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高中物理粤教版 (2019)选择性必修 第三册第三章 热力学定律第一节 热力学第一定律学案
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这是一份高中物理粤教版 (2019)选择性必修 第三册第三章 热力学定律第一节 热力学第一定律学案，共11页。
[学习目标] 1.掌握物体内能的概念，知道分子动能与分子势能的影响因素.2.知道做功和热传递是改变物体内能的两种方式，理解做功和热传递对改变物体内能是等效的.3.理解热力学第一定律，并会用于分析和计算．
一、物体的内能
1．分子势能：分子间具有由它们的相对位置决定的势能．
2．内能：物体中所有分子的动能和分子势能的总和．
3．内能的影响因素：物体的内能跟物体的温度和体积都有关系．
二、改变物体内能的两种方式
1．做功和热传递是改变物体内能的两种方式，二者对于改变物体的内能来说是等效的．
2．热量：热传递过程中物体内能变化的量．
三、热力学第一定律及其应用
1．热力学第一定律：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．热力学第一定律的表达式：ΔU＝Q＋W.
3．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．(均选填“正”或“负”)
(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．(均选填“正”或“负”)
1．判断下列说法的正误．
(1)分子的势能是由分子间相对位置决定的能量，随分子间距的变化而变化．( √ )
(2)温度高的物体内能大．( × )
(3)做功和热传递都可以改变物体的内能，从效果上是等效的．( √ )
(4)热量一定从内能多的物体传递给内能少的物体．( × )
(5)外界对系统做功，系统的内能一定增加．( × )
(6)系统内能增加，一定是系统从外界吸收了热量．( × )
2．一定质量的气体从外界吸收了50 J的热量，同时对外做功100 J，则物体的内能________(填“增加”或“减少”)________ J.
答案 减少 50
一、物体的内能
导学探究
(1)结合影响分子动能和分子势能的因素，从微观和宏观角度讨论影响内能的因素有哪些？
(2)物体的内能随机械能的变化而变化吗？内能可以为零吗？
答案 (1)微观上：物体的内能取决于物体所含分子的总数、分子的平均动能和分子间的距离．
宏观上：物体的内能取决于物体的物质的量、温度、体积及物态．
(2)物体的机械能变化时其温度和体积不一定变化，因此其内能不一定变化，两者之间没有必然联系．组成物体的分子在做永不停息的无规则运动，因此物体的内能不可能为零．
知识深化
1．内能的决定因素
(1)宏观因素：物体内能的大小由物质的量、温度和体积三个因素决定，同时也受物态变化的影响．
(2)微观因素：物体内能的大小由物体所含的分子总数、分子热运动的平均动能和分子间的距离三个因素决定．
2．内能和机械能的区别与联系
3.物态变化对内能的影响
一些物质在物态发生变化时，如冰的熔化、水在沸腾时变为水蒸气，温度不变，此过程中分子的平均动能不变，由于分子间的距离变化，分子势能变化，所以物体的内能变化．
下列关于物体内能的说法正确的是( )
A．一个分子的动能和分子势能的总和叫作该分子的内能
B．物体中所有分子热运动动能和分子势能的总和叫作物体的内能
C．当一个物体的机械能发生变化时，其内能也一定发生变化
D．温度高的物体一定比温度低的物体内能大
答案 B
解析 内能是物体中所有分子热运动动能与分子势能的总和，A错误，B正确；机械能与内能是两种不同形式的能，物体的机械能发生变化，内能不一定变化，C错误；温度高的物体比温度低的物体的分子平均动能大，但内能不一定大，D错误．
二、改变物体内能的两种方式
导学探究
1．“摩擦生热”说明什么？
答案 做功可以改变物体的内能．
2．温度高的物体与温度低的物体接触，最终二者温度相同，这又说明了什么？
答案 热传递可以改变物体的内能．
知识深化
1．做功与内能变化的关系
(1)做功改变物体内能的过程是其他形式的能(如机械能)与内能相互转化的过程．
