2024－2024學(xué)年高中物理第三章熱力學(xué)第一定律第二節(jié)熱力學(xué)第一定律講義含解析粵教版選修3-3

PAGE8-熱力學(xué)第肯定律1．熱力學(xué)第肯定律的表達(dá)式為ΔU＝Q＋W，它不僅反映了做功和熱傳遞這兩種變更內(nèi)能方式的等效性，也給出了功、熱量跟內(nèi)能變更量的定量關(guān)系。2．應(yīng)用熱力學(xué)第肯定律進(jìn)行計算時，要遵循各物理量的符號規(guī)定，Q>0，表示物體汲取熱量，W>0表示外界對物體做功，ΔU>0，表示內(nèi)能增加，當(dāng)它們?yōu)樨?fù)值時，都分別表示各自的相反過程。3．在解決志向氣體的等壓膨脹過程問題時，熱力學(xué)第肯定律中各物理量符號為，W<0，ΔU>0，Q>0，等壓壓縮時符號相反，在等容過程中，W＝0，ΔU＝Q，在等溫過程中，ΔU＝0，W＝－Q。4．將打氣筒的出氣口堵住，用力將活塞下壓，若對氣體做功10J，氣體通過筒壁向外放熱1卡，則氣體的內(nèi)能變更了5.82J(1卡＝4.18焦)。熱力學(xué)第肯定律1.熱力學(xué)第肯定律的探討對象探討功、熱量跟內(nèi)能的變更之間的定量關(guān)系。2．熱力學(xué)第肯定律的內(nèi)容及公式(1)內(nèi)容：假如物體跟外界同時發(fā)生做功和熱傳遞過程，那么，物體內(nèi)能的增加ΔU就等于物體汲取的熱量Q和外界對物體做的功W之和。(2)公式：ΔU＝W＋Q3．對熱力學(xué)第肯定律的理解(1)熱力學(xué)第肯定律不僅反映了做功和熱傳遞這兩種變更內(nèi)能的過程是等效的，而且給出了內(nèi)能的變更量和做功與熱傳遞之間的定量關(guān)系，此定律是標(biāo)量式，應(yīng)用時熱量的單位應(yīng)統(tǒng)一為國際單位制中的焦耳。(2)對公式ΔU＝Q＋W符號的規(guī)定：符號WQΔU＋外界對物體做功物體汲取熱量內(nèi)能增加－物體對外界做功物體放出熱量內(nèi)能削減(1)在絕熱過程中，Q＝0，W＝ΔU，外界對物體做的功等于物體內(nèi)能的增加。(2)在應(yīng)用熱力學(xué)第肯定律的過程中，應(yīng)特殊分清W、Q的正、負(fù)，以便更精確地推斷ΔU的正、負(fù)，ΔU的正、負(fù)代表了變更過程中內(nèi)能是增加的還是削減的。1．下列說法正確的是()A．物體放出熱量，其內(nèi)能肯定減小B．物體對外做功，其內(nèi)能肯定減小C．物體汲取熱量，同時對外做功，其內(nèi)能可能增加D．物體放出熱量，同時對外做功，其內(nèi)能可能不變解析：選C由熱力學(xué)第肯定律ΔU＝W＋Q可知，若物體放出熱量，外界對物體做正功，則ΔU不肯定為負(fù)值，即內(nèi)能不肯定減小，故A項錯誤；同理可分析出，B項和D項錯誤，C項正確。熱力學(xué)第肯定律應(yīng)用舉例1.志向氣體的等壓過程如圖所示是肯定質(zhì)量氣體的等壓線，若氣體從狀態(tài)A變更到狀態(tài)B，該過程是等壓膨脹過程，V2>V1，T2>T1，體積增大，氣體對外做功，W<0，但志向氣體的內(nèi)能僅取決于溫度，溫度上升，內(nèi)能增大，ΔU>0，則由熱力學(xué)第肯定律有Q＝ΔU－W>0，氣體汲取熱量，汲取的熱量一部分用來增加氣體的內(nèi)能，一部分轉(zhuǎn)化為對外所做的功。若氣體從狀態(tài)B變更到狀態(tài)A，該過程為等壓壓縮，應(yīng)有W>0，ΔU<0，Q＝ΔU－W<0，這說明氣體放出的熱量等于外界對氣體所做的功與氣體內(nèi)能減小量的和。2．志向氣體的等容過程等容過程中，體積V不變，W＝0，則由熱力學(xué)第肯定律有ΔU＝Q，若溫度上升時，氣體汲取的熱量全部用來增加氣體的內(nèi)能，反之，氣體放出的熱量等于氣體內(nèi)能的削減。3．