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1、3.2 热力学第一定律热力学第一定律改变内能的两种方式做功热传递对内对外（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）吸热放热内能减少内能增加内能减少内能增加绝热：U=W仅传热：U=Q如果做功和传热都发生那么内能如何变化绝热过程绝热过程仅传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，如果物体在跟外界同时发生做功和热传递的过程中，内能的变化内能的变化U与热量与热量Q及做的功及做的功W之间又有什么关系呢？之间又有什么关系呢？汽缸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
2、会比单一方式（做功或传热）更明显。这是为什么呢？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 压缩气体压缩气体，内能增大，给气体加热内能也是增大。两者叠加所以就更明显。，内能增大，给气体加热内能也是增大。两者叠加所以就更明显。另一方面另一方面也向我们表明，为了改变系统的状态，也向我们表明，为了改变系统的状态，做功做功和和传热传热这两种方法是等价的。也就是说，这两种方法是等价的。也就是说，一定数一定数量的功与确定数量的热相对应。量的功与确定数量的热相对应。一方面一方面表明，以表明，以不同的方式对系统做功不同的方式对系统做功时，只要时，只要系统系统始末两个状态是确定的始末两个状
3、态是确定的，做功的数量就是确定的；，做功的数量就是确定的；焦焦耳耳的的实实验验U=W单纯地对系统做功做功：单纯地对系统做功做功：单纯地对系统传热：单纯地对系统传热：UQ 当外界既对系统做功当外界既对系统做功又对系统传热时又对系统传热时，内能的变，内能的变化量就应该是：化量就应该是：UQ+W一、热力学第一定律一、热力学第一定律1、表述：、表述：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界对它所做的功的和.2、意义：、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热力学第一定律反映了功、热量跟系统内能改变之间的定
4、量关系量关系.3、数学表达式：、数学表达式：U=Q+WU U 物体内能的增加量物体内能的增加量 W W 外界对物体做的功外界对物体做的功 Q Q 物体吸收的热量物体吸收的热量 UW+Q定律定律中各量的正、负号及含义中各量的正、负号及含义物理量物理量符号符号意义意义符号符号意义意义W外界外界对对物体物体做功做功物体物体对对外界外界做功做功Q物体物体吸收吸收热量热量物体物体放出放出热量热量U内能内能增加增加内能内能减少减少U=W+Q 气体被压缩气体被压缩气体膨胀气体膨胀一一定定质质量量的的气气体体，膨膨胀胀过过程程中中是是外外界界对对气气体体做做功功还还是是气气体体对对外外界界做做功功?如如果果膨
5、膨胀胀时时气气体体对对外外做做的的功功是是135J135J，同同时时向向外外放放热热85J85J，气气体体内内能能的的变变化化量量是是多多少少?内内能能是是增增加加了了还还是是减少了减少了?请你通过这个例子总结功和热量取正、负值的物理意义。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：解析：膨胀过程中气体对外界做功膨胀过程中气体对外界做功系统对外做功：系统对外做功：W W=-135J=-135J系统向外放热：系统向外放热：Q Q=-85J=-85J根据热力学第一定律：根据热力学第一定律：U=W+Q U=W+Q 代入得：代入得：U U=-135=-135J J+（-85-85J J=-
6、220J=-220J内能减少了内能减少了220J220J。【例题例题1 1】如如图，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 m0.1 m，这段过程活塞对气体的压力逐渐增大，其做的功相当于，这段过程活塞对气体的压力逐渐增大，其做的功相当于2102103 3N N的恒力使活塞移动相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传递给汽缸的热量为25J25J。求上述压缩过程中气体内能的
7、变化量。求上述压缩过程中气体内能的变化量。确定研究对象：汽缸中的气体。确定研究对象：汽缸中的气体。（1 1）压缩过程活塞（外界）对）压缩过程活塞（外界）对气体（系统）做功，气体（系统）做功，W W是正值是正值：W1=F1l1=2100.1 J=200 J系统向外放热：系统向外放热：Q Q=-25J=-25J气体内能的变化量：气体内能的变化量：UU1 1=W=W1 1Q Q1 1=200 J-25 J 200 J-25 J=175 J=175 J正确选取正确选取W W与与Q Q的正负。的正负。明确明确气体状态变化过程。气体状态变化过程。分析：分析：解解析：析：【例题例题1 1】如如图，一台四冲程
