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§2 熱力學第一定律
第三章 熱力學定律體
目錄
CONTENTS
熱力學第一定律
01
熱力學第一定律的應用
02
思考與討論：
汽缸內有一定質量的氣體，壓縮氣體的同時給汽缸加熱。那么，氣體內能的變化會比單一方式（做功或傳熱）更明顯。這是為什么呢？
改變內能的兩種方式
做功
熱傳遞
對內
對外
（外界對物體做功）
（物體對外界做功）
（物體從外界吸熱）
（物體對外界放熱）
吸熱
放熱
內能減少
內能增加
內能減少
內能增加
復習與回顧：
絕熱： U=W
僅傳熱： U=Q
如果做功和傳熱都發生那么內能如何變化
熱力學第一定律
01
一、熱力學第一定律
1.內容：一個熱力學系統的內能增量等于外界向它傳遞的熱量與外界對它所做的功的和。
3.意義：熱力學第一定律反映了功、熱量跟系統內能改變之間的定量關系。
ΔU= Q +W
2.公式：
思考與討論：
一定質量的氣體，膨脹過程中是外界對氣體做功還是氣體對外界做功？如果膨脹時氣體對外做功是135J，同時向外放熱85J，氣體內能變化量是多少？內能是增加了還是減少了？請你通過這個例子總結功和熱量取正、負值的物理意義。
熱力學第一定律的應用
02
二、熱力學第一定律的應用
1.定律中各量的正、負號及含義：
物理量 符號 意義 符號 意義
W + -
Q + -
ΔU + -
外界對物體做功
物體吸收熱量
內能增加
物體對外界做功
物體放出熱量
內能減少
ΔU= Q +W
二、熱力學第一定律的應用
2.判斷是否做功的方法：
一般情況下外界對物體做功與否，需看物體的體積是否變化。
(1)若物體體積增大，表明物體對外界做功，W<0。
(2)若物體體積減小，表明外界對物體做功，W>0。
二、熱力學第一定律的應用
3.幾種特殊情況：
(1)若過程是絕熱的，則Q＝0，W＝ΔU，外界對物體做的功等于物體內能的增加。
(2)若過程中不做功，即W＝0，則Q＝ΔU，物體吸收的熱量等于物體內能的增加。
(3)若過程的始末狀態物體的內能不變，即ΔU＝0，則W＋Q＝0或W＝－Q，外界對物體做的功等于物體放出的熱量。
二、熱力學第一定律的應用
4.對理想氣體應用熱力學第一定律：
（1）對于理想氣體來說，因不考慮分子勢能，故其內能為所有分子動能的總和（即等于分子數與分子熱運動的平均動能的乘積）。內能僅由分子數與溫度決定，因此對于一定質量的理想氣體來說，內能是否變化取決于其溫度是否變化。升溫，為正;降溫，為負;溫度不變，。
（2）理想氣體是否做功，取決于其體積的變化。若體積變大，則氣體對外界做功；體積變小，則外界對氣體做功；體積不變，則做功為零。
二、熱力學第一定律的應用
4.對理想氣體應用熱力學第一定律：
（3）熱量取決于容器是絕熱的還是導熱的，并不是溫度升高吸熱，溫度降低放熱。
（4）外界對理想氣體做功或理想氣體對外界做功時，若恒壓膨脹，即壓強不變時，功的計算公式為W=P V（P為理想氣體的壓強、 V為理想氣體體積的變化量）。
【例題】如圖，一臺四沖程內燃機，活塞在壓縮沖程某段時間內移動的距離為0.1 m，這段過程活塞對氣體的壓力逐漸增大，其做的功相當于2×103 N的恒力使活塞移動相同距離所做的功(如圖甲)。內燃機工作時汽缸溫度高于環境溫度，該過程中壓縮氣體傳遞給汽缸的熱量為25 J。
(1)求上述壓縮過程中氣體內能的變化量；
(2)燃燒后的高壓氣體對活塞做功，氣體推動活塞移動0.1 m，其做的功相當于9×103 N的恒力使活塞移動相同距離所做的功(如圖乙)，該做功過程氣體傳遞給汽缸的熱量為30 J，求此做功過程氣體內能的變化量。
分析：根據熱力學第一定律，在第(1)問中，活塞壓縮氣體的過程是外界對系統做功，活塞對氣體所做的功W1為正值；在第(2)問中，氣體膨脹推動活塞的過程是系統對外界做功，氣體對外界所做的功W2為負值。在兩種情況下，氣體都把熱量傳遞給了汽缸，都屬于放熱，因此Q1、Q2均為負值。
解：(1)壓縮過程活塞對氣體做的功：W1＝F1l1＝2×103×0.1 J＝200 J
氣體內能的變化量：ΔU1＝W1＋Q1＝200 J－25 J＝175 J。
(2)氣體膨脹過程中外界對氣體所做的功：W2＝－F2l2＝－9×103×0.1 J＝－900 J
氣體內能的變化量：ΔU2＝W2＋Q2＝－900 J－30 J＝－930 J
方法總結：
應用熱力學第一定律解題的一般步驟
(1)首先應明確研究對象是哪個物體或者是哪個熱力學系統。
(2)分別列出物體或系統吸收或放出的熱量；外界對物體或系統所做的功或物體或系統對外所做的功。
(3)根據熱力學第一定律ΔU＝Q＋W列出方程進行求解。
(4)特別應注意的就是物理量的正負號及其物理意義。

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