(2)在绝热过程中，外界对物体做功，则W>0，外界对物体做多少功，就有多少其他形式的能转化为内能，物体的内能就增加多少；物体对外界做功，则W<0，物体对外界做多少功，就有多少内能转化为其他形式的能，物体的内能就减少多少．
2．热传递与内能变化的关系
(1)热传递改变物体内能的过程是不同物体(或同一物体不同部分)之间内能的转移．
(2)热传递与物体的内能的多少无关，只与两个物体(或一个物体的两部分)的温度差有关，热量总是从高温物体自发地传递到低温物体．
(3)热量与内能
热量是热传递过程中的特征物理量，热量只是反映物体在状态变化过程中所转移的能量，是用来衡量物体内能变化的，有过程，才有变化，离开过程，毫无意义．
3．做一定量的功和传递相同量的热量在改变内能的效果上是相同的．
下列说法正确的是( )
A．热量和功是由过程决定的，而内能是由物体状态决定的
B．外界对物体做功，物体的内能一定增大
C．物体吸收热量，温度一定升高
D．热量总是由内能大的物体流向内能小的物体
答案 A
解析 热量和功是过程量，内能是状态量，故A选项正确；引起物体内能的变化有做功和热传递两种途径，单就一个方面不足以断定其内能的变化，故B选项错误；在晶体熔化和液体沸腾过程中，物体要不断地吸收热量，但物体的温度不变，这时内能的增加主要表现在内部分子势能的增加，故C选项错误；两物体之间热量的流向只与它们的温度有关，与它们内能的大小无关，故D选项错误．
三、热力学第一定律
导学探究
如图1所示，快速推动活塞对气缸内气体做功10 J，气体内能改变了多少？若保持气体体积不变，气缸向外界传递10 J的热量，气体内能改变了多少？若推动活塞对气缸内气体做功10 J的同时，气缸向外界传递10 J的热量，气体的内能改变了多少？
图1
答案 内能增加了10 J 内能减少了10 J；没改变．
知识深化
1．对公式ΔU＝Q＋W符号的规定
2.气体状态变化的几种特殊情况
(1)绝热过程：Q＝0，则ΔU＝W，系统内能的增加量(或减少量)等于外界对系统(或系统对外界)做的功．
(2)等容过程：W＝0，则ΔU＝Q，系统内能的增加量(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：一定质量理想气体初、末状态的内能不变，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)．
3．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.(气体向真空膨胀除外)
(2)若气体体积减小，表明外界对气体做功，W>0.
4．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．
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＝2×105 J
D．W＝－8×104 J，ΔU＝－1.2×105 J，Q＝－4×104 J
答案 B
解析 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．
(2020·济南市期中)如图2所示，内壁光滑的绝热气缸固定在水平面上，由于其右端有挡板，厚度不计的绝热活塞不能离开气缸，气缸内封闭着一定质量的理想气体，活塞距气缸右端的距离为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( )
图2
A．400 J B．1200 J C．2 000 J D．2 800 J
答案 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，则
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＝1 200 J，
故B正确．
考点一 物体的内能
1．关于物体的内能，下列说法中正确的是( )
A．机械能可以为零，但内能永远不为零
B．温度相同、质量相同的物体具有相同的内能
C．温度越高，物体的内能越大
D．0 ℃的冰的内能与等质量的0 ℃的水的内能相等
答案 A
解析 机械能是宏观能量，可以为零，而物体内的分子在永不停息地做无规则运动，且存在相互作用力，所以物体的内能永不为零，A项正确；物体的内能与物质的量、温度和体积及物态有关，B、C、D错误．