8、内燃机，活塞在压缩冲程某段时间内移动的距离为图，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 m0.1 m，这段过程活塞对气体的压力逐渐增大，其做的功相当于这段过程活塞对气体的压力逐渐增大，其做的功相当于2102103 3N N的恒力使活塞移动相同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给汽缸的热量为25J25J。燃烧后的高压气体对活塞做功，气体推动活塞移动燃烧后的高压气体对活塞做功，气体推动活塞移动0.1m0.1m，其做的功相当于，
9、其做的功相当于9109103 3N N的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30J30J，求此做功过程气体内能的变化量。，求此做功过程气体内能的变化量。确定研究对象：汽缸中的气体。确定研究对象：汽缸中的气体。正确选取正确选取W W与与Q Q的正负。的正负。明确明确气体状态变化过程。气体状态变化过程。分析：分析：解解析：析：（2 2）气体膨胀过程中气体）气体膨胀过程中气体（系统）（系统）对对外界所做功，外界所做功，W W是负值是负值：W2=F2L2=-9100.1 J=-900 J系统向
10、外系统向外放热：放热：Q Q=-30J=-30J气体内能的变化量：气体内能的变化量：UU2 2=W=W2 2Q Q2 2=-900 J-30J=-900 J-30J=-930 J=-930 J变式训练变式训练一一定量的气体从外界吸收了定量的气体从外界吸收了2.6102.6105 5J J的热量，内能增加了的热量，内能增加了4.2 104.2 105 5J J。问：。问：是气体对外界做了功，还是外界对气体做了功？做了多少焦耳的功？是气体对外界做了功，还是外界对气体做了功？做了多少焦耳的功？解：解：根据根据U=W+Q 得得W=U Q=4.2 105J 2.6105J=1.6105J W为正值，外界
11、对气体做功，做了为正值，外界对气体做功，做了1.6105J 的功。的功。同理可得：同理可得：W =U Q =1.6 105J 2.6105J=1.0105J W为负值，说明气体对外界做功（气体体积变大），做了为负值，说明气体对外界做功（气体体积变大），做了1.0105J 的功。的功。如果气体吸收的热量仍为如果气体吸收的热量仍为2.6102.6105 5J J不变，但是内能只增加了不变，但是内能只增加了1.6101.6105 5J J，这一过，这一过程做功情况怎样？程做功情况怎样？4.解题的一般步骤解题的一般步骤(1)根据符号法则写出各已知量根据符号法则写出各已知量(W、Q、U)的正、负的正、负
12、(3)再根据未知量结果的正、负来确定吸热、放热情况或做功情况再根据未知量结果的正、负来确定吸热、放热情况或做功情况(2)根据方程根据方程UWQ 求出未知量求出未知量二、做功与气体体积变化的关系压缩气体压缩气体V V减小减小外界对气体做功外界对气体做功绝热绝热U U增加增加气体不气体不自由自由膨胀膨胀V V增加增加气体对外界做功气体对外界做功绝热绝热U U减小减小气体气体自由自由膨胀膨胀V V增加增加气体对外界不做功气体对外界不做功绝热绝热U U不变不变K气体气体AK气体气体A真空真空BK气体气体A真空真空B气体的自由膨胀不做功。气体的自由膨胀不做功。PVVaVb气体等压变化气体等压变化对外界做
13、功对外界做功P P-V V 图下方图下方(与坐标轴所围的面积与坐标轴所围的面积)的的“面积面积”表示表示做功多少。做功多少。W=PV非等压变化非等压变化计算对气体做功计算对气体做功推动活塞缓慢移动，推动活塞缓慢移动，外力外力F=pS活塞活塞发生很小位移发生很小位移x，W=Fx=pSx=pVpSxVpOV2V1【例题例题2 2】20mol20mol氧气由状态氧气由状态1 1变化到状态变化到状态2 2所经历的过程如图所示所经历的过程如图所示(1)(1)沿沿1 13 32 2折折线；线；(2)(2)沿沿1 12 2直线直线.试分别求出这两个过程中外界对气体做功试分别求出这两个过程中外界对气体做功.氧
14、气视为理想气体氧气视为理想气体.10 20 30 40 50V/Lp/105Pa51020015132解解(1)13，不做功，不做功32，做功为，做功为W32=201054010-3J=8104J总功总功W132=8104J(2)由面积求：由面积求：W12=(5+20)1054010-3J/2 =5104J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（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.A
15、.在在 ab ab 的过程中，外界对其做的功全部用于增加内能的过程中，外界对其做的功全部用于增加内能 B.B.在状态在状态 a a 和和 c c 时气体分子的平均动能可能相等时气体分子的平均动能可能相等 C.C.在在 bc bc 的过程中，气体温度不变的过程中，气体温度不变 D.D.在一次循环过程中气体吸收的热量小于放出的热量在一次循环过程中气体吸收的热量小于放出的热量 ab ab 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，故做的功全部用于增加内能，故 A A 正确；由正确；由 A A
