2022年高中物理同步讲义(选修性必修3)第11讲-热力学第一定律(原卷版).docx

第11讲 热力学第一定律
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课标解读
知道热力学第一定律
理解热力学第一定律，并会运用于分析和计算

知识精讲

知识点 热力学第一定律
1．改变内能的两种方式：做功与传热．两者对改变系统的内能是等价的。
2．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。
3．热力学第一定律的表达式：ΔU＝Q＋W。
4．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：外界对系统传递的热量Q取正值；系统向外界传递的热量Q取负值．(均选填“正”或“负”)。
【知识拓展】
1．对公式ΔU＝Q＋W符号的规定
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

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(或减少)量等于外界对系统(或物体对外界)做的功；
(2)等容过程：W＝0，则ΔU＝Q，物体内能的增加量(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：始末状态一定质量理想气体的内能不变，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；
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。
【即学即练1】如图所示，绝热容器中间用隔板隔开，左侧装有理想气体，右侧为真空。现将隔板抽掉，使左侧理想气体自由膨胀直至达到平衡，已知气体自由膨胀过程中不对外界做功，则在此过程中（　　）

A．气体温度降低，内能减少 B．气体温度不变，内能不变
C．气体温度升高，内能增加 D．气体内能一定不变，但温度可能改变
【即学即练2】对于分子动理论和物体内能的理解，下列说法正确的是（　　）
A．温度高的物体内能一定大，分子平均动能一定大
B．外界对物体做功，物体内能一定增加
C．温度越高，布朗运动越显著
D．当分子间的距离增大时，分子间作用力就一直减小
能力拓展

考法 热力学第一定律
【典例1】一定质理的理想气体变化图像如图所示，气体从1→2→3的过程对外做的功为，从外界吸收的热量为，气体内能的变化量为；气体从1→4→3的过程对外做的功为，从外界吸收的热量为，气体内能的变化量为，则它们之间的关系正确的是（　　）

A．，， B．，，
C．，， D．，，
分层提分

题组A 基础过关练
1．恒温的水池中，有一气泡缓慢上升，在此过程中，气泡的体积会逐渐增大，不考虑气泡内气体分子势能的变化，下列说法中正确的是（　　）
A．气泡内的气体对外界做功
B．气泡内的气体内能增加
C．气泡内的气体与外界没有热传递
D．气泡内气体分子的平均动能减小
2．下列关于能量转化的现象的说法中，正确的是（　　）
A．用太阳灶烧水是太阳能转化为电能
B．电灯发光是电能转化为光能
C．核电站发电是电能转化为内能
D．生石灰放入盛有凉水的烧杯里，水温升高是动能转化为内能
3．下列关于分子运动和热现象的说法正确的是（　　）
A．气体如果失去了容器的约束就会散开，这是因为气体分子之间存在斥力的缘故
B．一定质量100℃的水变成100℃的水蒸气，其分子之间的势能增加
C．对于一定量的气体，如果压强不变，体积增大，那么它一定向外界放热
D．如果气体分子总数不变，而气体温度升高，气体分子的平均动能增大，因此压强必然增大
4．如图所示，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B，B的两边分别盛有气体甲和乙。现将活塞P缓慢地向B移动一段距离，则在移动P的过程中（　　）

A．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
C．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
5．一定质量的的冰熔为的水时，其分子的动能之和Ek和分子的势能之和Ep的变化情况是（　　）
A．Ek变大，Ep变小 B．Ek变小，Ep变大
C．Ek不变，Ep变大 D．Ek不变，Ep变小
6．如图所示，绝热容器中间用隔板隔开，左侧装有气体，右侧为真空。现将隔板抽掉，使左侧气体自由膨胀直至达到平衡，则在此过程中（　　）

