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3.1热力学第一定律 学案
学习目标：
1．知道功与内能改变及热与内能改变的数量关系，理解功、热和内能改变的关系，
2.理解热力学第一定律．会用ΔU＝W＋Q解决相关问题．　
3.知道第一类永动机不可能制成．
基础知识：
一、功、热量与内能
1．改变物体内能的两种方式
做功和热传递．
热传递的实质
热传递实质上传递的是能量，结果是改变了系统的内能。传递能量的多少用热量来量度。
2．物体内能的改变
(1)如果物体与外界无热传递，若外界对物体做功，则物体的内能增加；若物体对外做功，物体的内能减少．
(2)如果物体既不对外做功，外界也不对物体做功，则物体吸收热量时，它的内能增加；物体放出热量时，它的内能减少．
3．热力学第一定律
(1)内容：物体内能的增加量ΔU等于外界对物体所做的功W与物体从外界吸收的热量Q之和．
(2)表达式：ΔU＝W＋Q．
4．热力学第一定律的意义
(1)内能的变化必然伴随有做功或热传递．
(2)一切涉及热现象的宏观过程中，能量可以发生转移或转化，此过程中总能量守恒．
二、第一类永动机
(1)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)永动机不可能制成的原因：违背了能量守恒定律。
(3)意义：正是历史上设计永动机的失败，才使后人的思考走上了正确的道路。
重难点理解：
一、功、热传递、内能之间的变化关系
1．内能：物体的内能是指物体内所有分子的平均动能和势能的总和。
(1)在微观上由分子数、分子热运动的剧烈程度和相互作用力决定，宏观上体现为物体的温度和体积，因此物体的内能是一个状态量。
(2)在系统不吸热也不放热的绝热过程中，状态发生的变化是由做功引起的，伴随的能量转化是外界的能量与系统自身的能量发生了转化，系统自身的能量称为内能。
(3)造成系统内能变化的量与做功方式无关，与做功的数量有关。
(4)内能是状态量，由它的状态、温度、体积、质量决定。
2．(1)做功与内能变化的关系：当系统从某一状态经过绝热过程达到另一状态时，内能的变化量ΔU就等于外界对系统所做的功W，表达式为：ΔU＝U2－U1＝W。
(2)系统内能的变化量ΔU只与初、末状态的内能U1和U2有关，与做功的过程、方式无关。
(3)功和内能的区别
①功是过程量，内能是状态量。
②在绝热过程中，做功一定能引起内能的变化。
③物体的内能大，并不意味着做功多，在绝热过程中，只有变化较大时，对应着做功较多。
3．传递的热量与内能改变的关系
(1)在单纯热传递中，系统从外界吸收多少热量，系统的内能就增加多少。即Q吸＝ΔU。
(2)在单纯热传递中，系统向外界放出多少热量，系统的内能就减少多少。即Q放＝－ΔU。
4．热传递具有方向性
热量从高温物体传递到低温物体，或从物体的高温部分传递到低温部分，不会自发地从低温物体传递到高温物体或从物体的低温部分传递到高温部分。
5．改变内能的两种方式的比较
比较项目 做功 热传递
内能变化 外界对物体做功，物体的内能增加；物体对外界做功，物体的内能减少 物体吸收热量，内能增加；物体放出热量，内能减少
物理实质 其他形式的能与内能之间的转化 不同物体间或同一物体的不同部分之间内能的转移
相互联系 做一定量的功或传递一定量的热量在改变内能的效果上是相同的
典例1、如图所示的柱形容器内封有一定质量的空气。质量为m的光滑活塞与容器都用良好的隔热材料制成，另有质量为M的物体从活塞上方的A点自由下落到活塞上，并随活塞一起到达最低点B后静止。这一过程中，容器内空气内能的改变量ΔU，外界对气体所做的功W与物体及活塞的重力势能变化量的关系是(　　)
A．Mgh＋mg·Δh＝ΔU＋W
B．ΔU＝W，W＝Mgh＋mgΔh
C．ΔU＝W，W＜Mgh＋mgΔh
D．ΔU≠W，W＝Mgh＋mgΔh
C　[绝热时Q＝0，ΔU＝W；但物体落在活塞上时，有一部分机械能在碰撞时转化为内能，这些内能没能被封闭气体吸收，因此W＜Mgh＋mgΔh，故C正确。]
二、热力学第一定律
1．对ΔU＝W＋Q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．对公式ΔU、Q、W符号的规定
W Q ΔU