2．(多选)(2018·全国卷Ⅱ改编)对于实际的气体，下列说法正确的是( )
A．气体的内能包括气体分子的重力势能
B．气体的内能包括气体分子之间相互作用的势能
C．气体的内能包括气体整体运动的动能
D．气体的体积变化时，其内能可能不变
答案 BD
解析 实际气体的内能包括气体分子间相互作用的势能和分子热运动的动能，当气体体积变化时影响的是气体的分子势能，内能可能不变，所以B、D正确，A、C错误．
3.(2020·山东高二月考)分子力F与分子间距离r的关系如图1所示，曲线与横轴交点的坐标为r0，两个相距较远的分子仅在分子力作用下由静止开始运动，直至不能再靠近．在此过程中，下列说法错误的是( )
图1
A．r＝r0时，分子势能最小
B．r＞r0阶段，F做正功，分子动能增加，分子势能减小
C．r＜r0阶段，F做负功，分子动能减小，分子势能减小
D．r＞r0阶段，F先增大后减小
答案 C
解析 在r＞r0阶段，分子靠近时，分子力F做正功，分子动能增加，分子势能减小；在r＜r0阶段，分子靠近时，分子力F做负功，分子动能减小，分子势能增大，所以当r＝r0时，分子动能最大，分子势能最小，故A、B正确，C错误；根据F－r图像知，在r＞r0阶段，分子靠近时，F先增大后减小，故D正确．
考点二 改变物体内能的两种方式
4.如图2所示，一定质量的理想气体密封在绝热(即与外界不发生热交换)容器中，容器内装有一可以活动的绝热活塞．今对活塞施加一竖直向下的压力F，使活塞缓慢向下移动一段距离后，气体的体积减小．若忽略活塞与容器壁间的摩擦力，则被密封的气体( )
图2
A．温度升高，压强增大，内能减少
B．温度降低，压强增大，内能减少
C．温度升高，压强增大，内能增加
D．温度降低，压强减小，内能增加
答案 C
解析 向下压活塞，活塞对气体做功，气体的内能增加，温度升高，气体的体积减小，可得出气体的压强增大，故选项C正确．
5．在以下事例中，通过热传递的方式来改变物体内能的是( )
A．两小球碰撞后粘在一起，同时温度升高
B．冬天暖气为房间供暖
C．点燃的爆竹在空中爆炸
D．汽车的车轮与地面相互摩擦发热
答案 B
解析 改变内能的方式有两种：做功和热传递，热传递指内能的转移，而不是其他形式的能转化为内能，两小球碰撞后粘在一起，同时温度升高，是机械能转化为内能，故A错误；冬天暖气为房间供暖，是通过热传递的方式来改变物体内能的，故B正确；点燃的爆竹在空中爆炸，是化学能转化为内能，故C错误；车轮与地面摩擦生热，是机械能转化为内能，故D错误．
6．(多选)对于热量、功和内能三个量，下列说法正确的是( )
A．热量、功和内能三个量的物理意义是等同的
B．热量和功二者可作为物体内能大小的量度
C．热量、功和内能的国际单位都相同
D．热量和功是由过程决定的，而内能是由物体的状态决定的
答案 CD
解析 热量、功和内能的国际单位都是焦耳，但热量、功和内能三个量的物理意义是不同的，热量和功是过程量，内能是状态量，热量和功二者可作为物体内能变化的量度而不是内能大小的量度．故A、B错误，C、D正确．
考点三 热力学第一定律
7．关于内能的变化，以下说法正确的是( )
A．物体吸收热量，内能一定增大
B．物体对外做功，内能一定减少
C．物体吸收热量，同时对外做功，内能可能不变
D．物体放出热量，同时对外做功，内能可能不变
答案 C
解析 根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，物体内能的变化与做功及热传递两个因素均有关．物体吸收热量，内能不一定增大，因为物体可能同时对外做功，故内能还有可能不变或减少，A错误，C正确；物体对外做功，可能同时吸收热量，内能可能不变或增大，B错误；物体放出热量，同时对外做功，内能一定减少，D错误．
8.如图3所示是密闭的气缸，外力推动活塞P压缩一定质量的理想气体，对缸内气体做功800 J，同时气体向外界放热200 J，缸内气体的( )
图3
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 对一定质量的理想气体，由热力学第一定律ΔU＝W＋Q可知，ΔU＝800 J＋(－200 J)＝600 J，ΔU为正表示内能增加了600 J，内能增加，气体分子的平均动能增加，温度升高，选项A正确．
