资源简介

2.热力学第一定律　3.能量守恒定律
【素养目标】　1.通过复习改变物体内能的两种方式，推出热力学第一定律。2.掌握热力学第一定律及其表达式中各物理量的符号法则。3.能运用能量守恒定律知识解释典型的物理现象。4.知道第一类永动机不能制成的原因，能用所学知识解释一些常见的现象。
知识点一　热力学第一定律及其应用
【情境导入】　某同学观察洒水车缓慢洒水的过程时，发现洒水车的轮胎不断膨胀。(假设轮胎内气体温度不变)
(1)轮胎为什么不断膨胀？
(2)轮胎内的气体是吸热还是放热？
提示：(1)洒水车在缓慢洒水的过程中，轮胎内气体压强减小，所以气体膨胀。
(2)气体体积增大，对外界做功，由ΔU＝W可知气体内能减小，但轮胎内气体温度不变，由ΔU＝Q可知气体一定从外界吸热。
【教材梳理】 (阅读教材P50—P51完成下列填空)
1.热力学第一定律
(1)内容：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。
(2)表达式：ΔU＝Q＋W。
2.热力学第一定律的应用
(1)W的正负：外界对系统做功时，W取正值；系统对外界做功时，W取负值。
(2)Q的正负：外界对系统传递热量时，Q取正值；系统向外界传递热量时，Q取负值。
(3)ΔU的正负：当系统内能增加时，ΔU取正值；当系统内能减少时，ΔU取负值。
【师生互动】　如图所示，利用汽缸与活塞封闭着一定质量的空气，活塞与汽缸间无摩擦、不漏气。如果把活塞固定，使汽缸内空气温度升高到某一温度，空气吸收的热量为Q1；如果不固定活塞，也使汽缸内空气温度升高到相同温度，其吸收的热量为Q2。请分析比较Q1和Q2的大小关系。
提示：Q2＞Q1。把活塞固定时，气体的体积不变，外界对气体不做功，气体吸收的热量Q1全部用于增加气体的内能，即ΔU＝Q1；活塞不固定时，温度升高，气体膨胀，会推动活塞向上运动，气体对外界做功，W＜0，当气体升高相同温度时，气体内能的增加量与前一个过程是相同的，也是ΔU，根据热力学第一定律有ΔU＝Q1＝Q2＋W，由于W＜0，所以Q2＞Q1。
【探究归纳】
1.公式ΔU＝Q＋W中各量符号的规定
符号 W Q ΔU
＋ 外界对系统做功 系统吸收热量 系统内能增加
－ 系统对外界做功 系统放出热量 系统内能减少
注意：判断系统与外界之间做功的关系，关键是看系统的体积怎样变化：
(1)若系统的体积增大，则系统对外界做功，W＜0。
(2)若系统的体积减小，则外界对系统做功，W＞0。
(3)若系统的体积不变，则系统与外界之间无做功关系，W＝0。
2.几种特殊过程
(1)绝热过程：Q＝0，则W＝ΔU，外界对系统(系统对外界)做的功等于系统内能的增加(减少)量。
(2)不做功的过程：W＝0，则Q＝ΔU，系统吸收(放出)的热量等于系统内能的增加(减少)量。
(3)内能不变的过程：ΔU＝0，则Q＋W＝0或W＝－Q，外界对系统(系统对外界)做的功等于系统放出(吸收)的热量。
一定质量的理想气体在某一过程中，外界对气体做了8×10 4 J的功，气体的内能减少了1.2×10 5 J，则下列各式中正确的是(　　)
A.W＝8×10 4 J，ΔU＝－1.2×10 5 J，Q＝4×10 4 J
B.W＝8×10 4 J，ΔU＝－1.2×10 5 J，Q＝－2×10 5 J
C.W＝－8×10 4 J，ΔU＝1.2×10 5 J，Q＝2×10 5 J
D.W＝－8×10 4 J，ΔU＝1.2×10 5 J，Q＝－4×10 4 J
答案：B
解析：外界对气体做功，W取正值，气体内能减少，ΔU取负值，由热力学第一定律ΔU＝Q＋W，可得Q＝－2×10 5 J，故B正确。
应用热力学第一定律的解题思路
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.确定Q、W的数值及其正负。
3.根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W列出方程进行求解。
4.特别注意物理量的正负号及其物理意义。
针对练1.(2025·河南开封高二月考)健身球是一种有趣的体育健身器材。如图所示，健身者正在挤压健身球，健身球内的气体视为理想气体且在挤压过程中温度不变，下列说法正确的是(　　)
A.健身球内的气体向外界释放热量
B.健身球内的气体对外界做正功
C.健身球内的气体内能变大
D.健身球内的气体单位时间、单位面积撞击球壁的分子数不变
答案：A
解析：健身者正在挤压健身球，即外界对气体做正功，故B错误；健身球内的气体视为理想气体，则内能由温度决定，而温度不变，则健身球内的气体内能不变，故C错误；因外界对气体做正功，W＞0，气体内能不变，ΔU＝0，根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W，可得Q＜0，即气体向外界释放热量，故A正确；气体的温度不变，即所有分子的平均速率不变，而体积变小，则单位体积的分子数变多，可知压强变大，则健身球内的气体单位时间、单位面积撞击球壁的分子数变多，故D错误。故选A。
针对练2.如图所示，封闭的汽缸内部封有一定质量的理想气体。外力推动活塞P压缩气体，对缸内气体做功为800 J，同时气体向外界放热为200 J，则缸内气体的(　　)
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
答案：A
