0
V↑
做功>>放热
热力学第一定律中各物理量的正、负号及含义
ΔU = Q +W
物理量前的符号
功W
热量Q
内能的改变量ΔU
+
-
外界对系统做功
系统吸热
内能增加
系统对外界做功
系统放热
内能减少
思考讨论：
一定质量的气体，膨胀过程中是外界对气体做功还是气体对外界做功？
如果膨胀时气体对外做功是135J，同时向外放热85J，气体内能的变化量是多少？内能是增加了还是减少了？请你通过这个例子总结功和热量取正、负值的物理意义。
对外界做功
减少了220J
热力学第一定律
ΔU = Q +W
判断是否做功的方法
一般情况下外界对物体做功与否，需看物体的体积是否变化。
①若物体体积增大，表明物体对外界做功，W＜0。
②若物体体积减小，表明外界对物体做功，W＞0。
三种特殊情况
(1)若过程是绝热的，即Q＝0，则ΔU＝W，物体内能的增加量等于外界对物体做的功。
(2)若过程中不做功，即W＝0，则ΔU＝Q，物体内能的增加量等于物体从外界吸收的热量。
(3)若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放出的热量(或物体吸收的热量等于物体对外界做的功)。
从热机的角度理解热力学第一定律的意义
如果用Q表示物体吸收的热量，用W表示物体对外界所做的功，ΔU表示物体内能的增量，那么热力学第一定律可以表达为Q = ΔU + W ，其含义是系统从外界吸收的热量等于系统对外界做的功与系统内能增量之和。即外界传递给系统的热量，一部分用来增加系统的内能，另一部分用来对外界做功
1.一定量的气体在某一过程中，外界对气体做了8×104 J的功，气体的内能减少了1.2×105 J，则下列各式中正确的是(　　)
A.W＝8×104 J，ΔU＝1.2×105 J，Q＝4×104 J
B.W＝8×104 J，ΔU＝－1.2×105 J，Q＝－2×105 J
C.W＝－8×104 J，ΔU＝1.2×105 J，Q＝2×104 J
D.W＝－8×104 J，ΔU＝－1.2×105 J，Q＝－4×104 J
经典例题
B
答案：B
解析：因为外界对气体做功，W取正值，即W＝8×104 J；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.
正确教育
热力学第一定律的应用
应用热力学第一定律解题的方法
②分别列出物体(或系统)吸收或放出的热量，外界对物体(或系统)所做的功或物体(或系统)对外界所做的功；
③根据热力学第一定律ΔU = Q+W列出方程进行求解；
①首先应明确研究对象是哪个物体或者是哪个热力学系统；
④特别注意的就是物理量的正负号及其物理意义。
如图3.2-1，一台四冲程内燃机，活塞在压缩冲程某段时间内移动的距离为0.1 m，这段过程活塞对气体的压力逐渐增大，其做的功相当于2×10 3 N的恒力使活塞移动相同距离所做的功（图3.2-2甲）。内燃机工作时汽缸温度高于环境温度，该过程中压缩气体传递给汽缸的热量为25 J。
（1）求上述压缩过程中气体内能的变化量。
解：（1）压缩过程活塞对气体做的功
W 1 ＝ F1l 1 ＝ 2×10 3 ×0.1 J ＝ 200 J
气体内能的变化量
ΔU 1 ＝ W 1 ＋ Q 1 ＝ 200 J － 25 J ＝ 175 J
分析： 根据热力学第一定律，在第（1）问中，活塞压缩气体的过程是外界对系统做功，活塞对气体所做的功W1 为正值。
（2）燃烧后的高压气体对活塞做功，气体推动活塞移动 0.1 m，其做的功相当于9×10 3 N 的恒力使活塞移动相同距离所做的功（图 3.2-2 乙），该做功过程气体传递给汽缸的热量为 30 J，求此做功过程气体内能的变化量。
分析： 在第（2）问中，气体膨胀推动活塞的过程是系统对外界做功，气体对外界所做的功W2 为负值。在两种情况下，气体都把热量传递给了汽缸，都属于放热，因此Q1、Q2 均为负值。
解：（2）气体膨胀过程中气体对外界所做的功
W2 ＝ F2l2 ＝-9×10 3 ×0.1 J ＝- 900 J
气体内能的变化量
ΔU2 ＝ W2 ＋ Q2 ＝ - 900 J - 30 J ＝- 930 J
汽缸内气体在压缩过程中内能增加了 175 J，在膨胀做功过程中气体内能减少了930 J。
2.如图所示，倒悬的导热汽缸中封闭着一定质
量的理想气体，轻质活塞可无摩擦地上下移动，活
塞的横截面积为S，活塞的下面吊着一个重为G的物
体，大气压强恒为p0，起初环境的热力学温度为T0
时，活塞到汽缸底面的距离为L.当环境温度逐渐升高，导致活塞缓慢下降，该过程中活塞下降了0.1L，汽缸中的气体吸收的热量为Q.求：
(1)汽缸内部气体内能的增量ΔU；
经典例题
Q－0.1p0SL＋0.1LG
答案：Q－0.1p0SL＋0.1LG
密封气体对外做功W＝pS×0.1L
由热力学第一定律ΔU＝Q－W
得ΔU＝Q－0.1p0SL＋0.1LG
2.如图所示，倒悬的导热汽缸中封闭着一定质
量的理想气体，轻质活塞可无摩擦地上下移动，活
塞的横截面积为S，活塞的下面吊着一个重为G的物
体，大气压强恒为p0，起初环境的热力学温度为T0
时，活塞到汽缸底面的距离为L.当环境温度逐渐升高，导致活塞缓慢下降，该过程中活塞下降了0.1L，汽缸中的气体吸收的热量为Q.求：
(2)最终的环境温度T.