正号 外界对物体做功 物体吸收热量 内能增加
负号 物体对外界做功 物体放出热量 内能减少
3．应用热力学第一定律解题的一般步骤
(1)首先选定研究对象是哪个物体或哪个热力学系统．
(2)根据符号法则写出各已知量(W、Q、ΔU)的正、负．
(3)根据方程ΔU＝W＋Q求出未知量．
(4)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．
4．判断气体做功正、负的方法
(1)若气体体积增大，表明气体对外界做功，W<0．
(2)若气体体积变小，表明外界对气体做功，W>0．
5．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：在该过程中气体不做功，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：在过程的始末状态，气体的内能不变，即ΔU＝0，则W＋Q＝0或W＝－Q，表示气体吸收的热量全部用来对外做功或外界对气体所做的功全部转换为热量放出．
典例2、如图所示，固定容器及可动活塞P都是绝热的，中间有一导热的固定隔板B，B的两边分别盛有气体甲和乙。现将活塞P缓慢地向B移动一段距离，已知气体的温度随其内能的增加而升高。则在移动P的过程中(　　)
A．外力对乙做功；甲的内能不变
B．外力对乙做功；乙的内能不变
C．乙传递热量给甲；乙的内能增加
D．乙的内能增加；甲的内能不变
C　[将活塞P缓慢地向B移动的过程中，外力对乙做功，乙的内能增加，温度升高，由于固定隔板B导热，所以乙将传递热量给甲，甲、乙两部分气体的温度最终相同，均高于初态温度，所以甲、乙内能均增加。故C正确。]
巩固练习：
1．一定质量的理想气体经历一缓慢的绝热膨胀过程。设气体分子间的势能可忽略，则在此过程中(　　)
A．外界对气体做功，气体分子的平均动能增大
B．外界对气体做功，气体分子的平均动能减小
C．气体对外界做功，气体分子的平均动能增大
D．气体对外界做功，气体分子的平均动能减小
2．(多选)关于热量、功和内能的下列说法中正确的是(　　)
A．热量、功、内能三者的物理意义等同
B．热量、功都可以作为物体内能的量度
C．热量、功都可以作为物体内能变化的量度
D．热量、功、内能的单位相同
3．如图所示是封闭的气缸，内部封闭有一定质量的理想气体．外力推动活塞P压缩气体，对汽缸内气体做功800 J，同时气体向外界放热200 J，则汽缸内气体的(　　)
A．温度升高，内能增加600 J
B．温度升高，内能减少200 J
C．温度降低，内能增加600 J
D．温度降低，内能减少200 J
4．若将气泡内的气体视为理想气体，气泡从湖底缓慢上升到湖面的过程中，对外界做了0.6 J的功，(设湖水的温度相等且保持不变)
(1)气泡上升过程中吸收的热量是多少？
(2)气泡到达湖面后，由于太阳的照射，在温度上升的过程中又对外界做了0.1 J的功，同时吸收了0.3 J的热量，则此过程中，气泡内气体内能增加了多少？
参考答案：
1. D　[绝热膨胀过程是指气体膨胀过程未发生热传递，膨胀过程气体体积增大，气体对外界做功W＜0，由ΔU＝U2－U1＝W可知，气体内能减少。由于气体分子间的势能忽略，故气体分子的平均动能减小。故D正确。]
2. CD　[物体的内能是指物体内所有分子动能和分子势能的总和，而要改变物体的内能可以通过做功和热传递两种途径，这三者的物理意义不同，A错误；热量是表示在热传递过程中物体内能变化多少的，而功也是用做功的方式量度物体内能变化多少的，B错误，C正确；三者的单位都是焦耳，D正确。]
3. A　[由热力学第一定律：ΔU＝W＋Q得ΔU＝800 J＋(－200 J)＝600 J，一定质量的理想气体的内能大小只与温度有关，ΔU＝600 J>0，故温度一定升高，A选项正确．]
4.[解析]　(1)气体温度不变，内能不变，由热力学第一定律ΔU＝Q＋W，则Q＝ΔU－W＝0－(－0.6 J)＝0.6 J。
(2)由热力学第一定律得ΔU＝Q＋W＝0.3 J＋(－0.1 J)＝0.2 J，内能增加0.2 J。
[答案]　(1)0.6 J　(2)0.2 J

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