解析：由热力学第一定律ΔU＝Q＋W，可得ΔU＝(－200＋800) J＝600 J，一定质量的理想气体的内能只与温度有关，ΔU＝600 J＞0，故温度升高，A正确。
知识点二　能量守恒定律　永动机不可能制成
【情境导入】　“全自动”的机械手表，既不需要上发条，也不用任何电源，只要人带上便能不停地走下去。
(1)“全自动”的机械手表是不是一种永动机？
(2)如果人不佩带该机械表，该表还会一直运动下去吗？
(3)人佩带该表时，该表不停地运动，维持表针走动的能量是从哪儿来的？
提示：(1)不是。(2)不会。(3)手表戴在手腕上，通过手臂的运动，机械手表获得能量，维持表针走动。
【教材梳理】 (阅读教材P54—P58完成下列填空)
1.能量守恒定律的内容：能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变。
2.永动机不可能制成
(1)第一类永动机：不需要任何动力或燃料，却能不断地对外做功的机器。
(2)第一类永动机由于违背了能量守恒定律，所以不可能制成。
【师生互动】　某同学根据“全自动”的机械手表原理设计了如图所示的新能源汽车模型，通过磁体对铁块的吸引为汽车提供动力让汽车前进。
任务1.从能量的角度分析可以实现吗？
任务2.热力学第一定律与能量守恒定律有什么关系？
提示：任务1.不可以，违反了能量守恒定律。
任务2.能量守恒定律是各种形式的能相互转化或转移的过程中，总能量保持不变，其范围广泛。热力学第一定律实际上是内能与其他能量发生转化时的能量守恒定律。
【探究归纳】
1.能量的存在形式及相互转化
(1)各种运动形式都有对应的能：机械运动对应机械能，分子的热运动对应内能，还有电磁能、化学能、核能等。
(2)各种形式的能通过某种力做功可以相互转化。例如：通过电场力(或电流)做功，电能转化为机械能(或内能)；通过克服摩擦力做功，机械能转化为内能；通过克服安培力做功，机械能转化为电能等。
2.能量守恒定律的两种表达
(1)某种形式的能减少，一定有其他形式的能增加，且减少量和增加量一定相等。
(2)某个物体的能量减少，一定有其他物体的能量增加，且减少量和增加量一定相等。
3.第一类永动机不可能制成的原因分析
如果没有外界供给热量而对外做功，由ΔU＝Q＋W可知，系统内能将减小。若想源源不断地对外做功，在无外界能量供给的情况下是不可能的。
对能量守恒定律的理解
(2025·天津北辰高二期末)下列关于能量守恒定律的认识，不正确的是(　　)
A.石子从空中落下，最后停止在地面上，说明石子的能量消失了
B.对物体做功，物体的内能可能减小
C.某个物体的能量减少，必然有其他物体的能量增加
D.某种形式的能量减少，一定有其他形式的能量增加
答案：A
解析：根据能量守恒定律可知，石子从空中落下，最后停止在地面上，石子的能量并没有消失，石子的机械能转化成了内能，故A错误；做功与传热可以改变物体的内能，对物体做功的同时，如果物体向外放热，则物体的内能可能减小，故B正确；根据能量守恒定律可知，某个物体的能量减少，必然有其他物体的能量增加，故C正确；根据能量守恒定律可知，某种形式的能量减少，一定有其他形式的能量增加，故D正确。
针对练.有关能量守恒定律，下列说法正确的是(　　)
A.只适用于机械能与内能的相互转化
B.只适用于能量转化过程
C.“摩擦生热”是创造了热，它不符合能量守恒定律
D.根据能量守恒定律，宇宙中的能量总和不变
答案：D
解析：根据能量守恒定律可知，D正确；能量守恒定律是自然界的普遍规律，适用于一切能量转移和转化过程，A、B错误；“摩擦生热”实质上是克服摩擦力做功将机械能转化成了内能，其转化过程符合能量守恒定律，C错误。
第一类永动机
(多选)下列关于第一类永动机的说法正确的是(　　)
A.第一类永动机是不消耗任何能量却可源源不断地对外做功的机器
B.第一类永动机不能制成的原因是违背了热力学第一定律
C.第一类永动机不能制成的原因是技术问题
D.第一类永动机不能制成的原因是违背了能量守恒定律
答案：ABD
解析：第一类永动机是不消耗任何能量却可源源不断地对外做功的机器，这是人们的美好愿望，但它违背了热力学第一定律，也违背了能量守恒定律，这也是它不能制成的原因，故A、B、D正确。
针对练.如图所示，一演示用的“永动机”转轮由5根轻杆和转轴构成，轻杆的末端装有用形状记忆合金制成的叶片。轻推转轮后，进入热水的叶片因伸展而“划水”，推动转轮转动。离开热水后，叶片形状迅速恢复，转轮因此能转动较长时间，下列说法正确的是(　　)
A.转轮依靠自身惯性转动，不需要消耗外界能量
B.转轮转动所需能量来自形状记忆合金自身
C.转动的叶片不断搅动热水，水温升高
D.叶片在热水中吸收的热量一定大于在空气中释放的热量
答案：D
解析：叶片进入水中后吸热，形状发生改变而搅动热水，由能量守恒定律可知，转轮转动所需能量来源于
热水，热水温度会降低，故A、B、C错误；由能量守恒定律可知，叶片吸收的热量一部分转化为叶片的弹性势能，一部分释放于空气中，故D正确。
课时测评14　热力学第一定律　能量守恒定律
(选择题1－13题，每题4分，共52分)
1.压力锅结构如图所示，盖好锅盖，将压力阀套在出气孔上，对压力锅加热，当锅内气体压强达到一定值时，气体就把压力阀顶起。假定在压力阀被顶起时，停止加热。若在一次放气过程中，锅内气体外界做功为1.5 J，并向外界释放了2.5 J的热量，则下列说法正确的是(　　)
A.锅内原有气体的内能没有发生变化