16、 的分析可知，状态的分析可知，状态 b b 的温度比的温度比 a a 的温的温度高，由状态度高，由状态 b b 到到 c c 的过程是等容过程，压强增大，温度升高，所以的过程是等容过程，压强增大，温度升高，所以 c c 状态的温度状态的温度大于大于 a a 状态的温度，故气体分子的平均动能不可能相等，故状态的温度，故气体分子的平均动能不可能相等，故 BC BC 错误；在错误；在 bc bc 的过的过程中，气体吸收热量，从程中，气体吸收热量，从 cd cd 是绝热过程，气体对外做功，从是绝热过程，气体对外做功，从 da da 是等容过程，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
17、变化为零，而图像中温度降低，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 abcd 的面的面积为气体对外做功，积为气体对外做功，所以气体吸收的热量大于放出的热量，故所以气体吸收的热量大于放出的热量，故 D D 错误。错误。解析：解析：A A变式训练变式训练牛刀小试牛刀小试1 1、下列关于内能的说法正确的是（、下列关于内能的说法正确的是（）A.A.物体吸收热量，内能一定增加物体吸收热量，内能一定增加 B.B.物体放出热量，内能一定减少物体放出热量，内能一定减少 C.C.当做功和热传递同时存在时，物体的内能可能不变当做功和热传递同时存在时，物体的内能可能不变 D.D.物体对外做
18、功，内能可能增加物体对外做功，内能可能增加CDCD牛刀小试牛刀小试2、如如图图所所示示，内内壁壁光光滑滑的的绝绝热热汽汽缸缸固固定定在在水水平平面面上上，其其右右端端由由于于有有挡挡板板，厚厚度度不不计计的的绝绝热热活活塞塞不不能能离离开开汽汽缸缸，汽汽缸缸内内封封闭闭着着一一定定质质量量的的理理想想气气体体，活活塞塞距距汽汽缸缸右右端端的的距距离离为为0.2 m.现现对对封封闭闭气气体体加加热热，活活塞塞缓缓慢慢移移动动，一一段段时时间间后后停停止止加加热热，此此时时封封闭闭气气体体的的压压强强变变为为2105 Pa.已已知知活活塞塞的的横横截截面面积积为为0.04 m2，外外部部大大气气压
19、压强强为为1105 Pa，加加热热过过程程中中封封闭闭气气体体吸吸收收的的热热量量为为2 000 J，则封闭气体的内能变化量为，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 JB课堂小结课堂小结学习评价学习评价1、一一定定质质量量的的理理想想气气体体，从从状状态态a开开始始，经经历历ab、bc、ca三三个个过过程程回回到到原原状状态态，其其VT图图像像如如图图所所示示，其其中中图图线线ab的的反反向向延延长长线线过过坐坐标标原原点点O，图线，图线bc平行于平行于T轴，图线轴，图线ca平行于平行于V轴，则轴，则（）A.ab过程中气体压强不变，气
20、体从外界吸热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整个变化过程中气体的内能先减少后增加A2.固定容器及可动活塞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都是绝热的，中间有一导热的固定隔板B，B的两的两边分别盛有气体甲和气体乙。现将活塞边分别盛有气体甲和气体乙。现将活塞P缓慢地向缓慢地向B移动一段距离，已知气移动一段距离，已知气体的温度随其内能的增加而升高，则在移动体的温度随其内能的增加而升
21、高，则在移动P的过程中（的过程中（）A、外力对乙做功，甲的内能不变。、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。、外力对乙做功，乙的内能不变。C、乙传递热量给甲，乙的内能增加。、乙传递热量给甲，乙的内能增加。D、乙的内能增加，甲的内能不变。、乙的内能增加，甲的内能不变。甲甲乙乙BPC C学习评价学习评价3.一定质量的理想气体由状态一定质量的理想气体由状态(p1，V1，T1)被压缩至状态被压缩至状态(p2，V2，T2)，已知，已知T2 T1，则该过程中，则该过程中（）A气体的内能一定是增加的气体的内能一定是增加的B气体可能向外界放热气体可能向外界放热C气体一定从外界吸收热量气体
22、一定从外界吸收热量D气体对外界做正功气体对外界做正功AB学习评价学习评价 4一一定定质质量量的的理理想想气气体体，从从某某一一状状态态开开始始，经经过过一一系系列列变变化化后后又又回回一一开开始始的的状状态态，用用W1表表示示外外界界对对气气体体做做的的功功，W2表表示示气气体体对对外外界界做做的的功功，Q1表表示示气气体体吸吸收收的的热热量量，Q2表表示示气气体体放放出出的的热热量量，则则在在整整个个过过程中一定有（程中一定有（）AQ1Q2=W2W1BQ1=Q2CW1=W2 DQ1Q2点拨：点拨：整个过程的内能不变，整个过程的内能不变，E=0 由热力学第一定律由热力学第一定律 E=W总总+Q
