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第3讲热力学第一定律与能量守恒定律知识排查热力学第一定律1.改变物体内能的两种方式(1)做功；(2)热传递。2.热力学第一定律(1)内容：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。(2)表达式：ΔU＝Q＋W。(3)ΔU＝Q＋W中正、负号法则能量守恒定律1.内容能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为另一种形式，或者是从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变。2.条件性能量守恒定律是自然界的普遍规律，某一种形式的能是否守恒是有条件的。3.第一类永动机是不可能制成的，它违背了能量守恒定律。小题速练思考判断(1)做功和热传递的实质是相同的。()(2)绝热过程中，外界压缩气体做功20J，气体的内能一定减少。()(3)物体吸收热量，同时对外做功，内能可能不变。()(4)在给自行车打气时，会发现打气筒的温度升高，这是因为外界对气体做功。()(5)自由摆动的秋千摆动幅度越来越小，能量正在消失。()答案(1)×(2)×(3)√(4)√(5)×热力学第一定律与能量守恒定律1.做功和热传递的区别做功与热传递在改变内能的效果上是相同的，但是从运动形式、能量转化的角度上看是不同的。做功是其他形式的运动和热运动的转化，是其他形式的能与内能之间的转化；而热传递则是热运动的转移，是内能的转移。2.三种特殊情况(1)若过程是绝热的，则Q＝0，W＝ΔU，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W＝0，则Q＝ΔU，物体吸收的热量等于物体内能的增加量。(3)若过程的始末状态物体的内能不变，即ΔU＝0，则W＋Q＝0或W＝－Q。外界对物体做的功等于物体放出的热量。【例1】如图1，用隔板将一绝热汽缸分成两部分，隔板左侧充有理想气体，隔板右侧与绝热活塞之间是真空。现将隔板抽开，气体会自发扩散至整个汽缸。待气体达到稳定后，缓慢推压活塞，将气体压回到原来的体积。假设整个系统不漏气。下列说法正确的是________。图1A.气体自发扩散前后内能相同B.气体在被压缩的过程中内能增大C.气体在被压缩的过程中，外界对气体做功D.气体在被压缩的过程中，气体分子的平均动能不变解析因为汽缸、活塞都是绝热的，隔板右侧是真空，所以理想气体在自发扩散的过程中，既不吸热也不放热，也不对外界做功。根据热力学第一定律可知，气体自发扩散前后，内能不变，选项A正确；气体被压缩的过程中，外界对气体做功，气体内能增大，又因为一定质量的理想气体的内能只与温度有关，所以气体温度升高，分子平均动能增大，选项B、C正确，D错误。答案ABC【例2】(2018·江苏单科)如图2所示，一定质量的理想气体在状态A时压强为2.0×105Pa，经历A→B→C→A的过程，整个过程中对外界放出61.4J热量。求该气体在A→B过程中对外界所做的功。图2解析整个过程中，外界对气体做功W＝WAB＋WCA，且WCA＝pA(VC－VA)由热力学第一定律ΔU＝Q＋W，得WAB＝－(Q＋WCA)代入数据得WAB＝－138.6J，即气体对外界做的功为138.6J答案138.6J应用热力学第一定律注意三点(1)做功看体积：体积增大，气体对外做功，W为负；体积缩小，外界对气体做功，W为正。气体向真空中自由膨胀，对外界不做功，W＝0。(2)与外界绝热，则不发生热传递，此时Q＝0。(3)由于理想气体没有分子势能，所以当它的内能变化时，主要体现在分子动能的变化上，从宏观上看就是温度发生了变化。热力学第一定律与气体实验定律的综合应用【例3】(2018·江苏省南京高三学情调研)如图3所示，一定质量的理想气体，在状态A的温度tA＝27℃，则状态C的温度TC＝________K；气体从状态A依次经过状态B、C后再回到状态A，此过程中气体将________热量(选填“吸收”或“放出”)。