高中物理2 热力学第一定律导学案

第2节热力学第一定律

自主学习·必备知识

教材研习

教材原句

要点热力学第一定律

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。

自主思考

①对于某一系统，当外界对系统做功为，又对系统传热为时，系统内能的增量应该是多少？

答案：提示系统内能的增量。

名师点睛

热力学第一定律的理解

（1）热力学第一定律将单纯的绝热过程和单纯的热传递过程中内能改变的定量表述推广到一般情况。既有做功又有热传递的过程中，公式中表示内能的变化量，表示外界对系统做功，表示外界向系统传递的热量。

（2）热力学第一定律的表达式也适用于物体对外界做功、向外界散热和内能减少的情况，在应用进行计算时，注意它们的正、负。

互动探究·关键能力

见学用157页

探究点一热力学第一定律的理解和应用

情境探究

1.如图所示，汽缸内封闭了一定质量的气体。

（1）快速推动活塞，对汽缸内气体做功，气体内能改变了多少？

（2）若保持气体体积不变，外界对汽缸内气体传递的热量，气体内能改变了多少？

（3）若推动活塞压缩气体，对汽缸内气体做功的同时给汽缸传递的热量，气体内能改变了多少？内能的变化比单一方式有什么不同？

答案：（1）提示快速推活塞过程中，有，根据功和内能变化的关系，可知气体内能增加了。

（2）保持气体体积不变，则，根据热和内能变化的关系，可知气体内能增加了。

（3）气体内能增加了，汽缸内气体内能的变化量等于活塞对气体所做的功与外界对汽缸内气体传递的热之和，内能变化会比单一方式变化得更明显。

探究归纳

1.公式的符号规定

2.热力学第一定律的几种特殊情况

（1）若过程是绝热的，即，则，外界对物体做的功等于物体内能的增加量。

（2）若过程中不做功，即，则，物体吸收的热量等于物体内能的增加量。

（3）若过程中物体的始、末内能不变，即，则或，外界对物体做的功等于物体放出的热量。

3.应用热力学第一定律解题的思路与步骤

（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）分别列出物体(或系统)吸收或放出的热量；外界对物体(或系统)所做的功或物体(或系统)对外所做的功。

（3）根据热力学第一定律列出方程进行求解。

（4）特别注意的就是物理量的正负号及其物理意义。

探究应用

例（多选）（2021江苏南通高三月考）如图所示，由导热材料制成的汽缸和活塞将一定质量的理想气体封闭在汽缸内，活塞与汽缸壁之间无摩擦，活塞上方存有少量液体，将一细管插入液体，活塞上方液体会缓慢流出，在此过程中，大气压强与外界的温度保持不变，则关于这一过程中汽缸内的气体(      )

A.单位时间内气体分子对活塞撞击的次数增多

B.气体分子间存在的斥力是活塞向上运动的原因

C.气体分子的速率分布情况不变

D.气体对外界做的功等于气体从外界吸收的热量

答案： ;

解析：活塞上方液体逐渐流出，对活塞受力分析可得，汽缸内气体压强减小，又汽缸内气体温度不变，则单位时间内气体分子对活塞撞击的次数减少，故项错误；气体分子对活塞的碰撞是活塞向上运动的原因，故项错误；外界的温度保持不变，导热材料制成的汽缸内气体温度不变，气体分子的速率分布情况不变，故项正确；汽缸内气体温度不变，汽缸内气体内能不变；汽缸内气体压强减小，体积变大，气体对外界做功；根据热力学第一定律可得，气体对外界做的功等于气体从外界吸收的热量，故项正确。

迁移应用

1.如图所示，直立容器内部有被隔板隔开的、两部分气体，的密度小，的密度大，抽去隔板，加热气体，使两部分气体均匀混合，设在此过程中气体吸收热量为、气体内能增加量为，则(      )

A.

B.

C.