B.锅内原有气体的内能增加了3 J
C.锅内原有气体的内能减少了3 J
D.锅内原有气体的内能减少了4 J
答案：D
解析：根据热力学第一定律可知ΔU＝Q＋W＝－2.5 J＋(－1.5 J)＝－4 J，即锅内原有气体的内能减少了4 J，故D正确。
2.如图所示，现用活塞压缩封闭在汽缸内的空气，活塞对空气做了90 J的功，汽缸内空气的内能增加了69 J。关于汽缸内空气与外界热量交换的情况，下列说法正确的是(　　)
A.汽缸内的空气向外界散热159 J
B.汽缸内的空气向外界散热21 J
C.汽缸内的空气从外界吸热159 J
D.汽缸内的空气从外界吸热21 J
答案：B
解析：根据题意，由热力学第一定律可得Q＝ΔU－W＝69 J－90 J＝－21 J，即汽缸内的空气向外界散热21 J。故选B。
3.(多选)下列说法正确的是(　　)
A.随着科技的发展，第一类永动机是可以制成的
B.在低速运动时，宏观物体的运动遵从牛顿运动定律
C.“既要马儿跑，又让马儿不吃草”违背了能量守恒定律，因而是不可能的
D.有种“全自动”手表，不用上发条，也不用任何形式的电源，却能一直走动，说明能量可以凭空产生
答案：BC
解析：第一类永动机违反了能量守恒定律，不可能制成，A错误；牛顿运动定律适用于宏观、低速的运动，B正确；“既要马儿跑，又让马儿不吃草”违背了能量守恒定律，因而是不可能的，C正确；由能量守恒定律可知，能量是不会凭空产生的，D错误。
4.如图所示，密闭导热汽缸被活塞分成左、右两室，起初左室气体压强小于右室，现让活塞缓慢移动直至两室理想气体压强相等，期间环境温度始终不变，则此过程中(　　)
A.左室气体吸热，右室气体放热
B.左室气体放热，右室气体吸热
C.左、右室气体均吸热
D.左、右室气体均放热
答案：B
解析：左室气体压强变大，体积减小，W左＞0；右室气体压强变小，体积增大，W右＜0。环境温度始终不变，ΔU＝0，根据热力学第一定律可得ΔU＝Q左＋W左，ΔU＝Q右＋W右，可得Q左＜0，Q右＞0，即左室气体放热，右室气体吸热。故选B。
5.(2025·北京通州高二期末)一定质量的理想气体等压膨胀，下列说法正确的是(　　)
A.气体的温度降低 B.气体从外界吸热
C.气体的内能减少 D.外界对气体做功
答案：B
解析：根据盖－吕萨克定律可知，一定质量的理想气体等压膨胀过程中温度一定升高，则气体内能增大，即ΔU＞0；由于体积增大，则气体对外界做功，即W＜0；根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W得Q＞0，故气体从外界吸热。故选B。
6.夏天，从湖底形成的一个气泡，在缓慢上升到湖面的过程中没有破裂。若越接近水面， 湖水的温度越高，大气压没有变化，将气泡内的气体看作理想气体。则上升过程中，以下说法正确的是(　　)
A.气泡内气体的内能可能不变
B.气泡上升过程中可能会放热
C.气泡内气体的压强增大
D.气泡内分子对气泡壁单位面积的撞击力变小
答案：D
解析：根据题意可知，越往上温度越高，故气泡温度升高，内能变大，故A错误；气泡内气体的压强p＝p0＋ρgh，深度h减小，气泡内气体压强减小，气泡体积变大，外界对气体做负功，W＜0，气泡内气体内能增大，ΔU＞0，根据ΔU＝Q＋W可知Q＞0，故气泡内气体吸热，故B、C错误；气泡内气体压强减小，根据F＝pS可知，气泡内分子对气泡壁单位面积的撞击力减小，故D正确。
7.如图所示为某品牌的气压式椅子，其主要构造由汽缸、活塞及汽缸内的封闭气体组成，汽缸及活塞为导热材料制成。人坐下时，向下压活塞，使气体体积减小；人离开椅子后，汽缸内的气体体积增大将椅子顶起。假设汽缸内的气体可视为理想气体，周围环境温度及大气压恒定，则下列说法正确的是(　　)
A.人迅速坐下时，汽缸内气体的温度一定不变
B.人坐在椅子上不动，当环境温度降低，气体的压强将减小
C.人离开椅子后，足够长时间内，汽缸内的气体对外做的功的大小一定等于气体吸收的热量
D.人离开椅子后，汽缸内气体吸收的热量一定比对外做的功少，否则违背了热力学第一定律
答案：C
解析：人迅速坐下时，外界对气体做功，气体还没来得及与外界进行充分的热交换，所以汽缸内气体的温度升高，故A错误；人坐在椅子上不动，由于人处于平衡状态，所以气体的压强不发生变化，故B错误；人离开椅子后，经过足够长时间，汽缸内气体的温度和外界温度相等，可知气体的内能变化量为0，气体体积增大，则气体对外界做功，由热力学第一定律ΔU＝Q＋W可知，汽缸内的气体对外界做功的大小一定等于气体吸收的热量，故C正确，D错误。
8.如图所示，密闭绝热容器内有一绝热的具有一定质量的活塞，活塞的上部封闭着气体，下部为真空，活塞与器壁间的摩擦忽略不计。置于真空中的轻弹簧一端固定于容器的底部，另一端固定在活塞上，弹簧被压缩后用绳扎紧，此时弹簧的弹性势能为Ep(弹簧处在原长时的弹性势能为零)。现绳突然断开，弹簧推动活塞向上运动，经过多次往复运动后活塞静止，气体达到平衡状态。经过此过程(　　)
A.Ep全部转化为气体的内能
B.Ep一部分转化成活塞的重力势能，其余部分仍为弹簧的弹性势能
C.Ep全部转化成活塞的重力势能和气体的内能
D.Ep一部分转化成活塞的重力势能，一部分转化为气体的内能，其余部分仍为弹簧的弹性势能
答案：D
