第三章

熱力學定律第一節(jié)

熱力學第一定律粵教版（2019）高中物理選擇性必修第三冊一、物體的內(nèi)能彈簧具有彈性勢能，彈簧沒有形變時，彈力為零，彈性勢

能最小；拉伸或壓縮彈簧時，必須克服彈簧的彈力做功，彈簧的彈性勢能增大。類似地，由于分子間存在相互作用力，分子間具有由它們的相對位置決定的勢能，取無窮遠處分子間勢能為零，則兩分子間的勢能和分子間距的關(guān)系如圖所示。當分子間的距離為平衡間距時，分子間的作用力為零，分圖3-1-1兩分子間的子勢能最小；改變分子間距，則必須克服分子間的引力或斥力做功，分子勢能增大。另外，物體內(nèi)部的分子由于做熱運動還具有分子動能。我們把物體中所有分子的動能和分子勢能的總和，叫作物體的內(nèi)能。【理論·總結(jié)】物體的內(nèi)能跟物體的溫度和體積都有關(guān)系。溫度變化，分子動能改變，因而物體的內(nèi)能發(fā)生變化；體積變化時，分子間距改變，分子勢能發(fā)生變化，因而物體的內(nèi)能發(fā)生變化。二、改變物體內(nèi)能的兩種方式日常生活和生產(chǎn)中做功改變物體內(nèi)能的例子很多。例如，擦火柴時，我們克服摩擦力做功，火柴頭內(nèi)能增加，溫度升高，引發(fā)一系列化學反應(yīng)使火柴燃燒起來，如圖所示；用鋸子鋸木頭，我們克服摩擦力做功，鋸條和木頭溫度升高，內(nèi)能增加。這類“摩擦生熱”的現(xiàn)象，實際上是因為做功而改變物體的內(nèi)能。下面觀察兩個氣體做功使內(nèi)能改變的實驗。【實驗·探究1】1.如圖3-1-3所示，在一個厚壁的玻璃筒里放一小塊浸有乙醚的棉花，迅速壓下活塞，能觀察到什么現(xiàn)象？【實驗·探究2】2.如圖3-1-4所示，在長圓柱形厚壁容器的一端通過膠塞插進一支靈敏溫度計和一根氣針，另一端用卡子卡住一個可移動的膠塞。用打氣筒慢慢向容器打氣，增大容器內(nèi)的壓強。當容器內(nèi)的壓強增大到一定程度時，打開卡子，氣體沖開膠塞，可以從靈敏溫度計觀察到容器的溫度會發(fā)生什么變化？【實驗·總結(jié)】上述實驗中的氣體由于壓強不大，溫度在常溫范圍內(nèi)，因此均可視為理想氣體。理想氣體分子間距較大，可忽略分子間的相互作用力，即忽略分子間勢能。所以理想氣體內(nèi)能只跟溫度有關(guān)，與體積無關(guān)。上述實驗表明，氣體被壓縮時，活塞對筒內(nèi)的氣體做功，氣體的溫度升高，內(nèi)能增加；氣體膨脹對外做功，氣體的溫度下降，內(nèi)能減小。氣體被壓縮或膨脹時做功，氣體的內(nèi)能就發(fā)生變化。做功可以改變物體的內(nèi)能。但是，做功并不是改變物體內(nèi)能的唯一方式。例如，將灼熱的小鐵塊放入一盆水中，鐵塊的溫度降低，內(nèi)能減少；水的溫度升高，內(nèi)能增加。這個過程是通過熱傳遞來實現(xiàn)的。由此可見，熱傳遞也可以改變物體的內(nèi)能，熱傳遞過程中物體內(nèi)能變化的量稱為熱量。習慣上我們所說的“物體吸熱(或放熱)多少”，實際上是指熱傳遞使物體的內(nèi)能增加（或減少）多少。我們可以用加熱（熱傳遞）的方法使一根鐵棒的溫度升高，也可以用摩擦生熱（做功）的方法使它升高同樣的溫度。所以，對于改變物體的內(nèi)能來說，熱傳遞和做功是等效的，都是改變物體內(nèi)能的方式。但二者仍有區(qū)別，做功的實質(zhì)是內(nèi)能與其他形式的能之間的轉(zhuǎn)化，而熱傳遞則是不同物體（或同一物體不同部分）之間內(nèi)能的轉(zhuǎn)移。二、熱力學第一定律及其應(yīng)用一個物體，如果它和外界不發(fā)生熱傳遞，則外界對物體所做的功W等于物體內(nèi)能的增加量?U；如果外界對物體沒有做功，則物體吸收的熱量Q等于物體內(nèi)能的增加量△U；如果外界同時對物體做功和進行熱傳遞，則物體內(nèi)能的增加量?U就等于物體吸收的熱量Q和外界對物體做的功W之和。即