志向氣體的等溫過程等溫過程中內(nèi)能不變，即ΔU＝0，由熱力學(xué)第肯定律有W＝－Q，若氣體等溫壓縮，則W>0，Q<0，氣體放出熱量，外界對氣體所做的功全部轉(zhuǎn)換為放出的熱量，若氣體等溫膨脹，W<0，Q>0，氣體汲取熱量，汲取的熱量全部用來對外做功。(1)做功狀況往往和物體的體積變更相聯(lián)系，一般狀況下，體積增大時，對外做功，W<0，體積減小時，外界對物體做功，W>0。(2)氣體的狀態(tài)變更時，往往要用到氣體的試驗定律幫助分析體積和溫度的變更狀況，從而得到做功狀況和內(nèi)能的變更狀況。2．[多選](2024·全國卷Ⅱ)如圖，用隔板將一絕熱汽缸分成兩部分，隔板左側(cè)充有志向氣體，隔板右側(cè)與絕熱活塞之間是真空?，F(xiàn)將隔板抽開，氣體會自發(fā)擴散至整個汽缸。待氣體達(dá)到穩(wěn)定后，緩慢推壓活塞，將氣體壓回到原來的體積。假設(shè)整個系統(tǒng)不漏氣。下列說法正確的是()A．氣體自發(fā)擴散前后內(nèi)能相同B．氣體在被壓縮的過程中內(nèi)能增大C．在自發(fā)擴散過程中，氣體對外界做功D．氣體在被壓縮的過程中，外界對氣體做功E．氣體在被壓縮的過程中，氣體分子的平均動能不變解析：選ABD抽開隔板，氣體自發(fā)擴散過程中，氣體對外界不做功，與外界沒有熱交換，因此氣體的內(nèi)能不變，A項正確，C項錯誤；氣體在被壓縮的過程中，外界對氣體做功，D項正確；由于氣體與外界沒有熱交換，依據(jù)熱力學(xué)第肯定律可知，氣體在被壓縮的過程中內(nèi)能增大，因此氣體的溫度上升，氣體分子的平均動能增大，B項正確，E項錯誤。對熱力學(xué)第肯定律的理解[例1]一個帶活塞的汽缸內(nèi)盛有肯定量的氣體，若此氣體的溫度隨其內(nèi)能的增大而上升，則()A．將熱量傳給氣體，其溫度必上升B．壓縮氣體，其溫度上升C．壓縮氣體，同時氣體向外界放熱，其溫度必不變D．壓縮氣體，同時將熱量傳給氣體，其溫度必上升[解析]做功和熱傳遞是變更物體內(nèi)能的兩種方式，據(jù)熱力學(xué)第肯定律ΔU＝Q＋W可知，單一的對氣體做功或氣體汲取熱量，其內(nèi)能不肯定增加，但當(dāng)氣體既被壓縮又同時吸熱時，內(nèi)能肯定增加，溫度肯定上升。故選項D正確。[答案]D借題發(fā)揮做功和熱傳遞在變更物體內(nèi)能上是等效的，且它們可以同時進(jìn)行，它們都可以使系統(tǒng)內(nèi)能增加或削減，即溫度上升或降低，也可以是一種方式使系統(tǒng)內(nèi)能增加，另一種方式使系統(tǒng)內(nèi)能削減，總之要看這兩種方式的共同作用結(jié)果。熱力學(xué)第肯定律的應(yīng)用[例2][多選](2024·全國卷Ⅲ)如圖，肯定質(zhì)量的志向氣體從狀態(tài)a動身，經(jīng)過等容過程ab到達(dá)狀態(tài)b，再經(jīng)過等溫過程bc到達(dá)狀態(tài)c，最終經(jīng)等壓過程ca回到初態(tài)a。下列說法正確的是()A．在過程ab中氣體的內(nèi)能增加B．在過程ca中外界對氣體做功C．在過程ab中氣體對外界做功D．在過程bc中氣體從外界汲取熱量E．在過程ca中氣體從外界汲取熱量[解析]ab過程中氣體壓強增大，體積不變，則溫度上升，內(nèi)能增加，A項正確；ab過程發(fā)生等容變更，氣體對外界不做功，C項錯誤；肯定質(zhì)量的志向氣體內(nèi)能僅由溫度確定，bc過程發(fā)生等溫變更，內(nèi)能不變，bc過程中氣體體積增大，氣體對外界做正功，依據(jù)熱力學(xué)第肯定律可知氣體從外界汲取熱量，D項正確；ca過程發(fā)生等壓變更，氣體體積減小，外界對氣體做功，B項正確；ca過程中氣體溫度降低，內(nèi)能減小，外界對氣體做功，依據(jù)熱力學(xué)第肯定律可知氣體向外界放熱，E項錯誤。[答案]ABD借題發(fā)揮熱力學(xué)第肯定律的考查一般與氣體的試驗定律相結(jié)合，在進(jìn)行計算時，除特殊留意各物理量的正、負(fù)外，還要留意等壓過程中壓力做的功的求法，因等壓過程中，氣體壓力恒定，壓力所做功相當(dāng)于恒力做功，即W＝pSΔL＝pΔV。