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第三章 热力学定律
3.1 功、热和内能的改变
思考1：为什么快速打气过程中，气筒壁温度会升高？
打气筒
新课引入
古人钻木生火
冬日里搓手取暖
思考2：外界对系统做功对于系统的状态存在怎样的定量关系呢？
划火柴
新课引入
一、焦耳实验
绝热过程：系统不从外界吸热，也不向外界放热，这样的过程叫绝热过程。
实验表明：只要重力所做的功相等，容器内水温上升的数值都是相同的，即系统状态的变化是相同的。
1.热功当量实验
2.通过电流的热效应给水加热
实验表明：只要所做的电功相等，则系统温度上升的数值是相同的，即系统的状态变化相同。
大量的实验均表明：在各种不同的绝热过程中，如果使系统从状态1变为状态2，所需外界做功的数量是相同的，而与做功的方式无关。
1.内能：任何一个热力学系统都必然存在一个只依赖系统自身状态的物理量，这种物理量叫做内能（用字母U表示）。
思考：系统在状态1和2时的内能分别为U1、U2，试求：
（1）系统从状态1到状态2过程中内能的变化量；
（2）若系统经过绝热过程从状态1变化到状态2，外界对系统所做的功为W，则W与内能变化量之间存在怎样的关系？
二、功和内能的改变
2.绝热过程中功与内能的关系：△U＝W
即绝热过程中外界对系统所做的功等于系统内能的增加量。
思考：系统在状态1、2时的内能分别为U1、U2，若系统经过单纯的传热过程从状态1变化到状态2时外界对系统传递的热量为Q，则Q与内能变化量之间存在怎样的关系？
△U= U2 — U1 =Q
三、热传递
单纯的传热过程中热量和内能的关系：
即在外界对系统不做功的情况下，外界传递给系统的热量等于系统内能的增加量。
改变内能的两种方式
做功
热传递
△U＝W
绝 热
过 程
单 纯
传 热
△U＝Q
等 效
思考：做功与传热在改变系统内能上有什么不同？
如果做功和传热都发生那么内能如何变化？
一定质量的理想气体从外界吸收100J的热量，同时外界对它做功120J，它的内能的变化是多少？
思考与讨论
如何用数学表达式表示这三个物理量的关系？
增加220J
第三章 热力学定律
3.2 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：
3、物理意义：热力学第一定律反映了功、热量跟系统内能改变之间的定量关系.
ΔU：物体内能的增加量
W：外界对物体做的功
Q：物体吸收的热量
四、热力学第一定律
ΔU＝W + Q
4、推广：上式也适用于物体对外做功、向外界散热和内能减少的情况。但要注意各量的正负号。
⊿U=Q+W
5. 公式各量的正、负号及含义
＋ －
W
Q
⊿U
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
四、热力学第一定律
【特别提醒】
(1)物体内能发生变化可能是由做功引起的，也可能是由热传递引起的，还可能是两者共同作用的结果。
(2)当做功和热传递同时发生时，物体的内能可能增加，也可能减小，还可能保持不变。
【例题】如图，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2×103N的恒力使活塞移动相同距离所做的功（图甲）。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25J。
⑴求上述压缩过程中气体内能的变化量。
①确定研究对象：汽缸中的气体。
（1）压缩过程活塞（外界）对气体（系统）做功，W是正值：
W1= F1l1= 2×10 ×0.1 J = 200 J
系统向外放热：Q1=-25J
气体内能的变化量：ΔU1= W1＋Q1= 200 J -25 J = 175 J
③正确选取W与Q的正负。
②明确气体状态变化过程。
分析：
解析：
【例题】如图，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2×103N的恒力使活塞移动相同距离所做的功（图甲）。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25J。
⑵燃烧后的高压气体对活塞做功，气体推动活塞移动0.1m，其做的功相当于9×103N的恒力使活塞移动相同距离所做的功（图乙），该做功过程气体传递给汽缸的热量为30J，求此做功过程气体内能的变化量。
①确定研究对象：汽缸中的气体。
③正确选取W与Q的正负。
②明确气体状态变化过程。
分析：
解析：
（2）气体膨胀过程中气体（系统）对外界所做功，W是负值：
W2= F2L2=-9×10 ×0.1 J =-900 J
系统向外放热：Q2=-30J
气体内能的变化量：ΔU2= W2＋Q2=-900 J - 30J =-930 J
应用热力学第一定律解题的一般步骤
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。
2、根据符号法则写出各已知量（W、Q、 U）的正负。
3、根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q列出方程，求解 。
4、再根据未知量结果的正、负来确定吸热、放热情况或做功和内能增减情况。
针对练. 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；
(2)最终的环境温度T.