?U=Q+W上式表示功、熱量和內(nèi)能改變量間的定量關(guān)系，在物理學中叫作熱力學第一定律。【討論·交流】我們知道，外界既可以對物體做正功，也可以對物體做負功；物體既可以從外界吸熱，也可能向外界放熱；物體的內(nèi)能可能增加，也可能減少。根據(jù)熱力學第一定律的物理意義，如何規(guī)定Q、W和△U的符號，才能全面反映功、熱量和內(nèi)能改變量間的定量關(guān)系？Q>0表示

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1.如圖甲，豎直放置導(dǎo)熱性能良好的密閉矩形容器中，一活塞上下各封閉一定質(zhì)量的理想氣體A和B，它們的溫度相同，活塞重力不可忽略并可在密閉容器中無摩擦滑動，此時活塞處于靜止狀態(tài)，理想氣體A和B在體積不變下的p-T圖像如圖乙所示，則以下說法正確的是（）A．圖乙中圖線Ⅰ表示在體積不變下的理想氣體A的p-T圖像B．封閉的理想氣體A的體積一定大于理想氣體B的體積C．若環(huán)境溫度升高，活塞一定向上移動D．若環(huán)境溫度升高，理想氣體B一定釋放熱量C課堂練習C2.下列說法正確的是（

）A．兩個鄰近的分子之間的作用力變大時，分子間距一定減小B．水蒸氣的實際壓強越大，空氣的相對濕度就越大C．制作晶體管、集成電路只能用單晶體，不能用多晶體D．由于可以從單一熱源吸收熱量全部用來做功，所以熱機效率可以達到100%3.如圖所示，一定量的理想氣體從狀態(tài)A開始，經(jīng)歷兩個過程，先后到達狀態(tài)B和C，下列說法正確的是（）A．狀態(tài)A和狀態(tài)B溫度相同，狀態(tài)C溫度最高B．狀態(tài)B和狀態(tài)C溫度相同，狀態(tài)A溫度最高C．從狀態(tài)A到狀態(tài)B溫度升高，氣體對外界做功，不斷吸熱D．從狀態(tài)B到狀態(tài)C溫度升高，氣體對外界做功，不斷吸熱C

4.下列說法正確的是（）A．氣體膨脹對外做功，其內(nèi)能一定減小B．內(nèi)能是物體中所有分子熱運動動能的總和C．氣體溫度升高，分子的平均動能有可能不變D．水中花粉顆粒的布朗運動是由水分子的無規(guī)則運動引起的D5.如圖所示，氣缸和活塞與外界均無熱交換，中間有一個固定的導(dǎo)熱性良好的隔板，封閉著兩部分氣體A和B，活塞處于靜止平衡狀態(tài)。現(xiàn)通過電熱絲對氣體A加熱一段時間，后來活塞達到新的平衡，不計氣體分子勢能，不計活塞與氣缸壁間的摩擦，大氣壓強保持不變，則下列判斷正確的是（）A．氣體A吸熱，內(nèi)能增加B．氣體B吸熱，對外做功，內(nèi)能不變C．氣體A分子的平均動能增大D．氣體B分子單位時間內(nèi)對器壁單位面積碰撞次數(shù)增大A6.如圖所示，一定質(zhì)量的理想氣體從狀態(tài)a經(jīng)絕熱過程到達狀態(tài)b，再經(jīng)等容過程到達狀態(tài)c，最后經(jīng)等溫過程返回到狀態(tài)a。已知在b到c的過程中，氣體吸收熱量為10J。下列說法正確的是（）A．a(chǎn)到c過程，氣體對外界做功10J B．a(chǎn)到c過程，外界對氣體做功10JC．a(chǎn)到b過程，氣體對外界做功10J D．a(chǎn)到b過程，外界對氣體做功10JC7.如圖所示，一定質(zhì)量的理想氣體沿直線從狀態(tài)A變化到狀態(tài)B。已知在此過程中，氣體吸收了280J的熱量。則該理想氣體在此過程中（）A．每個氣體分子的動能均增大B．狀態(tài)B的熱力學溫度是狀態(tài)A的2倍C．外界對氣體做正功D．內(nèi)能增加180JD8.一定質(zhì)量的理想氣體密封在容器內(nèi)，其初狀態(tài)從A開始，經(jīng)B、C、D又回到初始狀態(tài)，變化過程如圖所示，其中DA直線反向延長通過坐標原點，AB和CD為雙曲線，BC平行于縱軸．下列說法正確的是（）A．DA直線反向延長過坐標原點，故其過程是等溫變化B．C到D過程放出的熱量大于外界對氣體做的功C．從微觀的角度講，BC過程壓強減小是由于分子平均動能減小D．氣體經(jīng)全過程回到A時，不吸熱也不放熱C9.如圖所示，絕熱隔板K把絕熱的氣缸分隔成體積相等的兩部分，K與氣缸壁的接觸是光滑的。兩部分中分別盛有相同質(zhì)量、相同溫度的同種氣體a和b。氣體分子之間相互作用勢能可忽略。現(xiàn)通過電熱絲對氣體a加熱一段時間后，a、b各自達到新的平衡（）A．a(chǎn)的體積增大，壓強變小B．b的體積減小，溫度不變C．a(chǎn)增加的內(nèi)能等于b增加的內(nèi)能D．加熱后a的分子熱運動比b的分子熱運動更激烈D10.一封閉容器中裝有一定質(zhì)量的理想氣體，容器壁與外界沒有熱量交換，當氣體被壓縮時，下列說法正確的是（）A．氣體壓強增大 B．氣體對外界做功C．氣體內(nèi)能不變 D．氣體溫度不變A課堂小結(jié)1.物體內(nèi)能的概念2.改變物體內(nèi)能的兩種方式（1）做功；（2）熱傳遞。3.熱力學第一定律及其應(yīng)用課堂訓練1.下列說法正確的是（