A．气体不做功，温度不变，内能不变 B．气体不做功，温度不变，内能减少
C．气体对外界做功，温度降低，内能减少 D．气体对外界做功，温度不变，内能减少
7．下列关于内能的说法中，正确的是（ ）
A．不同的物体，若温度相等，则内能也相等
B．物体速度增大，则分子动能增大，内能也增大
C．对物体做功或向物体传热，都可能改变物体的内能
D．冰熔解成水，温度不变，则内能也不变
8．1912年,英国物理学家威尔逊发明了观察带电粒子运动径迹的云室,结构如图所示,在圆筒容器中加入少量酒精,使云室内充满酒精饱和蒸汽,迅速向下拉动活塞,下说法正确的是（ ）

A．室内气体温度降低,酒精饱和蒸汽压降低
B．室内气体温度升高,酒精饱和蒸汽压降低
C．室内气体温度降低,酒精饱和蒸汽压升高
D．室内气体温度升高,酒精饱和蒸汽压升高
9．在热力学第一定律的表达式ΔU=W+Q中,关于ΔU、W、Q各个物理量的正、负,下列说法中正确的是(　　)
A．外界对物体做功时W为正,吸热时Q为负,内能增加时ΔU为正
B．物体对外界做功时W为负,吸热时Q为正,内能增加时ΔU为负
C．外界对物体做功时W为负,吸热时Q为负,内能增加时ΔU为负
D．物体对外界做功时W为负,吸热时Q为正,内能增加时ΔU为正
10．下列说法正确的是（　　）
A．气体的体积是所有气体分子的体积之和
B．气体的体积很难被压缩，这是分子间存在斥力的宏观表现
C．物体的内能就是组成该物体的所有分子热运动动能的总和
D．1g0ºC水的内能比1g0ºC冰的内能大

题组B 能力提升练
1．关于物体的内能，下列说法正确的是（　　）
A．水分子的内能比冰分子的内能大
B．物体所处的位置越高分子势能越大
C．一定质量的0℃的水结成的0℃冰，内能一定减少
D．相同质量的两个同种物体，运动物体的内能一定大于静止物体的内能
2．回热式制冷机是一种深低温设备，制冷极限约50 K，某台设备工作时，一定量的氦气（可视为理想气体）缓慢经历如图所示的四个过程：从状态A到B和C到D是等温过程；从状态B到C和D到A是等容过程，体积分别为V0和5V0。下列说法正确的是（　　）

A．图中t1< t2 B．压强pD=5pC
C．B到C过程外界对氦气做正功 D．整个循环过程A-B-C-D-A氦气系统要放热
3．如图所示是架在屋顶的太阳能热水器。已知单位时间内太阳垂直射到地面附近单位面积的能量E0为7×103J/（m2·s）。一台热水器的聚热面积为2m2，若每天相当于太阳直射热水器4h，太阳能的20%可转化为水的内能，下列分析正确的是（　　）

A．太阳垂直射到地面附近的单位面积的热辐射功率为7×103W
B．这台热水器单位时间聚集的太阳能最多为7×103J
C．这台热水器一天内最多能利用的太阳能为5.6×104J
D．这台热水器全年内最多转化的水的内能约为1.4×1010J
4．对一定质量的理想气体，下列说法正确的是（　　）
A．该气体在体积缓慢增大的过程中，温度可能不变
B．该气体在压强增大的过程中，一定吸热
C．如果该气体与外界没有发生热量交换，则其分子的平均动能一定不变
D．该气体经等温压缩后，其压强一定增大，且此过程一定吸收热量
5．一定量的气体在某一过程中，外界对气体做了8×104J的功，气体的内能减少了1.2×105J，则下列各式中正确的是（　　）
A．W8×104J，J，
B．W＝8×104J，J，
C．W－8×104J，J，
D．W－8×104J，，
6．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a→b和c→d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（　　）

