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第三章 热力学定律
第1节 热力学第一定律
1.知道做功和热传递是改变系统内能的两种方式,理解内能与功、热量的关系。
2.理解热力学第一定律并能运用热力学第一定律分析和解决相关问题。
3.知道什么是第一类永动机及其不可能制成的原因。
做 功
热传递
外界对物体做功
物体对外界做功
物体从外界吸热
物体对外界放热
内能增加
内能增加
内能减少
内能减少
1.改变内能的两种方式
△U＝W
△U＝Q
绝热过程
仅传热过程
如果物体在跟外界同时发生做功和热传递的过程中，内能的变化ΔU与热量Q及做的功W之间又有什么关系呢？
知识点一：功、热量与内能
（1）定义如果物体与外界之间同时存在做功和热传递的过程,那么物体内能的改变量ΔU等于外界对物体所做的功与物体从外界吸收的热量之和。
ΔU=Q +W
2. 热力学第一定律
（2）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。
（3）公式：
在一切涉及热现象的宏观过程中，能量可以发生转移或转化，在转移或转化过程中总能量守恒。
热力学第一定律表明：
一个物体的内能增加，必定有其他物体对它做功，或向它传递热量。与此同时，对此物体做功或向它传递热量的其他物体要减少等量的能量，而系统的总能量保持不变。
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的功是135 J，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。
解：
气体对外界做功
系统对外做功：W=-135J
系统向外放热：Q=-85J
ΔU = W + Q
代入得：
ΔU =-135+（-85）
=-220J
内能变化了220J，减少
思考与讨论：
3. 热力学第一定律中各量的正、负号及含义
物理量 符号 意义 符号 意义
W + 外界对系统做功 － 系统对外界做功
Q + 物体吸热 － 物体放热
ΔU + 内能增加 － 内能减少
气体被压缩
气体膨胀
③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。
①根据符号法则写出各已知量（W、Q、 U）的正负。
②代入方程ΔU＝W＋Q 求出未知量。
4.应用热力学第一定律解题的一般步骤：
例题：一定质量的气体从外界吸收了3.5×105J的热量，内能增加了1.2×103J。气体对外界做功还是外界对气体做功？做了多少功？
解：由热力学第一定律，外界对气体所做的功
W=ΔU-Q
=(1.2×103-3.5×105)J
=-2.3×105J
W为负值，说明气体对外界做功2.3×103J。
5.几种特殊情况
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)。
生活中的热学问题通常涉及多个过程。例如，将气泡内的气体视为理想气体，气泡在从湖底上升到湖面过程中，对外界做了0.20J的功。假设湖水温度保持不变，此过程中的气泡是吸热还是放热？吸收或放出的热量是多少？气泡到达湖面后，在其温度上升的过程中，又对外界做了0.02J的功，同时吸收了0.05J的热量，气泡内气体内能增加了多少？
解
（1）气体温度不变，内能不变，即ΔU=0
由Q=ΔU-W得Q=-0.20J,
气泡上升过程放热。
（2）到水面后，由ΔU=Q+W得
ΔU=0.05-0.02 J=0.03J
气泡气体内能增加了0.03J。
不消耗任何能量而能永远对外做功的机器通常称为第一类永动机
知识点二：第一类永动机
思考与讨论：17 18世纪，许多人致力于制造一种机器，它不需要任何动力或燃料，却能不断地对外做功，史称“第一类永动机”。然而，为此目的的任何尝试都失败了。这是为什么呢？
历史上一种永动机的设计
违背了热力学第一定律。
① 如果没有外界热源供给热量，则有U2－U1＝W，就是说，如果系统内能减少，即U2② 层出不穷的永动机设计方案，由于违背了热力学第一定律，无一例外地宣布失败，人类制造永动机的企图是没有任何成功希望的。
热力学第一定律也被表述为：
第一类永动机是不可能实现的。
1.正确的打“√”，错误的打“×”。
（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） 系统从外界吸收热量，内能可能减少 。( )
√
（4） 外界对热力学系统做功，取正值；外界向热力学系统传递热量， 取正值。
( )
√
（5） 物体与外界不发生热交换，物体的内能也可能变化。( )
√
2.有人设计了如图所示的永动机,靠磁铁的吸引使车辆获得行驶的能量,但是这类永动机没有制成,是因为（ ）
A.不符合机械能守恒定律
B.违背了能量守恒定律
C.做功产生的热不符合热功当量
D.找不到合适的材料和合理的设计方案
B
3.一定质量的理想气体在某一过程中,外界对气体做了8×104 J的功,气体的内能减少了1.2×105 J,则根据热力学第一定律,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=2×105 J
D.W=-8×104 J,ΔU=-1.2×105 J,Q=-4×104 J
B
4.以下过程可能发生的是 （　　）
A.对物体做功，物体的内能增加
B.对物体做功，同时物体吸热，物体的内能不变
C.物体对外做功，同时放热，物体的内能不变
D.物体对外做功，同时吸热，物体的内能不变
AD
5.一个密闭汽缸封闭着一部分空气。用活塞压缩汽缸里的空气，对空气做了
的功，同时汽缸向外散热 ，则汽缸中空气的内能( )
D
A.减少了 B.增加了
C.减少了 D.增加了

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