）A．氣體如果失去了容器的約束會散開，這是因為氣體分子熱運動的結(jié)果B．分子間同時存在著引力和斥力，當分子間距增加時，分子間的引力增大，斥力減小C．一定質(zhì)量的理想氣體，溫度升高，壓強不變，則單位時間撞到單位面積上的分子數(shù)減少D．恒溫水池中，小氣泡由底部緩慢上升過程中，氣泡中的理想氣體內(nèi)能不變，對外做功，吸收熱量E．當人們感到潮濕時，空氣的絕對濕度一定較大ACD課堂訓練2.某汽車后備箱內(nèi)安裝有撐起箱蓋的裝置，它主要由汽缸和活塞組成。開箱時，密閉于汽缸內(nèi)的壓縮氣體膨脹，將箱蓋頂起，如圖所示。在此過程中，若缸內(nèi)氣體與外界無熱交換，忽略氣體分子間相互作用，則缸內(nèi)氣體（）A．對外做正功B．氣體的溫度升高C．分子平均動能增大D．分子的平均動能減小AD課堂訓練3.如圖所示，固定氣缸側(cè)壁絕熱、底部導(dǎo)熱良好，活塞B、P絕熱，并可無摩擦滑動，活塞B將氣缸內(nèi)氣體分為甲、乙兩部分，現(xiàn)將活塞P緩慢向右拉動一段距離，則下列說法正確的是（

）A．甲氣體分子的平均動能減小B．甲氣體從外界吸熱C．甲氣體分子對器壁單位面積撞擊力不變D．乙氣體溫度降低E．甲氣體對乙氣體做功小于乙氣體對P做功BDE課堂訓練4.騎山地自行車成為一種流行的運動。這種自行車前輪有氣壓式減震裝置來抵抗顛簸，其原理如圖，隨著自行車的顛簸，活塞上下振動，在氣缸內(nèi)封閉氣體的作用下，起到延緩震動的目的，如果路面不平，下列關(guān)于該減震裝置的說法正確的是（）A．活塞迅速下壓時氣缸內(nèi)的氣體分子平均動能增大B．活塞迅速下壓時氣缸內(nèi)的氣體分子間分子力增大C．活塞迅速下壓時氣缸內(nèi)的氣體壓強增大D．活塞下壓后迅速反彈時氣缸內(nèi)氣體內(nèi)能增加E．活塞下壓后迅速反彈時氣缸內(nèi)有些氣體分子的速率增大ACE課堂訓練5.在斯特林循環(huán)的p-V圖像中，一定質(zhì)量的理想氣體從狀態(tài)a依次經(jīng)過狀態(tài)b、c和d后再回到狀態(tài)a，整個過程由兩個等溫過程和兩個等容過程組成，如圖甲所示；狀態(tài)c和狀態(tài)d時氣體分子熱運動速率的統(tǒng)計分布如圖乙所示。則下列說法正確的是（）A．從狀態(tài)a到狀態(tài)b，氣體的溫度升高B．從狀態(tài)b到狀態(tài)c，單位體積中的氣體分子數(shù)增多C．從狀態(tài)c到狀態(tài)d，氣體對外放熱D．狀態(tài)b時每個氣體分子的動能都比狀態(tài)a時的大E．狀