9.(2020·天津卷)水枪是孩子们喜爱的玩具，常见的气压式水枪储水罐示意如图4.从储水罐充气口充入气体，达到一定压强后，关闭充气口．扣动扳机将阀门M打开，水即从枪口喷出．若水在不断喷出的过程中，罐内气体温度始终保持不变，则气体( )
图4
A．压强变大 B．对外界做功
C．对外界放热 D．分子平均动能变大
答案 B
解析 储水罐中封闭的气体可看作理想气体，温度不变，体积增大，由eq \f(pV,T)＝c可知，压强变小，故A错误；气体体积增大，对外界做功，故B正确；由于一定质量的某种理想气体的内能只与温度有关，温度不变，故内能也不变，即ΔU＝0.由于气体对外界做功，即W<0，由热力学第一定律ΔU＝W＋Q可知，Q>0，因此气体吸热，故C错误；温度不变，分子平均动能不变，故D错误．
10．(多选)夏季，长春市的天气温差比较大，充足气的车胎经过正午阳光的暴晒容易爆胎．若车胎内的气体可视为理想气体，爆胎前车胎内气体体积及质量均不变，爆胎过程时间极短．关于车胎内的气体，下列说法正确的是( )
A．爆胎前随着气温的升高，车胎内气体压强增大
B．爆胎前随着气温的升高，车胎内气体吸收热量，内能增大
C．爆胎过程中，车胎内气体对外做功，内能减小
D．爆胎过程中，车胎内气体分子平均动能不变
答案 ABC
解析 爆胎前气体体积不变，温度升高时，压强增大，内能增大，A、B正确；爆胎过程时间极短，气体来不及与外界热交换，其体积膨胀对外做功，则气体内能减小，温度降低，气体分子平均动能减小，故C正确，D错误．
11.(多选)夏天，从湖底形成一个气泡，在缓慢上升到湖面的过程中没有破裂，如图5.若越接近水面，湖内水的温度越高，大气压强没有变化，将气泡内气体看作理想气体．则上升过程中，以下说法正确的是( )
图5
A．气泡内气体对外界做功
B．气泡内气体分子平均动能增大
C．气泡内气体温度升高导致放热
D．气泡内气体的压强可能不变
答案 AB
解析 气泡内气体压强p＝p0＋ρgh，气泡上升过程中，其压强减小，温度升高，根据理想气体状态方程eq \f(pV,T)＝c，体积一定增大，故气泡内气体对外界做功，故A正确，D错误．温度是分子平均动能的标志，温度升高，气泡内气体分子平均动能增大，气泡内气体内能增大，即ΔU>0，体积增大，即W<0，根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q可得Q>0，即气泡内的气体吸热，故B正确，C错误．
12.(1)某同学做了一个小实验：先把空的烧瓶放入冰箱冷冻，一小时后取出烧瓶，并迅速把一个气球紧密地套在瓶颈上，然后将烧瓶放进盛满热水的烧杯里，气球逐渐膨胀起来，如图6所示．这是因为烧瓶里的气体吸收了水的____________，温度____________，体积________．
图6
(2)若只对一定质量的理想气体做1 500 J的功，可使其温度升高5 K．若改成只用热传递的方式，使气体温度同样升高5 K，那么气体吸收________ J的热量．如果对该气体做了2 000 J的功，使其温度升高了5 K，表明在该过程中，气体还________(选填“吸收”或“放出”)________J的热量．
答案 (1)热量 升高 增大 (2)1 500 放出 500
解析 (1)烧瓶内的气体要从热水中吸收热量，温度升高，体积增大．
(2)做功和热传递都可以改变物体的内能，且是等效的．
13．(2020·河北衡水中学高三月考)如图7甲所示，导热性能良好的圆柱形气缸放在水平地面上，开口向上，用横截面积为S的活塞封闭一定质量的理想气体，活塞到气缸
底部的距离为h，此时环境温度为T0(热力学温度)．已知大气压强恒为p0，活塞的质量为m＝eq \f(p0S,g)，现将一质量也为m的重物轻放在活塞上，同时缓慢升高环境温度，活塞静止后到气缸底部的距离为eq \f(3,4)h(如图乙所示)，该过程气体从外界吸收的热量为Q.重力加速度为g，不计活塞与气缸之间的摩擦，求：
图7
(1)最终气体的热力学温度T；
(2)上述过程中气体内能的变化量ΔU.
答案 (1)eq \f(9,8)T0 (2)Q＋eq \f(3,4)p0Sh
解析 (1)题图甲中，气缸内气体的压强p1＝p0＋eq \f(mg,S)＝2p0
题图乙中，气缸内气体的压强p2＝p0＋eq \f(2mg,S)＝3p0
由理想气体状态方程得eq \f(p1hS,T0)＝eq \f(p2S·\f(3,4)h,T)
联立解得T＝eq \f(9,8)T0.