A．在d→a的过程中，气体温度升高
B．在a→b过程外界对气体做的功大于在c→d过程气体对外界做的功
C．在a→b的过程中，由于该过程绝热，故外界对其做的功全部用于增加内能
D．在b→c的过程中，气体温度不变
7．为适应太空环境，去太空执行任务的航天员都要穿上航天服，航天服有一套生命保障系统，为航天员提供合适的温度、氧气和气压，让航天员在太空中如在地面上一样，假如在地面上航天服内气压为1atm，气体体积为2L，到达太空后由于外部气压低，航天服急剧膨胀，内部气体体积变为4L，使航天服达到最大体积，假设航天服内气体可视为理想气体且温度不变，将航天服视为封闭系统（　　）
A．由地面到太空过程中航天服内气体分子平均动能减小
B．由地面到太空过程中航天服内气体的分子数密度不变
C．由地面到太空过程中航天服内气体放热
D．若开启航天服生命保障系统向航天服内充气，使航天服内的气压缓慢达到0.9atm，则需补充1atm的等温气体1.6L
8．有一种在超市中常见的“强力吸盘挂钩”如图甲所示。图乙、图丙是其工作原理示意图。使用时，按住锁扣把吸盘紧压在墙上（如图乙），然后把锁扣扳下（如图丙），让锁扣以盘盖为依托把吸盘向外拉出，使吸盘牢牢地被固定在墙壁上，若吸盘内气体可视为理想气体，且温度始终保持不变。则此过程中（　　）

A．吸盘内气体要吸收热量 B．吸盘内气体分子的密度增大
C．吸盘被向外拉出过程中，吸盘内气体不对外界做功 D．吸盘内气体压强增大
9．一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图像如图所示。下列说法正确的有（　　）

A．A→B的过程中，气体对外界做功 B．A→B的过程中，气体吸收热量
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
10．如图所示，一定质量的理想气体从状态A开始，经历两个过程，先后到达状态B和C。有关A、B和C三个状态温度TA、TB和TC的关系，正确的是（　　）

A．TA＜TB，从状态A到状态B的过程中，气体的内能不变
B．TA＞TB，从状态A到状态B的过程中，气体的内能减少
C．TB＜TC，从状态B到状态C的过程中，气体的内能增加
D．TB＞TC，从状态B到状态C的过程中，气体的内能减少

题组C 培优拔尖练
1．如图所示为一定质量的理想气体从状态a开始，经历、、三个过程回到原状态，其体积V随摄氏温度t变化关系如图所示，已知该气体所含的分子总数为N，、、分别表示状态a、b、c的压强。下列判断正确的是（　　）

A．状态a、b的压强大小满足
B．状态c时气体分子的体积为
C．b到c过程中气体放出热量
D．c到a过程中单位时间内单位器壁受到分子撞击的次数逐渐减少
2．带有活塞的气缸内封闭一定量的理想气体，其状态变化如图所示。气体开始处于状态A，由过程到达状态B，其内能减小了E，后又经过程到达状态C。设气体在状态A时的压强、体积和温度分别为、和。在状态B时的体积为，状态C时的温度为。则下列说法正确的是（　　）

A．气体在状态B时的温度
B．气体在状态B时的温度
C．过程中，气体放出的热量
D．过程中，气体放出的热量
3．如图所示，一定质量的理想气体，由状态A沿直线AB过程变化到状态B，再由B沿直线BC过程变化到状态C，然后由C沿直线CA过程变化到状态A，在此循环过程中，下列说法正确的是（　　）

A．在AB过程中，气体分子的平均速率不变
B．在AB过程中，气体对外做的功大于气体吸收的热量
C．在BC过程中，气体的内能减小
D．经过ABCA一个循环过程，气体对外做的功等于从外界吸收的热量
4．下列关于分子运动和热现象的说法正确的是（　　）
A．一定量100℃的水变成100℃的水蒸汽，其内能增大。
B．一定质量的气体温度升高，单位时间内撞击容器壁单位面积上的分子数一定增多
C．某气体的摩尔质量是M，标准状态下的摩尔体积为V，阿伏伽德罗常数为NA，则每个气体分子在标准状态下的体积为
D．一定质量的理想气体，如果压强不变，体积增大，那么它一定从外界吸热
5．如图所示，绝热隔板把绝热的汽缸分成体积相等的两部分，与汽缸壁的接触是光滑的，两部分中分别盛有相同质量、相同温度的同种理想气体和。现通过电热丝对气体加热一段时间后，、各自达到新的平衡，下列说法正确的是（　　）

