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第三章 热力学定律
3.2 热力学第一定律
目
录
CONTENTS
1 学习目标
2 新课导入
3 新课讲解
4 课堂小结
5 典例分析
当堂小练
6
1． 进一步掌握能的转化和守恒定律，并了解能的转化和守恒定律的意义。
2．运用公式△U＝W＋Q分析有关问题并具体进行计算。
学习目标
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？
新课导入
另一方面也向我们表明，为了改变系统的状态，做功和传热这两种方法是等价的。也就是说，一定数量的功与确定数量的热相对应。
一方面表明，以不同的方式对系统做功时，只要系统始末两个状态是确定的，做功的数量就是确定的；
焦耳的实验
ΔU=W
单纯地对系统做功做功：
单纯地对系统传热：
△U＝Q
当外界既对系统做功又对系统传热时，内能的变化量就应该是：
△U＝Q+ W
一、热力学第一定律
△U＝Q+ W
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。
热力学第一定律
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
物理意义：不仅反映了做功与传热在改变系统内能方面是等效的，而且给出了功、热量跟系统内能改变之间的定量关系。
ΔU=U2-U1
新课讲解
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。
解析：
膨胀过程中气体对外界做功
系统对外做功：W=-135J
系统向外放热：Q=-85J
根据热力学第一定律：ΔU = W + Q
代入得：ΔU =-135+（-85）=-220J
内能减少了220J。
二、热力学第一定律的应用
1、确定研究对象。
2、正确选取正、负号
ΔU = W + Q
物理量 符号 意义 符号 意义
W ＋ －
Q ＋ －
ΔU ＋ －
外界对物体做功
物体对外界做功
物体吸收热量
物体放出热量
内能增加
内能减少
一定质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
解析：
B
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.
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)．
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.
气体状态变化过程中的做功问题
P
V
Va
Vb
气体等压变化对外界做功
P -V 图下方(与坐标轴所围的面积)的“面积” 表示做功多少。
W=PΔV
非等压变化
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．
气体实验定律和热力学第一定律的综合应用
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。
课堂小结
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。
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。
典例分析
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：Q=-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：
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：Q=-30J
气体内能的变化量：ΔU2= W2＋Q2=-900 J - 30J =-930 J
【例题2】某汽车的四冲程内燃机利用奥托循环进行工作，该循环可视为由两个绝热过程和两个等容过程组成如图所示为一定质量的理想气体所经历的奥托循环，则该气体（ ）
A.在 a→b 的过程中，外界对其做的功全部用于增加内能
B.在状态 a 和 c 时气体分子的平均动能可能相等
C.在 b→c 的过程中，气体温度不变
D.在一次循环过程中气体吸收的热量小于放出的热量
A
a→b 过程为绝热压缩过程，外界对其做正功，根据热力学第一定律，外界对其做的功全部用于增加内能，故 A 正确；由 A 的分析可知，状态 b 的温度比 a 的温度高，由状态 b 到 c 的过程是等容过程，压强增大，温度升高，所以 c 状态的温度大于 a 状态的温度，故气体分子的平均动能不可能相等，故 BC 错误；在 b→c 的过程中，气体吸收热量，从 c→d 是绝热过程，气体对外做功，从 d→a 是等容过程，温度降低，气体放热，在一次循环过程中，气体内能变化为零，而图像中 abcd 的面积为气体对外做功，所以气体吸收的热量大于放出的热量，故 D 错误。
解析：
【例题3】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，其原理图如图所示。座舱A与气闸舱B之间装有阀门K，座舱A中充满空气，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，舱内气体可视为理想气体，下列说法正确的是（　 ）
A.气体并没有对外做功，气体内能不变
B.气体温度不变，体积增大，压强减小
C.气体体积膨胀，对外做功，内能减小
D.气体体积变大，气体分子单位时间对气缸壁单位面积碰撞的次数将变少
ABD
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，根据热力学第一定律可知内能不变，故A正确；因为内能不变，故温度不变，平均动能不变，因为B闸舱 内为真空，对于座舱 A中充满的空气，根据玻意耳定律可知，扩散后压强减小，体积增大，所以气体的密集程度减小，根据气体压强的微观意义可知，气体分子单位时间对气缸壁单位面积碰撞的次数将变少，故C、D正确。
解析：
1、下列关于内能的说法正确的是（ ）
A.物体吸收热量，内能一定增加
B.物体放出热量，内能一定减少
C.当做功和热传递同时存在时，物体的内能可能不变
D.物体对外做功，内能可能增加
CD
当堂小练
解析：物体吸收热量的同时，物体有可能对外做功，所以内能不一定增加，A错；物体放出热量的同时，有可能外界对物体做功，所以内能不一定减少，B错；当物体从外界吸收的热量与物体对外界做的功正好相等时，物体内能不变，C正确；当物体对外界做功，同时吸收热量，且吸收的热量比对外界做功多时，内能就有可能增加，D正确。
2、如图所示，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（ ）
A.400 J B.1200 J C.2 000 J D.2 800 J
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＝1200 J。
3、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（ ）
A.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
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。
THANKS

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