解析：当绳子突然断开时，活塞受弹簧的弹力F、重力G、封闭气体对活塞向下的压力F'共同作用，合力方向向上，经多次往复运动后活塞静止时，活塞处于平衡状态，气体体积必定减小，外力对气体做功，由于容器绝热，则气体的内能增加，而活塞最终的静止位置比初始位置高，其重力势能增加，弹力与另外两个力的合力平衡，弹簧仍有形变量。设最终弹簧的弹性势能为Ep'，由能量守恒定律得Ep＝Ep'＋ΔEp(活塞增加的重力势能)＋ΔE(气体增加的内能)，故D正确。
9.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.乙给甲传递热量，乙的内能增加
D.乙的内能增加，甲的内能不变
答案：C
解析：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，所以乙将给甲传递热量，甲、乙两部分气体的温度最终相同，均高于初态温度，所以甲、乙的内能均增加，故C正确。
10.(多选)(2025·山西太原高二期末)用活塞压缩密封在汽缸里的空气(视为理想气体)，对空气做了900 J的功，同时汽缸向外散热210 J。对于汽缸里压缩后的空气，下列选项正确的是(　　)
A.空气的分子势能增大
B.每个空气分子的动能都变大
C.空气温度升高，内能增加690 J
D.空气分子单位时间内与汽缸壁单位面积上的碰撞次数增加
答案：CD
解析：汽缸内的空气视为理想气体，则分子势能为零，故A错误；外界对空气做了900 J的功，同时汽缸向外散热210 J，根据热力学第一定律可知ΔU＝W＋Q＝900 J－210 J＝690 J，内能增加，温度升高，分子平均动能增加，但不是每个空气分子的动能都变大，故B错误，C正确；温度升高，空气分子平均速率增加，气体体积减小，分子数密度增加，气体压强变大，则空气分子单位时间内与汽缸壁单位面积上的碰撞次数增加，故D正确。
11.(多选)如图为一消毒水简易喷洒装置，内部装有一定量的水，水上部是密封的空气，喷洒口管径细小。现保持阀门紧闭，通过打气筒再充入一些空气。设所有过程温度保持不变，下列说法正确的有(空气视为理想气体)(　　)
A.充气后，密封气体分子单位时间内撞击器壁的次数增多
B.充气后，密封气体的分子平均动能增大
C.打开阀门后，密封气体对外界做正功
D.打开阀门后，密封气体从外界吸热
答案：ACD
解析：充气后，温度不变，密封气体的分子平均动能不变，分子数增多，体积不变，密封气体分子单位时间内撞击器壁的次数增多，气体压强增大，大于外界大气压；打开阀门后，密封气体对外界做正功，又温度不变，故内能不变，由热力学第一定律可知，密封气体从外界吸热，故A、C、D正确，B错误。
12.如图所示，容器A、B各有一个可以自由移动的轻活塞，活塞下面是水，上面是大气，大气压恒定。A、B的底部由带有阀门K的管道相连，整个装置与外界绝热。起初，A中水面比B中的高，打开阀门，使A中的水逐渐流向B中，最后达到平衡。在这个过程中，下列说法正确的是(　　)
A.大气压力对水做功，水的内能减小
B.水克服大气压力做功，水的内能减小
C.大气压力对水不做功，水的内能不变
D.大气压力对水不做功，水的内能增加
答案：D
解析：平衡前，A容器中的活塞向下移动，设A中活塞横截面积为S1，移动距离为l1，大气压力推动A中活塞向下移动时对水做的功WA＝p0S1l1；平衡前，B容器中的活塞向上移动，设B中活塞横截面积为S2，移动距离为l2，水通过活塞对外界做功，WB＝－p0S2l2，由于水的总体积不变，则有S1l1＝S2l2，即A容器中大气压力对水做的功与B容器中水克服大气压力做的功相等，在整个过程中，大气压力对水做的功是上述两个功(正功WA、负功WB)的代数和，即WA＋WB＝p0S1l1－p0S2l2＝0，A、B错误；大气压力对水不做功，同时整个装置与外界绝热，在水从容器A流向容器B的过程中，水的重心下降，水的重力做正功，水的重力势能减小，根据能量守恒定律可知，减少的水的重力势能转化为水的内能，水的内能增加，C错误，D正确。
13.(多选)如图所示，一足够长薄壁导热汽缸开口向下用轻绳悬挂在天花板上，汽缸的横截面积为S，不计厚度的活塞与汽缸之间无摩擦，活塞和汽缸之间封闭一定质量的理想气体，环境温度不变。活塞稳定时距汽缸底部的距离为l，在活塞的底部中心悬挂一个轻质小桶，往小桶中缓慢加细沙，当所加细沙质量为m时，活塞距汽缸底部的距离为2l，下列说法正确的是(　　)
A.外界对气体做功 B.气体对外界做功
C.气体放出热量 D.气体吸收热量
答案：BD
解析：根据题意可知，气体体积变大，气体对外界做功，又汽缸导热，温度不变，气体的内能不变，根据热力学第一定律可知，气体从外界吸收热量。故选BD。
14.(8分)一定质量的气体从外界吸收了4.2×105 J的热量，同时气体对外做了6×105 J的功，则：
(1)气体的内能改变了多少？
(2)气体分子势能是增加还是减少？
(3)气体分子的平均动能是增加还是减少？
答案：(1)减少了1.8×105 J　(2)增加　(3)减少
解析：(1)气体从外界吸热，则Q＝4.2×105 J
气体对外做功，则W＝－6×105 J
由热力学第一定律可得ΔU＝Q＋W＝4.2×105 J＋(－6×105 J)＝－1.8×105 J
所以，气体的内能减少了1.8×105 J。
(2)因为气体对外做功，所以气体的体积膨胀，分子间的距离增大了，分子间作用力做负功，气体分子势能增加了。
(3)因为气体内能减少，同时气体分子势能增加，说明气体分子的平均动能减少了。(共53张PPT)
2.热力学第一定律　3.能量守恒定律
　　　　
第三章　热力学定律