解析　该过程是等压变化，由盖—吕萨克定律有
解得T＝1.1T0
热力学第一定律
热力学第一定律
表述：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
数学表达式：ΔU= Q +W
定律中各量的正、负号及含义
热力学第一定律的应用
ΔU =0，则 W = - Q
W = 0，则ΔU = Q
Q =0，则ΔU = W
应用热力学第一定律解题的方法
如图所示，柴油机气缸内的空气受到活塞的压缩，在这过程中，气缸中的气体（　　）
A．内能增大
B．内能不变
C．内能减小
D．温度不变
A
答案：A
解析：柴油机气缸内的空气在压缩冲程中，机械能转化为内能，使得气缸内的气体内能增加，温度升高，故A正确，BCD错误。
故选：A。
关于热现象，下列说法正确的是（ ）
A．布朗运动就是分子的热运动
B．物体吸收热量，内能一定增大
C．温度升高，物体内分子的平均动能一定增加
D．气体能够充满容器的整个空间,是由于气体分子间呈现出斥力的作用
C
答案：C
解析：A．布朗运动是悬浮在液体中的固体小颗粒的运动，故A错误；
B．根据热力学第一定律公式△U=Q+W，物体吸收热量，可能对外做功，内能不一定增加，故B错误；
C．温度是分子热运动平均动能的标志，故温度升高，物体内分子的平均动能一定增加，故C正确；
D．除了在相互碰撞时，气体分子间作用力是很微弱的，甚至是可以忽略的，故D错误。
故选C。
夏天，从湖底形成的气泡在缓慢上升到湖面的过程中没有破裂，如图所示.若越接近水面，湖内水的温度越高，大气压强没有变化，将气泡内气体看作理想气体.则气泡上升过程中，下列说法正确的是( )
A.气泡内气体不对外界做功
B.气泡内每个气体分子的动能都变大
C.气泡内气体从外界吸收热量
D.气泡内气体的压强可能不变
C
答案：C
解析：气泡内气体的压强 ，气泡上升过程中，其压强减小，越接近水面，湖内水的温度越高，气体的温度升高，根据理想气体状态方程 可知，体积一定增大，故气泡内气体对外界做正功，故A、D错误；温度是分子平均动能的标志，温度升高，气泡内气体分子平均动能增大，但不是每个气体分子的动能都变大，故B错误；越接近水面，湖内水的温度越高，说明气泡内气体的温度升高，气泡内气体内能增大，即 ，体积增大，即 ，则 ，故气泡内气体从外界吸收热量，故C正确
如图所示，内壁光滑的绝热汽缸竖直固定在水平面上，用质量为m的绝热活塞把缸内空间分成两部分.两部分中封闭有相同质量和温度的同种理想气体，活塞用销钉K固定，已知P部分的气体体积小于Q部分的气体体积，活塞能上、下自由移动.现拔掉销钉，活塞移动一小段距离后再将其固定.下列说法正确的是( )
A.两部分气体内能之和增大
B.两部分气体内能之和不变
C.两部分气体温度都升高
D.两部分气体温度都降低
A
答案：A
解析：由题意，两部分理想气体的质量和温度相同，根据理想气体状态方程 ，结合P部分的体积小于Q部分的体积可知，P部分的气体压强大于Q部分的气体压强，又因为活塞受到竖直向下的重力，则拔掉销钉，活塞向下移动，其重力势能减小，由能量守恒定律可知，两部分气体内能之和增大，A正确，B错误；同理，活塞下移，外界对P部分气体做负功，同时外界对Q部分气体做正功，又汽缸绝热，Q =0，根据热力学第一定律 ，可知P部分的气体内能减小，温度降低，Q部分的气体内能增加，温度升高，C、D错误
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