(2)上述过程中外界对气体做功为
W＝(p0S＋2mg)(h－eq \f(3,4)h)＝eq \f(3,4)p0Sh
由热力学第一定律知ΔU＝Q＋W
联立解得ΔU＝Q＋eq \f(3,4)p0Sh.内能
机械能
对应的运动形式
微观分子热运动
宏观物体机械运动
常见的能量形式
分子动能、分子势能
物体动能、重力势能、弹性势能
影响因素
物质的量、物体的温度、体积及物态
物体的质量、机械运动的速度、相对于零势能面的高度、弹性形变量
大小
永远不等于零
一定条件下可以等于零
联系
在一定条件下可以相互转化
符号
W
Q
ΔU
＋
体积减小，外界对热力学系统做功
热力学系统吸收热量
内能增加
－
体积增大，热力学系统对外界做功
热力学系统放出热量
内能减少
[学习目标] 1.掌握物体内能的概念，知道分子动能与分子势能的影响因素.2.知道做功和热传递是改变物体内能的两种方式，理解做功和热传递对改变物体内能是等效的.3.理解热力学第一定律，并会用于分析和计算．
一、物体的内能
1．分子势能：分子间具有由它们的相对位置决定的势能．
2．内能：物体中所有分子的动能和分子势能的总和．
3．内能的影响因素：物体的内能跟物体的温度和体积都有关系．
二、改变物体内能的两种方式
1．做功和热传递是改变物体内能的两种方式，二者对于改变物体的内能来说是等效的．
2．热量：热传递过程中物体内能变化的量．
三、热力学第一定律及其应用
1．热力学第一定律：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．热力学第一定律的表达式：ΔU＝Q＋W.
3．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．(均选填“正”或“负”)
(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．(均选填“正”或“负”)
1．判断下列说法的正误．
(1)分子的势能是由分子间相对位置决定的能量，随分子间距的变化而变化．( √ )
(2)温度高的物体内能大．( × )
(3)做功和热传递都可以改变物体的内能，从效果上是等效的．( √ )
(4)热量一定从内能多的物体传递给内能少的物体．( × )
(5)外界对系统做功，系统的内能一定增加．( × )
(6)系统内能增加，一定是系统从外界吸收了热量．( × )
2．一定质量的气体从外界吸收了50 J的热量，同时对外做功100 J，则物体的内能________(填“增加”或“减少”)________ J.
答案 减少 50
一、物体的内能
导学探究
(1)结合影响分子动能和分子势能的因素，从微观和宏观角度讨论影响内能的因素有哪些？
(2)物体的内能随机械能的变化而变化吗？内能可以为零吗？
答案 (1)微观上：物体的内能取决于物体所含分子的总数、分子的平均动能和分子间的距离．
宏观上：物体的内能取决于物体的物质的量、温度、体积及物态．
(2)物体的机械能变化时其温度和体积不一定变化，因此其内能不一定变化，两者之间没有必然联系．组成物体的分子在做永不停息的无规则运动，因此物体的内能不可能为零．
知识深化
1．内能的决定因素
(1)宏观因素：物体内能的大小由物质的量、温度和体积三个因素决定，同时也受物态变化的影响．
(2)微观因素：物体内能的大小由物体所含的分子总数、分子热运动的平均动能和分子间的距离三个因素决定．
2．内能和机械能的区别与联系
3.物态变化对内能的影响
一些物质在物态发生变化时，如冰的熔化、水在沸腾时变为水蒸气，温度不变，此过程中分子的平均动能不变，由于分子间的距离变化，分子势能变化，所以物体的内能变化．
下列关于物体内能的说法正确的是( )
A．一个分子的动能和分子势能的总和叫作该分子的内能
B．物体中所有分子热运动动能和分子势能的总和叫作物体的内能
C．当一个物体的机械能发生变化时，其内能也一定发生变化
D．温度高的物体一定比温度低的物体内能大
答案 B
解析 内能是物体中所有分子热运动动能与分子势能的总和，A错误，B正确；机械能与内能是两种不同形式的能，物体的机械能发生变化，内能不一定变化，C错误；温度高的物体比温度低的物体的分子平均动能大，但内能不一定大，D错误．
二、改变物体内能的两种方式
导学探究
1．“摩擦生热”说明什么？
答案 做功可以改变物体的内能．
2．温度高的物体与温度低的物体接触，最终二者温度相同，这又说明了什么？
答案 热传递可以改变物体的内能．
知识深化
1．做功与内能变化的关系
(1)做功改变物体内能的过程是其他形式的能(如机械能)与内能相互转化的过程．