1.通过复习改变物体内能的两种方式，推出热力学第一定律。
2.掌握热力学第一定律及其表达式中各物理量的符号法则。
3.能运用能量守恒定律知识解释典型的物理现象。
4.知道第一类永动机不能制成的原因，能用所学知识解释一些常见的现象。
素养目标
知识点一　热力学第一定律及其应用
1
知识点二　能量守恒定律　永动机不可能制成
2
课时测评
3
内容索引
知识点一　热力学第一定律及其应用
情境导入　某同学观察洒水车缓慢洒水的过程时，发现
洒水车的轮胎不断膨胀。(假设轮胎内气体温度不变)
(1)轮胎为什么不断膨胀？
提示：洒水车在缓慢洒水的过程中，轮胎内气体压强减小，所以气体
膨胀。
自主学习
(2)轮胎内的气体是吸热还是放热？
提示：气体体积增大，对外界做功，由ΔU＝W可知气体内能减小，但轮胎内气体温度不变，由ΔU＝Q可知气体一定从外界吸热。
教材梳理 (阅读教材P50—P51完成下列填空)
1.热力学第一定律
(1)内容：一个热力学系统的内能变化量等于外界向它传递的______与外界对它所做的功的和。
(2)表达式：ΔU＝________。
2.热力学第一定律的应用
(1)W的正负：外界对系统做功时，W取____值；系统对外界做功时，W取____值。
(2)Q的正负：外界对系统传递热量时，Q取____值；系统向外界传递热量时，Q取____值。
(3)ΔU的正负：当系统内能增加时，ΔU取____值；当系统内能减少时，ΔU取____值。
热量
Q＋W
正
负
正
负
正
负
师生互动　如图所示，利用汽缸与活塞封闭着一定质量的空气，
活塞与汽缸间无摩擦、不漏气。如果把活塞固定，使汽缸内空气
温度升高到某一温度，空气吸收的热量为Q1；如果不固定活塞，
也使汽缸内空气温度升高到相同温度，其吸收的热量为Q2。请分
析比较Q1和Q2的大小关系。
提示：Q2＞Q1。把活塞固定时，气体的体积不变，外界对气体不做功，气体吸收的热量Q1全部用于增加气体的内能，即ΔU＝Q1；活塞不固定时，温度升高，气体膨胀，会推动活塞向上运动，气体对外界做功，W＜0，当气体升高相同温度时，气体内能的增加量与前一个过程是相同的，也是ΔU，根据热力学第一定律有ΔU＝Q1＝Q2＋W，由于W＜0，所以Q2＞Q1。
课堂探究
1.公式ΔU＝Q＋W中各量符号的规定
注意：判断系统与外界之间做功的关系，关键是看系统的体积怎样变化：
(1)若系统的体积增大，则系统对外界做功，W＜0。
(2)若系统的体积减小，则外界对系统做功，W＞0。
(3)若系统的体积不变，则系统与外界之间无做功关系，W＝0。
探究归纳
符号 W Q ΔU
＋ 外界对系统做功 系统吸收热量 系统内能增加
－ 系统对外界做功 系统放出热量 系统内能减少
2.几种特殊过程
(1)绝热过程：Q＝0，则W＝ΔU，外界对系统(系统对外界)做的功等于系统内能的增加(减少)量。
(2)不做功的过程：W＝0，则Q＝ΔU，系统吸收(放出)的热量等于系统内能的增加(减少)量。
(3)内能不变的过程：ΔU＝0，则Q＋W＝0或W＝－Q，外界对系统
(系统对外界)做的功等于系统放出(吸收)的热量。
探究归纳
一定质量的理想气体在某一过程中，外界对气体做了8×10 4 J的功，气体的内能减少了1.2×10 5 J，则下列各式中正确的是
A.W＝8×10 4 J，ΔU＝－1.2×10 5 J，Q＝4×10 4 J
B.W＝8×10 4 J，ΔU＝－1.2×10 5 J，Q＝－2×10 5 J
C.W＝－8×10 4 J，ΔU＝1.2×10 5 J，Q＝2×10 5 J
D.W＝－8×10 4 J，ΔU＝1.2×10 5 J，Q＝－4×10 4 J
例1
√
外界对气体做功，W取正值，气体内能减少，ΔU取负值，由热力学第一定律ΔU＝Q＋W，可得Q＝－2×10 5 J，故B正确。
应用热力学第一定律的解题思路
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.确定Q、W的数值及其正负。
3.根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W列出方程进行求解。
4.特别注意物理量的正负号及其物理意义。
规律总结
针对练1.(2025·河南开封高二月考)健身球是一种有趣的
体育健身器材。如图所示，健身者正在挤压健身球，健
身球内的气体视为理想气体且在挤压过程中温度不变，
下列说法正确的是
A.健身球内的气体向外界释放热量
B.健身球内的气体对外界做正功
C.健身球内的气体内能变大
D.健身球内的气体单位时间、单位面积撞击球壁的分子数不变
√
健身者正在挤压健身球，即外界对气体做正功，故B
错误；健身球内的气体视为理想气体，则内能由温度
决定，而温度不变，则健身球内的气体内能不变，故
C错误；因外界对气体做正功，W＞0，气体内能不变，ΔU＝0，根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W，可得Q＜0，即气体向外界释放热量，故A正确；气体的温度不变，即所有分子的平均速率不变，而体积变小，则单位体积的分子数变多，可知压强变大，则健身球内的气体单位时间、单位面积撞击球壁的分子数变多，故D错误。故选A。
针对练2.如图所示，封闭的汽缸内部封有一定质量的理想气体。外力推动活塞P压缩气体，对缸内气体做功为800 J，同时气体向外界放热为200 J，则缸内气体的