图3解析气体由A到C压强不变，由VATA＝VCTC可知1300＝3TC，所以TC＝900K；由A到B，气体对外界做功的数值等于AB线下方的梯形面积，从B到C，外界对气体不做功，从C到A，气体被压缩，外界对气体做功的数值等于CA线下方的矩形面积，所以全过程外界对气体做正功，而回到状态A气体内能不变，由热力学第一定律知此过程中气体放热。答案900放出【例4】(2018·江苏省苏锡常镇四市高三教学情况调研)如图4所示，轻质活塞将体积为V0、温度为3T0的理想气体，密封在内壁光滑的圆柱形导热汽缸内。已知大气压强为p0，大气的温度为T0，气体内能U与温度的关系为U＝aT(a为常量)。在汽缸内气体温度缓慢降为T0的过程中，求：图4(1)气体内能的减少量；(2)气体放出的热量。解析(1)由题意可知ΔU＝aΔT＝－2aT0(2)设温度降低后的体积为V2，则V03T0＝V2T0外界对气体做功W＝p0(V0－V2)由热力学第一定律得ΔU＝W－Q解得Q＝23p0V0＋2aT0答案(1)2aT0(2)23p0V0＋2aT01.(2019·扬州第一学期期末)给一定质量的温度为0℃的水加热，在水的温度由0℃上升到4℃的过程中，水的体积随着温度的升高反而减小，我们称之为“反常膨胀”。查阅资料知道：在水反常膨胀的过程中，体积减小是由于水分子之间的结构发生了变化，但所有水分子间的总势能是增大的。由此可知，反常膨胀时，水分子的平均动能________(选填“增大”“减小”或“不变”)，吸收的热量________(选填“大于”“小于”或“等于”)所有水分子的总内能增加量。解析温度是分子平均动能的标志，温度升高，分子的平均动能增大，所有水分子间的总势能增大，内能是增大的。同时外界对水做功，根据热力学第一定律，吸收的热量小于所有水分子的总内能增加量。答案增大小于2.(2018·扬州中学模拟)如图5甲所示，用面积为S的活塞在汽缸内封闭着一定质量的理想气体，活塞上放一砝码，活塞和砝码的总质量为m。现使汽缸内的气体缓缓按图乙所示的规律变化，汽缸内的气体从状态A变化到状态B。若该过程中气体内能发生了变化，气体柱高度增加了ΔL。外界大气压强为p0。图5(1)下列说法中正确的是________。A.该过程中汽缸内气体的压强始终为p0B.该过程中气体的内能不断增大C.该过程中气体不断从外界吸收热量D.气体在该过程中吸收的热量大于它对外界做的功(2)汽缸内气体的温度为T1时，气体柱的高度为L＝________(用图中和题目中给出的字母表示)。(3)若气体从状态A变化到状态B的过程中从外界吸收的热量为Q，则被封闭气体的内能变化了多少？解析(1)根据图乙可知气体在该过程中发生的是等压变化，该过程中汽缸内气体的压强始终为p0＋mgS，选项A错误；由图乙可知气体温度升高，内能增大，气体体积膨胀对外做功，根据热力学第一定律可知，气体必定从外界吸收热量，且气体从外界吸收的热量大于气体对外做的功，选项B、C、D正确。(2)由盖－吕萨克定律得V1T1＝V2T2，即L·ST1＝（L＋ΔL）·ST2，解得L＝T1·ΔLT2－T1。(3)对活塞和砝码整体，由力的平衡条件得mg＋p0S＝pS解得p＝p0＋mgS气体从状态A变化到状态B的过程中对外做的功为W＝pSΔL＝(p0S＋mg)ΔL由热力学第一定律得气体内能的变化量为ΔU＝Q－W＝Q－(p0S＋mg)ΔL。答案(1)BCD(2)T1T2－T1ΔL(3)Q－(p0S＋mg)ΔL3.(1)下列对热学相关知识的判断中正确的是__________。A.对一定质量的气体加热，其内能一定增大B.物体温度升高时，物体内的每个分子的速率都将增大C.对一定质量的理想气体，当它的压强、体积都增大时，其内能一定增大D.自然界中的能量虽然是守恒的，但有的能量便于利用，有的不便于利用，故要节约能源(2)如图6所示，为测量大气压强的实验装置，将一定质量的气体密封在烧瓶内，烧瓶通过细玻璃管与注射器和装有水银的U形管连接，最初竖直放置的U形管两臂中的水银柱等高，烧瓶中气体体积为800mL；现用注射器缓慢向烧瓶中注入200mL的水，稳定后两臂中水银面的高度差为25cm，不计玻璃管中气体的体积，环境温度不变。