1．關(guān)于物體的內(nèi)能及其變更，以下說法正確的是()A．物體的溫度變更時，其內(nèi)能必定變更B．物體對外做功，其內(nèi)能不肯定變更，向物體傳遞熱量，其內(nèi)能也不肯定變更C．物體對外做功，其內(nèi)能必定變更，物體向外傳出肯定熱量，其內(nèi)能必定變更D．若物體與外界不發(fā)生熱交換，則物體的內(nèi)能必定不變更解析：選B溫度變更物體的分子動能變更，但內(nèi)能可能不變，A錯；變更內(nèi)能有兩種方式：做功和熱傳遞，由熱力學(xué)第肯定律可知B正確，C、D錯。2．[多選](2024·全國卷Ⅲ)關(guān)于氣體的內(nèi)能，下列說法正確的是()A．質(zhì)量和溫度都相同的氣體，內(nèi)能肯定相同B．氣體溫度不變，整體運動速度越大，其內(nèi)能越大C．氣體被壓縮時，內(nèi)能可能不變D．肯定量的某種志向氣體的內(nèi)能只與溫度有關(guān)E．肯定量的某種志向氣體在等壓膨脹過程中，內(nèi)能肯定增加解析：選CDE氣體的內(nèi)能由物質(zhì)的量、溫度和體積確定，質(zhì)量和溫度都相同的氣體，內(nèi)能可能不同，A錯誤。內(nèi)能與物體的運動速度無關(guān)，B錯誤。氣體被壓縮時，同時對外傳熱，依據(jù)熱力學(xué)第肯定律知內(nèi)能可能不變，C正確?？隙康哪撤N志向氣體的內(nèi)能只與溫度有關(guān)，D正確。依據(jù)志向氣體狀態(tài)方程，肯定量的某種志向氣體在壓強不變的狀況下，體積變大，則溫度肯定上升，內(nèi)能肯定增加，E正確。3.[多選]如圖，一絕熱容器被隔板K隔成a、b兩部分。已知a內(nèi)有肯定量的淡薄氣體，b內(nèi)為真空，抽開隔板K后a內(nèi)氣體進(jìn)入b，最終達(dá)到平衡狀態(tài)。在此過程中()A．氣體對外界做功，內(nèi)能削減B．氣體不做功，內(nèi)能不變C．氣體壓強變小，溫度降低D．氣體壓強變小，溫度不變解析：選BD絕熱容器的淡薄氣體與外界沒有熱傳遞，Q＝0，淡薄氣體向真空擴散沒有做功，W＝0。依據(jù)熱力學(xué)第肯定律淡薄氣體的內(nèi)能不變，則溫度不變，A、C錯誤，B正確。淡薄氣體擴散體積增大，壓強必定減小，D正確。4.如圖是密閉的氣缸，外力推動活塞P壓縮氣體，對缸內(nèi)氣體做功800J，同時氣體向外界放熱200J，缸內(nèi)氣體的()A．溫度上升，內(nèi)能增加600JB．溫度上升，內(nèi)能削減200JC．溫度降低，內(nèi)能增加600JD．溫度降低，內(nèi)能削減200J解析：選A由熱力學(xué)第肯定律，ΔU＝Q＋W＝－200J＋800J＝600J，內(nèi)能增加600J，則溫度肯定上升，A正確。5.如圖所示，某同學(xué)將空的薄金屬筒開口向下壓入水中。設(shè)水溫勻稱且恒定，筒內(nèi)空氣無泄漏，不計氣體分子間的相互作用，則被沉沒的金屬筒在緩慢下降的過程中，筒內(nèi)空氣的體積減小并且()A．從外界吸熱 B．內(nèi)能增大C．向外界放熱 D．內(nèi)能減小解析：選C筒緩慢下降過程是等溫過程，氣體體積減小，外界對氣體做正功，W為正，又因為不計氣體分子間的相互作用，氣體內(nèi)能僅由溫度確定，溫度不變，ΔU＝0，由熱力學(xué)第肯定律W＋Q＝ΔU，知Q＝ΔU－W，因此，Q為負(fù)值，即向外界放熱。故C正確。6．密閉有空氣的薄塑料瓶因降溫而變扁，此過程中瓶內(nèi)空氣(不計分子勢能)()A．內(nèi)能增大，放出熱量B．內(nèi)能減小，汲取熱量C．內(nèi)能增大，對外界做功D．內(nèi)能減小，外界對其做功解析：選D不計分子勢能時瓶內(nèi)空氣的內(nèi)能只與其溫度有關(guān)，溫度降低時其內(nèi)能減小。