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
√
由热力学第一定律ΔU＝Q＋W，可得ΔU＝(－200＋800) J＝600 J，一定质量的理想气体的内能只与温度有关，ΔU＝600 J＞0，故温度升高，A正确。
返回
知识点二　能量守恒定律　永动机不可能制成
情境导入　“全自动”的机械手表，既不需要上发条，也不用任何电源，只要人带上便能不停地走下去。
(1)“全自动”的机械手表是不是一种永动机？
提示：不是。
自主学习
(2)如果人不佩带该机械表，该表还会一直运动下去吗？
提示：不会。
(3)人佩带该表时，该表不停地运动，维持表针走动的能量是从哪儿来的？
提示：手表戴在手腕上，通过手臂的运动，机械手表获得能量，维持表针走动。
教材梳理 (阅读教材P54—P58完成下列填空)
1.能量守恒定律的内容：能量既不会凭空______，也不会凭空______，它只能从一种形式______为其他形式，或者从一个物体______到别的物体，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变。
2.永动机不可能制成
(1)第一类永动机：不需要任何动力或燃料，却能不断地__________的机器。
(2)第一类永动机由于违背了______________，所以不可能制成。
产生
消失
转化
转移
对外做功
能量守恒定律
师生互动　某同学根据“全自动”的机械手表原理
设计了如图所示的新能源汽车模型，通过磁体对铁
块的吸引为汽车提供动力让汽车前进。
任务1.从能量的角度分析可以实现吗？
提示：不可以，违反了能量守恒定律。
课堂探究
任务2.热力学第一定律与能量守恒定律有什么关系？
提示：能量守恒定律是各种形式的能相互转化或转移的过程中，总能量保持不变，其范围广泛。热力学第一定律实际上是内能与其他能量发生转化时的能量守恒定律。
1.能量的存在形式及相互转化
(1)各种运动形式都有对应的能：机械运动对应机械能，分子的热运动对应内能，还有电磁能、化学能、核能等。
(2)各种形式的能通过某种力做功可以相互转化。例如：通过电场力(或电流)做功，电能转化为机械能(或内能)；通过克服摩擦力做功，机械能转化为内能；通过克服安培力做功，机械能转化为电能等。
探究归纳
2.能量守恒定律的两种表达
(1)某种形式的能减少，一定有其他形式的能增加，且减少量和增加量一定相等。
(2)某个物体的能量减少，一定有其他物体的能量增加，且减少量和增加量一定相等。
3.第一类永动机不可能制成的原因分析
如果没有外界供给热量而对外做功，由ΔU＝Q＋W可知，系统内能将减小。若想源源不断地对外做功，在无外界能量供给的情况下是不可能的。
探究归纳
角度1 对能量守恒定律的理解
(2025·天津北辰高二期末)下列关于能量守恒定律的认识，不正确
的是
A.石子从空中落下，最后停止在地面上，说明石子的能量消失了
B.对物体做功，物体的内能可能减小
C.某个物体的能量减少，必然有其他物体的能量增加
D.某种形式的能量减少，一定有其他形式的能量增加
例1
√
根据能量守恒定律可知，石子从空中落下，最后停止在地面上，石子的能量并没有消失，石子的机械能转化成了内能，故A错误；做功与传热可以改变物体的内能，对物体做功的同时，如果物体向外放热，则物体的内能可能减小，故B正确；根据能量守恒定律可知，某个物体的能量减少，必然有其他物体的能量增加，故C正确；根据能量守恒定律可知，某种形式的能量减少，一定有其他形式的能量增加，故D正确。
针对练.有关能量守恒定律，下列说法正确的是
A.只适用于机械能与内能的相互转化
B.只适用于能量转化过程
C.“摩擦生热”是创造了热，它不符合能量守恒定律
D.根据能量守恒定律，宇宙中的能量总和不变
√
根据能量守恒定律可知，D正确；能量守恒定律是自然界的普遍规律，适用于一切能量转移和转化过程，A、B错误；“摩擦生热”实质上是克服摩擦力做功将机械能转化成了内能，其转化过程符合能量守恒定律，C错误。
角度2 第一类永动机
(多选)下列关于第一类永动机的说法正确的是
A.第一类永动机是不消耗任何能量却可源源不断地对外做功的机器
B.第一类永动机不能制成的原因是违背了热力学第一定律
C.第一类永动机不能制成的原因是技术问题
D.第一类永动机不能制成的原因是违背了能量守恒定律
例3
√
√
√
第一类永动机是不消耗任何能量却可源源不断地对外做功的机器，这是人们的美好愿望，但它违背了热力学第一定律，也违背了能量守恒定律，这也是它不能制成的原因，故A、B、D正确。
针对练.如图所示，一演示用的“永动机”转轮由5根
轻杆和转轴构成，轻杆的末端装有用形状记忆合金制
成的叶片。轻推转轮后，进入热水的叶片因伸展而
“划水”，推动转轮转动。离开热水后，叶片形状迅
速恢复，转轮因此能转动较长时间，下列说法正确的是
A.转轮依靠自身惯性转动，不需要消耗外界能量
B.转轮转动所需能量来自形状记忆合金自身
C.转动的叶片不断搅动热水，水温升高
D.叶片在热水中吸收的热量一定大于在空气中释放的热量
√
叶片进入水中后吸热，形状发生改变而搅动热水，由能量守恒定律可知，转轮转动所需能量来源于热水，热水温度会降低，故A、B、C错误；由能量守恒定律可知，叶片吸收的热量一部分转化为叶片的弹性势能，一部分释放于空气中，故D正确。
返回
课堂回眸
课时测评
