資源簡介

第1節　熱力學第一定律
第2節　能量的轉化與守恒
1~4、6~8題每題7分，5題8分，共57分
考點一　熱力學第一定律
1.關于內能的變化，以下說法正確的是 (　　)
A.物體吸收熱量，內能一定增大
B.物體對外做功，內能一定減少
C.物體吸收熱量，同時對外做功，內能可能不變
D.物體放出熱量，同時對外做功，內能可能不變
2.(2023·北京市豐臺區高二月考)如圖所示，現用活塞壓縮封閉在氣缸內的空氣，對空氣做了90 J的功，同時空氣向外散熱21 J，關于氣缸內空氣的內能變化情況，下列說法正確的是 (　　)
A.內能增加90 J B.內能增加69 J
C.內能減小111 J D.內能減少21 J
3.一定質量的理想氣體，從某一狀態開始，經過一系列變化后又回到開始的狀態，用W1表示外界對氣體做的功，W2表示氣體對外界做的功，Q1表示氣體吸收的熱量，Q2表示氣體放出的熱量，則在整個過程中一定有 (　　)
A.Q1-Q2=W2-W1 B.Q1=Q2
C.W1=W2 D.Q1>Q2
4.恒溫環境中，在導熱性能良好的注射器內，用活塞封閉了一定質量的理想氣體，用力緩慢向外拉活塞，此過程中 (　　)
A.封閉氣體分子間的平均距離減小
B.封閉氣體分子的平均速率減小
C.封閉氣體從外界吸熱
D.活塞對封閉氣體做正功
5.(8分)(2024·四川省綿陽中學開學考)列車運行的平穩性與車廂的振動密切相關，車廂底部安裝的空氣彈簧可以有效減震，空氣彈簧主要由活塞、氣缸及內封的一定質量的氣體構成。上下乘客及劇烈顛簸均能引起車廂振動，上下乘客時氣缸內氣體的體積變化緩慢，氣體與外界有充分的熱交換，劇烈顛簸時氣缸內氣體的體積變化較快，氣體與外界來不及熱交換。若外界環境溫度保持不變，氣缸內氣體視為理想氣體，在氣體壓縮的過程中，當上下乘客時，氣體的內能　　　　(選填“增加”“減少”或“不變”)，氣體從(向)外界　　　　(選填“吸熱”或“放熱”)；劇烈顛簸時，　　　　　　　　(選填“外界對氣體”或“氣體對外界”)做功，氣體的溫度　　　　(選填“升高”“降低”或“不變”)。
考點二　能量守恒定律　永動機不可能制成
6.下列說法正確的是 (　　)
A.條形磁鐵下落過程中穿過閉合線圈，線圈中產生了感應電流，說明電能是可以被創造的
B.太陽照射到地球上的光能轉化成了其他形式的能量，但照射到宇宙空間的能量都消失了
C.“既要馬兒跑，又讓馬兒不吃草”違背了能量守恒定律，因而是不可能的
D.有種“全自動”手表，不用上發條，也不用任何形式的電源，卻能一直走動，說明能量是可以憑空產生的
7.(多選)下列關于第一類永動機的說法正確的是 (　　)
A.第一類永動機是不消耗任何能量卻能源源不斷對外做功的機器
B.隨著科技的發展，第一類永動機是可以制成的
C.第一類永動機不可能制成的原因是技術問題
D.第一類永動機不可能制成的原因是違背了能量守恒定律
8.(多選)行駛中的汽車剎車后會滑行一段距離，最后停下；流星在夜空中墜落并發出明亮的火焰；降落傘在空中勻速下降；條形磁鐵在下落過程中穿過閉合線圈，線圈中產生電流。上述不同現象所包含的相同物理過程是 (　　)
A.物體克服阻力做功
B.物體的動能轉化為其他形式的能量
C.物體的勢能轉化為其他形式的能量
D.物體的機械能轉化為其他形式的能量
9、10題9分，10題10分，11題15分，共43分
9.(多選)(2024·鞍山市模擬)氣閘艙是載人航天器中供航天員進入太空或由太空返回用的氣密性裝置，其原理如圖所示。座艙A與氣閘艙B之間裝有閥門K，座艙A中充滿空氣，氣閘艙B內為真空。航天員由太空返回氣閘艙時，打開閥門K，A中的氣體進入B中，最終達到平衡。假設此過程中系統與外界沒有熱交換，艙內氣體可視為理想氣體，下列說法正確的是 (　　)
A.氣體并沒有對外做功，氣體內能不變
B.氣體體積增大，對外做功，內能減小