D.无法比较

答案：

解析：因的密度大，两部分气体混合后，整体重心升高，重力做负功，由热力学第一定律可得。

探究点二热力学第一定律和气体实验定律的综合应用

情境探究

1.爆米花酥脆可口、老少皆宜，是许多人喜爱的休闲零食。如图为“中国老式高压爆米花机”，那“嘭”的一声巨响，是许多70后、80后人童年的有趣记忆。玉米在铁质的密闭容器内被加热，封闭气体被加热成高温高压气体，当打开容器盖后，气体迅速膨胀，压强急剧减小，玉米粒就“爆炸”成了爆米花。思考以下问题：

（1）若加热前温度为，大气压为，密闭容器打开前的气体压强达到。试分析打开容器前气体的温度。

（2）假定在一次打开的过程中，容器内气体膨胀对外界做功，并向外释放了的热量，容器内原有气体的内能如何变化？变化了多少？

答案：（1）提示根据查理定律得，其中，，。解得，则。即打开容器前气体的温度为。

（2）由热力学第一定律，得，故内能减少。

探究归纳

1.对理想气体应用热力学第一定律

（1）对于理想气体来说，因不考虑分子势能，故其内能为所有分子动能的总和（即等于分子数与分子热运动的平均动能的乘积）。内能仅由分子数与温度决定，因此对于一定质量的理想气体来说，内能是否变化取决于其温度是否变化。升温，为正;降温，为负;温度不变，。

（2）理想气体是否做功，取决于其体积的变化。若体积变大，则气体对外界做功；体积变小，则外界对气体做功；体积不变，则做功为零。

（3）热量取决于容器是绝热的还是导热的，并不是温度升高吸热，温度降低放热。

（4）外界对理想气体做功或理想气体对外界做功时，若恒压膨胀，即压强不变时，功的计算公式为为理想气体的压强、为理想气体体积的变化量）。

2.理想气体与热力学第一定律综合问题的解法

探究应用

例（2021重庆西南大学附中高三月考）如图所示，一导热性能良好的球形容器内部不规则，某兴趣小组为了测量它的容积，在容器上插入一根两端开口的长玻璃管，接口处用蜡密封。玻璃管内部横截面积为，管内一长为的静止水银柱封闭着长度为的空气柱，此时外界温度为。现把容器浸在温度为的热水中，水银柱缓慢上升，当水银柱重新静止时下方空气柱长度变为。实验过程中认为大气压没有变化，大气压（相当于高水银柱的压强）。（的热力学温度值为，忽略水银柱与玻璃管壁之间的阻力）

（1）容器的容积为多少？

（2）若实验过程中管内气体内能增加了，请判断气体是从外界吸收热量还是向外界放出热量，并计算热量的大小。

答案：（1）（2）从外界吸热

解析：（1）设容器的容积为，，由盖-吕萨克定律得

（2）因为气体膨胀对外做功，而内能增加，由热力学第一定律可知，气体从外界吸收热量容器内气体压强为气体对外做功为由热力学第一定律得得吸收的热量

迁移应用

1.（多选）（2021天津耀华中学高三月考）一定质量的理想气体由状态经状态、到状态，其体积与热力学温度的关系如图所示，、、三点在同一直线上，和平行于横轴，平行于纵轴，则下列说法正确的是(      )

A.由状态变到状态的过程中，气体吸收热量，每个气体分子的动能都会增大

B.从状态到状态，气体对外做功，内能减小

C.从状态到状态，气体内能增加

D.从状态到状态，气体密度不变

答案： ;

解析：由状态变到状态过程中，气体体积不变，则，温度升高，分子的平均动能增大，但并不是每个分子的动能都增大；同时，根据可知气体吸收热量，项错误。从状态到，气体温度不变，内能不变；体积变大，则气体对外做功，项错误。从状态到状态气体温度升高，则内能增加，项正确。从状态到状态，气体体积不变，则气体的密度不变，项正确。