图6此过程中外界对烧瓶内的气体________(填“做正功”“做负功”或“不做功”)，气体将________(填“吸热”或“放热”)。(3)(2019·南京市、盐城市一模)一定质量的理想气体从状态A经绝热过程到达状态B，再经等容过程到达状态C，此过程的p－V图象如图7所示，图中虚线为等温线。在B→C的过程中，气体吸收热量为12J。则：图7①试比较气体在A和B状态的内能EA、EB的大小；②气体从A→B过程中气体对外界做的功。解析(1)气体内能变化由做功和热传递共同决定，A错误；温度升高，分子的平均动能增大，部分分子速率也会减小，B错误；理想气体压强和体积增大，温度一定增大，内能一定增大，C正确；自然界中的能量在数量上是守恒的，但能量在转化过程中，品质逐渐降低，可利用的能量在逐渐减少，故要节约能源，D正确。(2)气体体积减小，外界对气体做正功，温度不变，气体的内能不变，由热力学第一定律知，应对外放热。(3)①A→B过程绝热，Q＝0，体积V增大，气体对外做功，内能减小，EAEB。②A→B→C过程中有：ΔU＝WAB＋WBC＋QAB＋QBCA、C温度相等，则ΔU＝0A→B过程绝热，则QAB＝0B→C过程等容，则WBC＝0又QBC＝12J，解得WAB＝－12J即气体对外做功12J答案(1)CD(2)做正功放热(3)①EAEB②12J活页作业(时间：35分钟)1.(2018·连云港模拟)关于能量和能源，下列说法正确的是________。A.在能源利用的过程中，能量在数量上并未减少B.由于自然界中总的能量守恒，所以不需要节约能源C.能量耗散说明能量在转化过程中不断减少D.人类在不断地开发和利用新能源，所以能量可以被创造解析根据能量守恒定律可知，在能源使用过程中，能量在数量上并未减少，故选项A正确，C错误；虽然自然界中的总能量不会减少，但是能源的品质会降低，无法再利用，故还需要节约能源，故选项B错误；根据能量守恒可知，能量不会被创造，也不会消失，故选项D错误。答案A2.下列对热学相关知识的判断中正确的是__________。A.对一定质量的气体加热，其内能一定增大B.物体温度升高时，物体内的每个分子的速率都将增大C.对一定质量的理想气体，当它的压强、体积都增大时，其内能一定增大D.自然界中的能量虽然是守恒的，但有的能量便于利用，有的不便于利用，故要节约能源解析气体内能变化由做功和热传递共同决定，选项A错误；温度升高，分子的平均动能增大，部分分子速率也会减小，选项B错误；理想气体压强和体积增大，温度一定增大，内能一定增大，选项C正确；自然界中的能量在数量上是守恒的，但能量在转化过程中，品质逐渐降低，可利用的能量在逐渐减少，故要节约能源，选项D正确。答案CD3.(2017·江苏单科)一定质量的理想气体从状态A经过状态B变化到状态C，其V－T图象如图1所示。下列说法正确的有________。图1A.A→B的过程中，气体对外界做功B.A→B的过程中，气体放出热量C.B→C的过程中，气体压强不变D.A→B→C的过程中，气体内能增加解析由V－T图象知，从A到B的过程中，气体被等温压缩，外界对气体做正功，气体的内能不变。由热力学第一定律知，气体放出热量，选项A错误，B正确；从B到C的过程中气体做等压变化，温度降低，气体内能减少，故选项C正确，D错误。答案BC4.夏天，小明同学把自行车轮胎上的气门芯拔出的时候，会觉得从轮胎里喷出的气体凉，如果把轮胎里的气体视为理想气体，则关于气体喷出的过程，下列说法正确的是________。A.气体的内能减少B.气体的内能不变C.气体来不及与外界发生热交换，对外做功，温度降低D.气体膨胀时，热量散得太快，使气体温度降低了解析气体喷出时，来不及与外界交换热量，发生绝热膨胀，Q＝0，对外做功，热力学第一定律的表达式为W＝ΔU，内能减少，温度降低，温度是分子平均动能的标志，则选项A、C正确。答案AC5.如图2是某喷水壶示意图。未喷水时