C.氣體體積增大，壓強減小，溫度降低
D.氣體分子單位時間內對座艙A艙壁單位面積的碰撞次數減少
10.如圖所示，導熱良好的圓筒形氣缸豎直放置在水平地面上，用活塞將一定質量的理想氣體封閉在氣缸內，活塞上堆放著鐵砂，系統處于靜止狀態。現緩慢取走鐵砂，忽略活塞與氣缸之間的摩擦，外界環境溫度不變，則在此過程中缸內氣體 (　　)
A.對外做功，其內能減少
B.溫度不變，與外界無熱量交換
C.分子碰撞缸壁時的平均作用力減小
D.分子在單位時間內對單位面積活塞的碰撞次數減少
11.(10分)如圖所示為壓縮式噴霧器。給儲液罐打足氣，打開開關就可以讓藥液噴撒出來。若罐內氣體溫度保持不變，隨著藥液的不斷噴出，則罐內氣體內能　　　　　(選填“不斷增大”“不斷減小”或“保持不變”)，氣體　　　　　(選填“吸收”或“放出”)熱量。
12.(15分)如圖所示，一定質量的理想氣體被活塞封閉在可導熱的氣缸內，活塞可沿氣缸無摩擦地滑動。活塞橫截面積S=1.0×10-3 m2，質量m=2 kg，氣缸豎直放置時，活塞相對于底部的高度為h=1.2 m，室溫等于27 ℃；現將氣缸置于77 ℃的熱水中，已知大氣壓強p0=1.0×105 Pa，取g=10 m/s2，求：
(1)(7分)平衡時活塞離氣缸底部的距離；
(2)(8分)此過程中內部氣體吸收熱量28.8 J，氣體內能的變化量。
答案精析
1.C　[根據熱力學第一定律ΔU=W+Q，物體內能的變化與做功及熱傳遞兩個因素均有關。物體吸收熱量，內能不一定增大，因為物體可能同時對外做功，故內能可能不變或減少，A錯誤，C正確；物體對外做功，可能同時吸收熱量，故內能可能不變或增大，B錯誤；物體放出熱量，同時對外做功，內能一定減少，D錯誤。]
2.B　[根據題意，由熱力學第一定律ΔU=Q+W可得，氣缸內空氣的內能變化為ΔU=-21 J+90 J=69 J，即氣缸內空氣的內能增加了69 J。故選B。]
3.A　[一定質量的理想氣體，從某一狀態開始，經過一系列變化后又回到開始的狀態，說明整個變化過程內能的變化為零，根據熱力學第一定律可得ΔU=W1-W2+Q1-Q2=0，
可得Q1-Q2=W2-W1，因為沒有具體的變化過程，所以無法判斷W1與W2的大小關系，也無法判斷Q1與Q2的大小關系，A正確，B、C、D錯誤。]
4.C　[向外拉活塞，封閉氣體的體積變大，分子間的平均距離增大，故A錯誤；對于一定質量的理想氣體，氣體的內能和分子平均速率只取決于溫度，由題可知，溫度不變，則封閉氣體的內能不變，封閉氣體分子的平均速率也不變，故B錯誤；根據ΔU=W+Q可知，溫度不變，則內能不變，即ΔU=0，用力向外緩慢拉動活塞，則W<0，故Q>0，即氣體從外界吸收熱量，故C正確；用力向外緩慢拉動活塞過程中，氣體對活塞做正功，則活塞對氣體做負功，故D錯誤。]
5.不變　放熱　外界對氣體　升高
解析　上下乘客時氣缸內氣體的體積變化緩慢，氣體與外界有充分的熱交換，則氣體溫度不變，內能不變，即ΔU=0；
在氣體壓縮的過程中，外界對氣體做正功，即W>0，根據熱力學第一定律ΔU=Q+W，可得Q<0，所以氣體對外放出熱量；劇烈顛簸時氣缸內氣體的體積變化較快，氣體與外界來不及熱交換，即Q=0，在氣體壓縮的過程中，外界對氣體做正功，即W>0；根據熱力學第一定律ΔU=Q+W，可得ΔU>0，即氣體的內能增加，溫度升高。
6.C　[條形磁鐵穿過線圈過程中是機械能轉化成了電能，故A錯誤；太陽照射到宇宙空間的能量沒有消失，故B錯誤；馬兒奔跑時同樣需要消耗能量，故“既要馬兒跑，又讓馬兒不吃草”違背了能量守恒定律，因而是不可能的，故C正確；不用上發條，也不用任何形式的電源，卻能一直走動的“全自動”手表是靠手臂的擺動提供能量的，它不違背能量守恒定律，故D錯誤。]
7.AD　[第一類永動機是不消耗任何能量卻能源源不斷對外做功的機器，這是人們的美好愿望，但它違背了能量守恒定律，這也是它不可能制成的原因，故A、D正確，B、C錯誤。]