(2)在绝热过程中，外界对物体做功，则W>0，外界对物体做多少功，就有多少其他形式的能转化为内能，物体的内能就增加多少；物体对外界做功，则W<0，物体对外界做多少功，就有多少内能转化为其他形式的能，物体的内能就减少多少．
2．热传递与内能变化的关系
(1)热传递改变物体内能的过程是不同物体(或同一物体不同部分)之间内能的转移．
(2)热传递与物体的内能的多少无关，只与两个物体(或一个物体的两部分)的温度差有关，热量总是从高温物体自发地传递到低温物体．
(3)热量与内能
热量是热传递过程中的特征物理量，热量只是反映物体在状态变化过程中所转移的能量，是用来衡量物体内能变化的，有过程，才有变化，离开过程，毫无意义．
3．做一定量的功和传递相同量的热量在改变内能的效果上是相同的．
下列说法正确的是( )
A．热量和功是由过程决定的，而内能是由物体状态决定的
B．外界对物体做功，物体的内能一定增大
C．物体吸收热量，温度一定升高
D．热量总是由内能大的物体流向内能小的物体
答案 A
解析 热量和功是过程量，内能是状态量，故A选项正确；引起物体内能的变化有做功和热传递两种途径，单就一个方面不足以断定其内能的变化，故B选项错误；在晶体熔化和液体沸腾过程中，物体要不断地吸收热量，但物体的温度不变，这时内能的增加主要表现在内部分子势能的增加，故C选项错误；两物体之间热量的流向只与它们的温度有关，与它们内能的大小无关，故D选项错误．
三、热力学第一定律
导学探究
如图1所示，快速推动活塞对气缸内气体做功10 J，气体内能改变了多少？若保持气体体积不变，气缸向外界传递10 J的热量，气体内能改变了多少？若推动活塞对气缸内气体做功10 J的同时，气缸向外界传递10 J的热量，气体的内能改变了多少？
图1
答案 内能增加了10 J 内能减少了10 J；没改变．
知识深化
1．对公式ΔU＝Q＋W符号的规定
2.气体状态变化的几种特殊情况
(1)绝热过程：Q＝0，则ΔU＝W，系统内能的增加量(或减少量)等于外界对系统(或系统对外界)做的功．
(2)等容过程：W＝0，则ΔU＝Q，系统内能的增加量(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：一定质量理想气体初、末状态的内能不变，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)．
3．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.(气体向真空膨胀除外)
(2)若气体体积减小，表明外界对气体做功，W>0.
4．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．
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＝2×105 J
D．W＝－8×104 J，ΔU＝－1.2×105 J，Q＝－4×104 J
答案 B
解析 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．
(2020·济南市期中)如图2所示，内壁光滑的绝热气缸固定在水平面上，由于其右端有挡板，厚度不计的绝热活塞不能离开气缸，气缸内封闭着一定质量的理想气体，活塞距气缸右端的距离为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( )
图2
A．400 J B．1200 J C．2 000 J D．2 800 J
答案 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，则
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＝1 200 J，
故B正确．
考点一 物体的内能
1．关于物体的内能，下列说法中正确的是( )
A．机械能可以为零，但内能永远不为零
B．温度相同、质量相同的物体具有相同的内能
C．温度越高，物体的内能越大
D．0 ℃的冰的内能与等质量的0 ℃的水的内能相等
答案 A
解析 机械能是宏观能量，可以为零，而物体内的分子在永不停息地做无规则运动，且存在相互作用力，所以物体的内能永不为零，A项正确；物体的内能与物质的量、温度和体积及物态有关，B、C、D错误．
2．(多选)(2018·全国卷Ⅱ改编)对于实际的气体，下列说法正确的是( )
A．气体的内能包括气体分子的重力势能
B．气体的内能包括气体分子之间相互作用的势能
C．气体的内能包括气体整体运动的动能
D．气体的体积变化时，其内能可能不变
答案 BD