A．的温度升高
B．的体积增大，压强变小
C．加热后的分子热运动比的分子热运动更激烈
D．的体积减小，压强增大
6．一定质量的理想气体从状态开始，经、、三个过程后回到初始状态，其图像如图所示。已知、、，下列说法正确的是（　　）

A．气体在过程中压强增大
B．气体在过程中从外界吸收的热量等于增加的内能
C．气体在过程中外界对气体做的功等于气体向外界放出的热量
D．气体在过程中内能的减少量大于过程中内能的增加量
7．下列说法正确的是（　　）
A．足球充足气后很难压缩，是因为足球内气体分子间斥力作用的结果
B．一定质量的理想气体经过等容过程，吸收热量，其内能一定增加
C．气体分子单位时间内与单位面积器壁碰撞的次数，与单位体积内气体的分子数和气体温度有关
D．在“用油膜法估测分子的大小”的实验中，将油酸酒精溶液的体积直接作为油酸的体积进行计算，会使分子直径计算结果偏大
8．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．气体的内能不变
B．气体来不及与外界发生热交换，对外做功，温度降低
C．气体膨胀时，热量散得太快，使气体温度降低了
D．气体分子的平均动能减小
9．如图是某种喷雾器示意图，在贮液筒内装入一些药液后将密封盖盖好。多次拉压活塞充气，然后打开喷嘴开关，活塞位置不再改变，药液可以持续地喷出，贮液筒内的空气可视为理想气体，设充气和喷液过程筒内的空气温度可视为不变，下列说法正确的是（　　）

A．充气过程中，贮液筒内的气体内能增大
B．充气过程中，贮液筒内的气体压强增大，体积也变大
C．喷液过程中，贮液筒内的气体压强减小，气体内能减小
D．喷液过程中，贮液筒内的气体吸收热量全部用来对外做功
10．景颇族的祖先发明的点火器如图所示，用牛角做套筒，木制推杆前端粘着艾绒。猛推推杆，艾绒即可点燃。对筒内封闭的气体，在此压缩过程中（　 　）

A．气体温度升高，压强不变
B．气体温度升高，压强变大
C．外界对气体做正功，气体内能增加
D．外界对气体做正功，气体内能减少
11．如图所示，水平地面上放置一个内壁光滑的绝热汽缸，汽缸开口朝上，缸内通过轻质活塞封闭一部分气体。初态时气体压强为一个大气压，温度为27 ℃，活塞到汽缸底部距离为30 cm。现对缸内气体缓慢加热到427 ℃，缸内气体膨胀而使活塞缓慢上移，这一过程气体内能增加了100 J。已知汽缸横截面积为50 cm2，总长为50 cm，大气压强为1.0×105 Pa。汽缸上端开口小于活塞面积，不计活塞厚度，封闭气体可视为理想气体。求：
（1）活塞刚到气缸顶部时封闭气体的温度；
（2）末态时（427 ℃）缸内封闭气体的压强；
（3）封闭气体共吸收了多少热量。

12．如图所示，竖直放置的圆柱形气缸由上下两部分组成，上面部分横截面为4S，下面部分横截面为S，两部分高度均为H。气缸顶部与大气连通，其余部分绝热。有一质量m=的绝热活塞放在气缸的水平段MN、PQ的垫片上，垫片体积、厚度均不计。一定量理想气体被封闭在气缸下面部分，初始时封闭气体压强为0.5p0，温度为T0，现用电热丝对封闭气体缓慢加热。不计活塞厚度以及其与气缸之间的摩擦，活塞移动时保持水平且与气缸之间气密性良好，大气压强为p0，重力加速度为g。求：
（1）活塞刚好与MN、PQ的垫片分离时封闭气体的温度T1；
（2）当活塞恰升至气缸口时封闭气体的温度T2；
（3）若从开始到活塞恰升至气缸口的过程，封闭气体内能增加量为ΔU，则电热丝对气体提供的热量Q为多少？