针对练 如图，一定质量的理想气体密封在绝热(即与外界不发生热交换)容器中，容器内装有一可以活动的绝热活塞。今对活塞施以一竖直向下的压力F，使活塞缓慢向下移动一段距离后，气体的体积减小。若忽略活塞与容器壁间的摩擦力，则被密封的气体(　　)
A．温度升高，压强增大，内能减少
B．温度降低，压强增大，内能减少
C．温度升高，压强增大，内能增加
D．温度降低，压强减小，内能增加
C
⑴气体状态变化的几种特殊情况
讨论与总结
②等容过程：
③等温过程(理想气体)：
①绝热过程：
Q＝0，则ΔU＝W
ΔU＝0，则 W＝－Q
W＝0，则ΔU＝Q (过程不做功)
⑵分析理想气体内能的变化
⊿U=Q+W
U — T
⑶判断气体是否做功思路：
依据：
依据：
看气体的体积是否变化
拓展：气体做功的求解方法
P
V
Va
Vb
等压变化
P
V
Va
Vb
非等压变化
从a到b发生等压变化，则气体对外界做功为：
P -V 图下方(与坐标轴所围的面积)的“面积” 表示做功多少。
=pΔV
公式：W=pΔV（等压变化）
无数个小矩形之和
a
b
例题. 20mol氧气由状态1变化到状态2所经历的过程如图所示，
(1)沿1→3→2折线；(2)沿1→2直线.
试分别求出这两个过程中外界对气体做功（氧气视为理想气体）
10 20 30 40 50
V/L
p/×105Pa
5
10
20
0
15
1
3
2
解 (1)1→3，不做功
3→2，做功为：
W32=20×105×40×10-3J
=8×104J
总功W132= 8×104J
(2) 由面积求：W1→2=(5+20)×105×40×10-3J/2
=5×104J
课堂小结
等容过程：
绝热过程：
Q＝0，则ΔU＝W
W＝0，则ΔU＝Q
热力学第一定律
表达式：⊿U=Q+W
内容
功、热和内能的改变
热力学定律
做功和传热在改变物体的内能上是等效的
1：（全国卷Ⅲ，5分)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。下列说法正确的是_______
A.在过程ab中气体的内能增加
B.在过程ca中外界对气体做功
C.在过程ab中气体对外界做功
D.在过程bc中气体从外界吸收热量
E.在过程ca中气体从外界吸收热量
ABD
课堂练习
2．一定质量的理想气体在某一过程中，外界对气体做功7.0×104 J，气体内能减少1.3×105 J，则此过程（　　）
A．气体从外界吸收热量2.0×105 J
B．气体向外界放出热量2.0×105 J
C．气体从外界吸收热量6.0×104 J
D．气体向外界放出热量6.0×104 J
B
3：(多选)如图所示，一定量的理想气体从状态a变化到状态b，其过程如p V 图中从a到b的直线所示.在此过程中(　　 )
A.气体温度一直降低
B.气体内能一直增大
C.气体一直对外做功
D.气体一直从外界吸热
BCD
4：一定质量的理想气体从状态A经过状态B和C又回到状A，其压强p随体积V变化的图线如图所示，其中A到B为绝热过程，C到A为等温过程。则下列说法正确的是（　　）
A．A状态速率大的分子比例较B状态少
B．A→B过程，气体分子平均动能增大
C．B→C过程，气体对外做功
D．B→C过程，气体放热
C

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