解析 实际气体的内能包括气体分子间相互作用的势能和分子热运动的动能，当气体体积变化时影响的是气体的分子势能，内能可能不变，所以B、D正确，A、C错误．
3.(2020·山东高二月考)分子力F与分子间距离r的关系如图1所示，曲线与横轴交点的坐标为r0，两个相距较远的分子仅在分子力作用下由静止开始运动，直至不能再靠近．在此过程中，下列说法错误的是( )
图1
A．r＝r0时，分子势能最小
B．r＞r0阶段，F做正功，分子动能增加，分子势能减小
C．r＜r0阶段，F做负功，分子动能减小，分子势能减小
D．r＞r0阶段，F先增大后减小
答案 C
解析 在r＞r0阶段，分子靠近时，分子力F做正功，分子动能增加，分子势能减小；在r＜r0阶段，分子靠近时，分子力F做负功，分子动能减小，分子势能增大，所以当r＝r0时，分子动能最大，分子势能最小，故A、B正确，C错误；根据F－r图像知，在r＞r0阶段，分子靠近时，F先增大后减小，故D正确．
考点二 改变物体内能的两种方式
4.如图2所示，一定质量的理想气体密封在绝热(即与外界不发生热交换)容器中，容器内装有一可以活动的绝热活塞．今对活塞施加一竖直向下的压力F，使活塞缓慢向下移动一段距离后，气体的体积减小．若忽略活塞与容器壁间的摩擦力，则被密封的气体( )
图2
A．温度升高，压强增大，内能减少
B．温度降低，压强增大，内能减少
C．温度升高，压强增大，内能增加
D．温度降低，压强减小，内能增加
答案 C
解析 向下压活塞，活塞对气体做功，气体的内能增加，温度升高，气体的体积减小，可得出气体的压强增大，故选项C正确．
5．在以下事例中，通过热传递的方式来改变物体内能的是( )
A．两小球碰撞后粘在一起，同时温度升高
B．冬天暖气为房间供暖
C．点燃的爆竹在空中爆炸
D．汽车的车轮与地面相互摩擦发热
答案 B
解析 改变内能的方式有两种：做功和热传递，热传递指内能的转移，而不是其他形式的能转化为内能，两小球碰撞后粘在一起，同时温度升高，是机械能转化为内能，故A错误；冬天暖气为房间供暖，是通过热传递的方式来改变物体内能的，故B正确；点燃的爆竹在空中爆炸，是化学能转化为内能，故C错误；车轮与地面摩擦生热，是机械能转化为内能，故D错误．
6．(多选)对于热量、功和内能三个量，下列说法正确的是( )
A．热量、功和内能三个量的物理意义是等同的
B．热量和功二者可作为物体内能大小的量度
C．热量、功和内能的国际单位都相同
D．热量和功是由过程决定的，而内能是由物体的状态决定的
答案 CD
解析 热量、功和内能的国际单位都是焦耳，但热量、功和内能三个量的物理意义是不同的，热量和功是过程量，内能是状态量，热量和功二者可作为物体内能变化的量度而不是内能大小的量度．故A、B错误，C、D正确．
考点三 热力学第一定律
7．关于内能的变化，以下说法正确的是( )
A．物体吸收热量，内能一定增大
B．物体对外做功，内能一定减少
C．物体吸收热量，同时对外做功，内能可能不变
D．物体放出热量，同时对外做功，内能可能不变
答案 C
解析 根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，物体内能的变化与做功及热传递两个因素均有关．物体吸收热量，内能不一定增大，因为物体可能同时对外做功，故内能还有可能不变或减少，A错误，C正确；物体对外做功，可能同时吸收热量，内能可能不变或增大，B错误；物体放出热量，同时对外做功，内能一定减少，D错误．
8.如图3所示是密闭的气缸，外力推动活塞P压缩一定质量的理想气体，对缸内气体做功800 J，同时气体向外界放热200 J，缸内气体的( )
图3
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 对一定质量的理想气体，由热力学第一定律ΔU＝W＋Q可知，ΔU＝800 J＋(－200 J)＝600 J，ΔU为正表示内能增加了600 J，内能增加，气体分子的平均动能增加，温度升高，选项A正确．
9.(2020·天津卷)水枪是孩子们喜爱的玩具，常见的气压式水枪储水罐示意如图4.从储水罐充气口充入气体，达到一定压强后，关闭充气口．扣动扳机将阀门M打开，水即从枪口喷出．若水在不断喷出的过程中，罐内气体温度始终保持不变，则气体( )
图4
A．压强变大 B．对外界做功
C．对外界放热 D．分子平均动能变大
答案 B
解析 储水罐中封闭的气体可看作理想气体，温度不变，体积增大，由eq \f(pV,T)＝c可知，压强变小，故A错误；气体体积增大，对外界做功，故B正确；由于一定质量的某种理想气体的内能只与温度有关，温度不变，故内能也不变，即ΔU＝0.由于气体对外界做功，即W<0，由热力学第一定律ΔU＝W＋Q可知，Q>0，因此气体吸热，故C错误；温度不变，分子平均动能不变，故D错误．