1.压力锅结构如图所示，盖好锅盖，将压力阀套在出气孔上，对压力锅加热，当锅内气体压强达到一定值时，气体就把压力阀顶起。假定在压力阀被顶起时，停止加热。若在一次放气过程中，锅内气体外界做功为1.5 J，并向外界释放了2.5 J的热量，则下列说法正确的是
A.锅内原有气体的内能没有发生变化
B.锅内原有气体的内能增加了3 J
C.锅内原有气体的内能减少了3 J
D.锅内原有气体的内能减少了4 J
√
根据热力学第一定律可知ΔU＝Q＋W＝－2.5 J＋(－1.5 J)＝－4 J，即锅内原有气体的内能减少了4 J，故D正确。
2.如图所示，现用活塞压缩封闭在汽缸内的空气，活塞对空气做了90 J的功，汽缸内空气的内能增加了69 J。关于汽缸内空气与外界热量交换的情况，下列说法正确的是
A.汽缸内的空气向外界散热159 J
B.汽缸内的空气向外界散热21 J
C.汽缸内的空气从外界吸热159 J
D.汽缸内的空气从外界吸热21 J
√
根据题意，由热力学第一定律可得Q＝ΔU－W＝69 J－90 J＝－21 J，即汽缸内的空气向外界散热21 J。故选B。
3.(多选)下列说法正确的是
A.随着科技的发展，第一类永动机是可以制成的
B.在低速运动时，宏观物体的运动遵从牛顿运动定律
C.“既要马儿跑，又让马儿不吃草”违背了能量守恒定律，因而是不可能的
D.有种“全自动”手表，不用上发条，也不用任何形式的电源，却能一直走动，说明能量可以凭空产生
√
√
第一类永动机违反了能量守恒定律，不可能制成，A错误；牛顿运动定律适用于宏观、低速的运动，B正确；“既要马儿跑，又让马儿不吃草”违背了能量守恒定律，因而是不可能的，C正确；由能量守恒定律可知，能量是不会凭空产生的，D错误。
4.如图所示，密闭导热汽缸被活塞分成左、右两室，起初左室气体压强小于右室，现让活塞缓慢移动直至两室理想气体压强相等，期间环境温度始终不变，则此过程中
A.左室气体吸热，右室气体放热
B.左室气体放热，右室气体吸热
C.左、右室气体均吸热
D.左、右室气体均放热
√
左室气体压强变大，体积减小，W左＞0；右室气体压强变小，体积增大，W右＜0。环境温度始终不变，ΔU＝0，根据热力学第一定律可得ΔU＝Q左＋W左，ΔU＝Q右＋W右，可得Q左＜0，Q右＞0，即左室气体放热，右室气体吸热。故选B。
5.(2025·北京通州高二期末)一定质量的理想气体等压膨胀，下列说法正确的是
A.气体的温度降低 B.气体从外界吸热
C.气体的内能减少 D.外界对气体做功
√
根据盖－吕萨克定律可知，一定质量的理想气体等压膨胀过程中温度一定升高，则气体内能增大，即ΔU＞0；由于体积增大，则气体对外界做功，即W＜0；根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W得Q＞0，故气体从外界吸热。故选B。
6.夏天，从湖底形成的一个气泡，在缓慢上升到湖面的过程中没有破裂。若越接近水面， 湖水的温度越高，大气压没有变化，将气泡内的气体看作理想气体。则上升过程中，以下说法正确的是
A.气泡内气体的内能可能不变
B.气泡上升过程中可能会放热
C.气泡内气体的压强增大
D.气泡内分子对气泡壁单位面积的撞击力变小
√
根据题意可知，越往上温度越高，故气泡温度升高，内能变大，故A错误；气泡内气体的压强p＝p0＋ρgh，深度h减小，气泡内气体压强减小，气泡体积变大，外界对气体做负功，W＜0，气泡内气体内能增大，ΔU＞0，根据ΔU＝Q＋W可知Q＞0，故气泡内气体吸热，故B、C错误；气泡内气体压强减小，根据F＝pS可知，气泡内分子对气泡壁单位面积的撞击力减小，故D正确。
7.如图所示为某品牌的气压式椅子，其主要构造由汽缸、活塞及汽
缸内的封闭气体组成，汽缸及活塞为导热材料制成。人坐下时，向
下压活塞，使气体体积减小；人离开椅子后，汽缸内的气体体积增
大将椅子顶起。假设汽缸内的气体可视为理想气体，周围环境温度
及大气压恒定，则下列说法正确的是
A.人迅速坐下时，汽缸内气体的温度一定不变
B.人坐在椅子上不动，当环境温度降低，气体的压强将减小
C.人离开椅子后，足够长时间内，汽缸内的气体对外做的功的大小一定等于气体吸收的热量
D.人离开椅子后，汽缸内气体吸收的热量一定比对外做的功少，否则违背了热力学第一定律
√
人迅速坐下时，外界对气体做功，气体还没来得及与外界进行
充分的热交换，所以汽缸内气体的温度升高，故A错误；人坐
在椅子上不动，由于人处于平衡状态，所以气体的压强不发生
变化，故B错误；人离开椅子后，经过足够长时间，汽缸内气
体的温度和外界温度相等，可知气体的内能变化量为0，气体体积增大，则气体对外界做功，由热力学第一定律ΔU＝Q＋W可知，汽缸内的气体对外界做功的大小一定等于气体吸收的热量，故C正确，D错误。
8.如图所示，密闭绝热容器内有一绝热的具有一定质量的活塞，
活塞的上部封闭着气体，下部为真空，活塞与器壁间的摩擦忽略
不计。置于真空中的轻弹簧一端固定于容器的底部，另一端固定
在活塞上，弹簧被压缩后用绳扎紧，此时弹簧的弹性势能为Ep(弹
簧处在原长时的弹性势能为零)。现绳突然断开，弹簧推动活塞向上运动，经过多次往复运动后活塞静止，气体达到平衡状态。经过此过程
A.Ep全部转化为气体的内能
B.Ep一部分转化成活塞的重力势能，其余部分仍为弹簧的弹性势能
C.Ep全部转化成活塞的重力势能和气体的内能
D.Ep一部分转化成活塞的重力势能，一部分转化为气体的内能，其余部分仍为弹簧的弹性势能
√
当绳子突然断开时，活塞受弹簧的弹力F、重力G、封闭