塑料瓶變扁時瓶內(nèi)空氣體積減小，外界對其做功。再由熱力學(xué)第肯定律知此過程中瓶內(nèi)空氣要放出熱量，故只有D正確。7．給旱區(qū)送水的消防車停于水平面，在緩緩放水的過程中，若車胎不漏氣，胎內(nèi)氣體溫度不變，不計分子勢能，則胎內(nèi)氣體()A．從外界吸熱 B．對外界做負(fù)功C．分子平均動能削減 D．內(nèi)能增加解析：選A胎內(nèi)氣體經(jīng)驗了一個溫度不變，壓強減小，體積增大的過程。不計分子勢能，溫度不變，分子平均動能和內(nèi)能不變。體積增大氣體對外界做正功。依據(jù)熱力學(xué)第肯定律知氣體肯定從外界吸熱，A正確。8．[多選]如圖，水平放置的密封氣缸內(nèi)的氣體被一豎直隔板分隔為左右兩部分，隔板可在氣缸內(nèi)無摩擦滑動，右側(cè)氣體內(nèi)有一電熱絲。氣缸壁和隔板均絕熱。初始時隔板靜止，左右兩邊氣體溫度相等。現(xiàn)給電熱絲供應(yīng)一微弱電流，通電一段時間后切斷電源。當(dāng)缸內(nèi)氣體再次達(dá)到平衡時，與初始狀態(tài)相比()A．右邊氣體溫度上升，左邊氣體溫度不變B．左右兩邊氣體溫度都上升C．左邊氣體壓強增大D．右邊氣體內(nèi)能的增加量等于電熱絲放出的熱量解析：選BC當(dāng)電熱絲通電后，右邊的氣體溫度上升氣體膨脹，將隔板向左推，對左邊的氣體做功，依據(jù)熱力學(xué)第肯定律，內(nèi)能增加，氣體的溫度上升。依據(jù)氣體定律左邊的氣體壓強增大，A錯誤，B、C正確；右邊氣體內(nèi)能的增加值為電熱絲發(fā)出的熱量減去對左邊的氣體所做的功，D錯。9．[多選](2024·江蘇高考)肯定質(zhì)量的志向氣體從狀態(tài)A經(jīng)過狀態(tài)B變更到狀態(tài)C，其V-T圖像如圖所示。下列說法正確的有()A．A→B的過程中，氣體對外界做功B．A→B的過程中，氣體放出熱量C．B→C的過程中，氣體壓強不變D．A→B→C的過程中，氣體內(nèi)能增加解析：選BC由題圖可知，從A到B氣體的體積減小，外界對氣體做功，A項錯誤；從A到B過程氣體的溫度不變，內(nèi)能不變，依據(jù)熱力學(xué)第肯定律可知，氣體放出熱量，B項正確；從B到C過程中eq\f(V,T)是一個常數(shù)，氣體發(fā)生的是等壓變更，氣體的溫度降低，內(nèi)能削減，C項正確，D項錯誤。10.[多選]如圖所示，密閉氣缸左側(cè)導(dǎo)熱，其余部分絕熱性能良好，絕熱輕活塞K把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，兩部分中分別充有相同質(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視，當(dāng)外界環(huán)境溫度緩慢降低到某一值后，a、b各自達(dá)到新的平衡()A．a(chǎn)的體積減小了，壓強降低了B．b的溫度降低了C．散失熱量后a的分子熱運動比b的分子熱運動激烈D．a(chǎn)削減的內(nèi)能小于b削減的內(nèi)能解析：選AB由于左側(cè)導(dǎo)熱，導(dǎo)致a部分內(nèi)能減小，對擋板K的分子作用力變小，擋板向左運動，a的體積減小了；同時，b部分氣體膨脹，壓強變小，此時a、b兩部分壓強相同，A正確。b部分氣體膨脹，對外做功，內(nèi)能減小，溫度降低，B正確。擋板受力平衡，a體積小，單位時間內(nèi)碰撞擋板的分子數(shù)多，a部分單個分子的平均動能小于b部分的，就是說散失熱量后a的分子熱運動沒有b的分子熱運動激烈，C錯。同理，溫度是氣體分子平均動能的標(biāo)記，a的內(nèi)能小于b的內(nèi)能，D錯。11．若對物體做1200J的功，可使物體溫度上升3℃，改用熱傳遞的方式，使物體溫度同樣上升3℃，那么物體應(yīng)汲取多少熱量？假如對該物體做3000J的功，物體的溫度上升5℃，表明該過程中，物體應(yīng)汲取或