23、总总=0Q总总=-W总总 Q1Q2=W2W1A学习评价学习评价学习评价学习评价5.5.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。座舱图所示。座舱A A与气闸舱与气闸舱B B之间装有阀门之间装有阀门K K，座舱，座舱A A中充满空气，气闸舱中充满空气，气闸舱B B内为真空。航天内为真空。航天员从太空返回气闸舱时，打开阀门员从太空返回气闸舱时，打开阀门K K，A A中的气体进入中的气体进入B B中，最终达到平衡。假设此过程中，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
24、为理想气体，下列说法正确的是（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.A.气体并没有对外做功，气体内能不变气体并没有对外做功，气体内能不变B.B.气体温度不变，体积增大，压强减小气体温度不变，体积增大，压强减小C.C.气体体积膨胀，对外做功，内能减小气体体积膨胀，对外做功，内能减小D.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ABDABD 气体自由扩散，没有对外做功气体自由扩散，没有对外做功，又因为整个系统与外界没有热交换，根据，又因为整个系统与外界没有热交换，根据热力学第一定
25、律可知内能不变，故热力学第一定律可知内能不变，故A A正确；因为内能不变，故温度不变，平均动能不正确；因为内能不变，故温度不变，平均动能不变，因为变，因为B B闸舱闸舱 内为真空，对于座舱内为真空，对于座舱 A A中充满的空气，根据玻意耳定律可知，扩散中充满的空气，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，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 C、D D正确。正确。解析：解析：学习评价学习评价6.
26、如如图图所所示示，内内壁壁光光滑滑的的绝绝热热汽汽缸缸固固定定在在水水平平面面上上，其其右右端端由由于于有有挡挡板板，厚厚度度不不计计的的绝绝热热活活塞塞不不能能离离开开汽汽缸缸，汽汽缸缸内内封封闭闭着着一一定定质质量量的的理理想想气气体体，活活塞塞距距汽汽缸缸右右端端的的距距离离为为0.2 m.现现对对封封闭闭气气体体加加热热，活活塞塞缓缓慢慢移移动动，一一段段时时间间后后停停止止加加热热，此此时时封封闭闭气气体体的的压压强强变变为为2105 Pa.已已知知活活塞塞的的横横截截面面积积为为0.04 m2，外外部部大大气气压压强强为为1105 Pa，加加热热过过程程中封闭气体吸收的热量为中封闭
27、气体吸收的热量为2 000 J，则封闭气体的内能变化量为，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解解析析：由由题题意意可可知知，气气体体先先等等压压变变化化，到到活活塞塞运运动动到到挡挡板板处处再再发发生生等等容容变变化化，等压变化过程气体对外做功，做功为等压变化过程气体对外做功，做功为Wp0Sx11050.040.2 J800 J，由热力学第一定律可知，封闭气体的内能变化量为由热力学第一定律可知，封闭气体的内能变化量为UWQ(8002 000)J1200 J。B学习评价学习评价7.一一定定质质量量的的理理想想气气体体，从从状状态态
28、a开开始始，经经历历ab、bc、ca三三个个过过程程回回到到原原状状态态，其其VT图图像像如如图图所所示示，其其中中图图线线ab的的反反向向延延长长线线过过坐坐标标原原点点O，图图线线bc平平行行于于T轴轴，图图线线ca平行于平行于V轴，则轴，则（）A.ab过程中气体压强不变，气体从外界吸热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整个变化过程中气体的内能先减少后增加解解析析：由由题题图图中中图图线线ab
29、的的反反向向延延长长线线过过坐坐标标原原点点O，可可知知a到到b过过程程中中，气气体体压压强强不不变变，体体积积变变大大，气气体体对对外外做做功功；温温度度升升高高，内内能能增增加加，根根据据热热力力学学第第一一定定律律可可知知，气气体体从从外外界界吸吸热热，故故A正正确确；b到到c过过程程中中气气体体体体积积不不变变，气气体体不不对对外外界界做做功功，外外界界也也不不对对气气体体做做功功，温温度度降降低低，内内能能减减小小，根根据据热热力力学学第第一一定定律律可可知知，气气体体放放热热，故故B错错误误；c到到a过过程程中中气气体体温温度度不不变变，内内能能不不变变，体体积积变变小小，外外界界对对气气体体做做功功，根根据据热热力力学学第第一一定定律律可可知知，气气体体放放热热，故故C错错误误；整整个个变变化化过过程程温温度度先先升升高高，后后降降低低，最后不变，所以气体的内能先增加，后减小，最后不变，故最后不变，所以气体的内能先增加，后减小，最后不变，故D错误。错误。A