气体对活塞向下的压力F'共同作用，合力方向向上，经多
次往复运动后活塞静止时，活塞处于平衡状态，气体体积
必定减小，外力对气体做功，由于容器绝热，则气体的内
能增加，而活塞最终的静止位置比初始位置高，其重力势能增加，弹力与另外两个力的合力平衡，弹簧仍有形变量。设最终弹簧的弹性势能为Ep'，由能量守恒定律得Ep＝Ep'＋ΔEp(活塞增加的重力势能)＋ΔE(气体增加的内能)，故D正确。
9.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.乙给甲传递热量，乙的内能增加
D.乙的内能增加，甲的内能不变
√
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，所以乙将给甲传递热量，甲、乙两部分气体的温度最终相同，均高于初态温度，所以甲、乙的内能均增加，故C正确。
10.(多选)(2025·山西太原高二期末)用活塞压缩密封在汽缸里的空气(视为理想气体)，对空气做了900 J的功，同时汽缸向外散热210 J。对于汽缸里压缩后的空气，下列选项正确的是
A.空气的分子势能增大
B.每个空气分子的动能都变大
C.空气温度升高，内能增加690 J
D.空气分子单位时间内与汽缸壁单位面积上的碰撞次数增加
√
√
汽缸内的空气视为理想气体，则分子势能为零，故A错误；外界对空气做了900 J的功，同时汽缸向外散热210 J，根据热力学第一定律可知ΔU＝W＋Q＝900 J－210 J＝690 J，内能增加，温度升高，分子平均动能增加，但不是每个空气分子的动能都变大，故B错误，C正确；温度升高，空气分子平均速率增加，气体体积减小，分子数密度增加，气体压强变大，则空气分子单位时间内与汽缸壁单位面积上的碰撞次数增加，故D正确。
11.(多选)如图为一消毒水简易喷洒装置，内部装有一定量的水，水上部是密封的空气，喷洒口管径细小。现保持阀门紧闭，通过打气筒再充入一些空气。设所有过程温度保持不变，下列说法正确的有(空气视为理想气体)
A.充气后，密封气体分子单位时间内撞击器壁的次数增多
B.充气后，密封气体的分子平均动能增大
C.打开阀门后，密封气体对外界做正功
D.打开阀门后，密封气体从外界吸热
√
√
√
充气后，温度不变，密封气体的分子平均动能不变，分
子数增多，体积不变，密封气体分子单位时间内撞击器
壁的次数增多，气体压强增大，大于外界大气压；打开
阀门后，密封气体对外界做正功，又温度不变，故内能
不变，由热力学第一定律可知，密封气体从外界吸热，故A、C、D正确，B错误。
12.如图所示，容器A、B各有一个可以自由移动的轻活塞，活塞下面是水，上面是大气，大气压恒定。A、B的底部由带有阀门K的管道相连，整个装置与外界绝热。起初，A中水面比B中的高，打开阀门，使A中的水逐渐流向B中，最后达到平衡。在这个过程中，下列说法正确的是
A.大气压力对水做功，水的内能减小
B.水克服大气压力做功，水的内能减小
C.大气压力对水不做功，水的内能不变
D.大气压力对水不做功，水的内能增加
√
平衡前，A容器中的活塞向下移动，设A中活塞横截面积
为S1，移动距离为l1，大气压力推动A中活塞向下移动时
对水做的功WA＝p0S1l1；平衡前，B容器中的活塞向上移
动，设B中活塞横截面积为S2，移动距离为l2，水通过活
塞对外界做功，WB＝－p0S2l2，由于水的总体积不变，则有S1l1＝S2l2，即A容器中大气压力对水做的功与B容器中水克服大气压力做的功相等，在整个过程中，大气压力对水做的功是上述两个功(正功WA、负功WB)的代数和，即WA＋WB＝p0S1l1－p0S2l2＝0，A、B错误；大气压力对水不做功，同时整个装置与外界绝热，在水从容器A流向容器B的过程中，水的重心下降，水的重力做正功，水的重力势能减小，根据能量守恒定律可知，减少的水的重力势能转化为水的内能，水的内能增加，C错误，D正确。
13.(多选)如图所示，一足够长薄壁导热汽缸开口向下用轻绳悬挂在天花板上，汽缸的横截面积为S，不计厚度的活塞与汽缸之间无摩擦，活塞和汽缸之间封闭一定质量的理想气体，环境温度不变。活塞稳定时距汽缸底部的距离为l，在活塞的底部中心悬挂一个轻质小桶，往小桶中缓慢加细沙，当所加细沙质量为m时，活塞距汽缸底部的距离为2l，下列说法正确的是
A.外界对气体做功
B.气体对外界做功
C.气体放出热量
D.气体吸收热量
√
√
根据题意可知，气体体积变大，气体对外界做功，又汽缸导热，温度不变，气体的内能不变，根据热力学第一定律可知，气体从外界吸收热量。故选BD。
14.(8分)一定质量的气体从外界吸收了4.2×105 J的热量，同时气体对外做了6×105 J的功，则：
(1)气体的内能改变了多少？
答案：减少了1.8×105 J　
气体从外界吸热，则Q＝4.2×105 J
气体对外做功，则W＝－6×105 J
由热力学第一定律可得ΔU＝Q＋W＝4.2×105 J＋(－6×105 J)＝－1.8×105 J
所以，气体的内能减少了1.8×105 J。
(2)气体分子势能是增加还是减少？
答案：增加
因为气体对外做功，所以气体的体积膨胀，分子间的距离增大了，分子间作用力做负功，气体分子势能增加了。
(3)气体分子的平均动能是增加还是减少？
答案：减少
因为气体内能减少，同时气体分子势能增加，说明气体分子的平均动能减少了。
返回
谢 谢 观 看
2.热力学第一定律　3.能量守恒定律

展开更多......

收起↑