10．(多选)夏季，长春市的天气温差比较大，充足气的车胎经过正午阳光的暴晒容易爆胎．若车胎内的气体可视为理想气体，爆胎前车胎内气体体积及质量均不变，爆胎过程时间极短．关于车胎内的气体，下列说法正确的是( )
A．爆胎前随着气温的升高，车胎内气体压强增大
B．爆胎前随着气温的升高，车胎内气体吸收热量，内能增大
C．爆胎过程中，车胎内气体对外做功，内能减小
D．爆胎过程中，车胎内气体分子平均动能不变
答案 ABC
解析 爆胎前气体体积不变，温度升高时，压强增大，内能增大，A、B正确；爆胎过程时间极短，气体来不及与外界热交换，其体积膨胀对外做功，则气体内能减小，温度降低，气体分子平均动能减小，故C正确，D错误．
11.(多选)夏天，从湖底形成一个气泡，在缓慢上升到湖面的过程中没有破裂，如图5.若越接近水面，湖内水的温度越高，大气压强没有变化，将气泡内气体看作理想气体．则上升过程中，以下说法正确的是( )
图5
A．气泡内气体对外界做功
B．气泡内气体分子平均动能增大
C．气泡内气体温度升高导致放热
D．气泡内气体的压强可能不变
答案 AB
解析 气泡内气体压强p＝p0＋ρgh，气泡上升过程中，其压强减小，温度升高，根据理想气体状态方程eq \f(pV,T)＝c，体积一定增大，故气泡内气体对外界做功，故A正确，D错误．温度是分子平均动能的标志，温度升高，气泡内气体分子平均动能增大，气泡内气体内能增大，即ΔU>0，体积增大，即W<0，根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q可得Q>0，即气泡内的气体吸热，故B正确，C错误．
12.(1)某同学做了一个小实验：先把空的烧瓶放入冰箱冷冻，一小时后取出烧瓶，并迅速把一个气球紧密地套在瓶颈上，然后将烧瓶放进盛满热水的烧杯里，气球逐渐膨胀起来，如图6所示．这是因为烧瓶里的气体吸收了水的____________，温度____________，体积________．
图6
(2)若只对一定质量的理想气体做1 500 J的功，可使其温度升高5 K．若改成只用热传递的方式，使气体温度同样升高5 K，那么气体吸收________ J的热量．如果对该气体做了2 000 J的功，使其温度升高了5 K，表明在该过程中，气体还________(选填“吸收”或“放出”)________J的热量．
答案 (1)热量 升高 增大 (2)1 500 放出 500
解析 (1)烧瓶内的气体要从热水中吸收热量，温度升高，体积增大．
(2)做功和热传递都可以改变物体的内能，且是等效的．
13．(2020·河北衡水中学高三月考)如图7甲所示，导热性能良好的圆柱形气缸放在水平地面上，开口向上，用横截面积为S的活塞封闭一定质量的理想气体，活塞到气缸
底部的距离为h，此时环境温度为T0(热力学温度)．已知大气压强恒为p0，活塞的质量为m＝eq \f(p0S,g)，现将一质量也为m的重物轻放在活塞上，同时缓慢升高环境温度，活塞静止后到气缸底部的距离为eq \f(3,4)h(如图乙所示)，该过程气体从外界吸收的热量为Q.重力加速度为g，不计活塞与气缸之间的摩擦，求：
图7
(1)最终气体的热力学温度T；
(2)上述过程中气体内能的变化量ΔU.
答案 (1)eq \f(9,8)T0 (2)Q＋eq \f(3,4)p0Sh
解析 (1)题图甲中，气缸内气体的压强p1＝p0＋eq \f(mg,S)＝2p0
题图乙中，气缸内气体的压强p2＝p0＋eq \f(2mg,S)＝3p0
由理想气体状态方程得eq \f(p1hS,T0)＝eq \f(p2S·\f(3,4)h,T)
联立解得T＝eq \f(9,8)T0.
(2)上述过程中外界对气体做功为
W＝(p0S＋2mg)(h－eq \f(3,4)h)＝eq \f(3,4)p0Sh
由热力学第一定律知ΔU＝Q＋W
联立解得ΔU＝Q＋eq \f(3,4)p0Sh.内能
机械能
对应的运动形式
微观分子热运动
宏观物体机械运动
常见的能量形式
分子动能、分子势能
物体动能、重力势能、弹性势能
影响因素
物质的量、物体的温度、体积及物态
物体的质量、机械运动的速度、相对于零势能面的高度、弹性形变量
大小
永远不等于零
一定条件下可以等于零
联系
在一定条件下可以相互转化
符号
W
Q
ΔU
＋
体积减小，外界对热力学系统做功
热力学系统吸收热量
内能增加
－
体积增大，热力学系统对外界做功
热力学系统放出热量
内能减少
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