8.AD　[這四個現象中物體運動過程中都受到阻力作用，汽車主要受摩擦阻力，流星、降落傘受空氣阻力，條形磁鐵下落受磁場阻力，因而物體都克服阻力做功，A正確。四個物體的運動過程中，汽車是動能轉化成了內能，流星、降落傘、條形磁鐵是重力勢能轉化成其他形式的能，總之是機械能轉化成了其他形式的能，D正確。]
9.AD　[氣體自由膨脹，沒有對外做功，又因為整個系統與外界沒有熱交換，根據ΔU=W+Q，可知氣體內能不變，所以氣體的溫度也不變，故A正確，B、C錯誤；因為氣體溫度不變，所以氣體分子的平均動能不變，根據=C，可知膨脹后氣體壓強p減小，根據氣體壓強的微觀意義可知氣體分子單位時間內對座艙A艙壁單位面積的碰撞次數減少，故D正確。]
10.D　[緩慢取走鐵砂的過程中，活塞對封閉氣體的壓強減小，因溫度不變，由玻意耳定律pV=C知V變大，活塞會緩慢上升，氣體膨脹對外做功，W<0，氣缸導熱良好，缸內氣體溫度保持不變，即ΔU=0，由熱力學第一定律ΔU=W+Q知Q>0，即氣體要從外界吸收熱量 ，故A、B錯誤；由上面的分析可知缸內氣體溫度不變，即氣體分子的平均動能不變，所以分子與缸壁碰撞時的平均作用力不變，故C錯誤；因為缸內氣體體積增大，所以缸內氣體分子數密度減小，分子的平均動能不變，則在單位時間內氣體分子對單位面積活塞的碰撞次數減少，故D正確。]
11.保持不變　吸收
解析　由于罐內氣體溫度保持不變，故內能保持不變；隨著藥液的不斷噴出，氣體的體積增大，氣體對外做功，由于氣體內能不變，根據熱力學第一定律ΔU=W+Q可知，氣體吸收熱量。
12.(1)1.4 m　(2)增加4.8 J
解析　(1)設平衡時活塞距氣缸底部的距離為h2，取封閉氣體為研究對象，氣體發生等壓變化，
由蓋-呂薩克定律得=
解得h2=1.4 m
(2)在此過程中氣體對外做功
W=p0S(h2-h)+mg(h2-h)
由熱力學第一定律得ΔU=Q-W
解得ΔU=4.8 J
氣體內能增加4.8 J。第1節　熱力學第一定律
第2節　能量的轉化與守恒
[學習目標]　1.知道做功和熱傳遞是改變系統內能的兩種方式，理解內能與功、熱量的關系。2.理解熱力學第一定律并能運用熱力學第一定律分析和解決相關問題(重難點)。3.知道什么是第一類永動機及其不可能制成的原因。
一、功、熱量與內能
用鐵錘反復敲擊鐵棒，鐵棒的溫度會升高；把鐵棒放在炭火上燒，鐵棒的溫度也會升高，這說明了什么問題？
　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　
1.改變物體內能的兩種方式：　　　　和　　　　。
2.功、熱量和內能改變的關系
(1)如果一個物體既不吸熱也不放熱，那么，當外界對它做功時，物體內能　　　　，且增加量　　　　外界做的功；當物體對外界做功時，物體內能　　　　，且減少量　　　　物體做的功。
(2)如果一個物體既不對外界做功，外界也不對它做功，那么當物體從外界吸熱時，物體內能　　　　，其增加量　　　　吸收的熱量；當物體向外放熱時，物體內能　　　，其減少量　　　　放出的熱量。
3.熱力學第一定律
(1)內容
物體與外界之間同時存在做功和熱傳遞的過程中，物體內能的改變量ΔU等于外界對物體___________與物體從外界　　　　　　　　　　　　　　　　　　　之和。
(2)表達式：ΔU=　　　
(3)應用表達式ΔU=W+Q解題時應注意各量的正負：
①ΔU的正負：當物體內能增加時，ΔU取　　　值，當物體內能減小時，ΔU取　　　值。(均選填“正”或“負”)
②W的正負：外界對物體做功時，W取　　　值；物體對外界做功時，W取　　　值。(均選填“正”或“負”)
③Q的正負：外界對物體傳遞熱量時，Q取　　　值；物體向外界傳遞熱量時，Q取　　　值。(均選填“正”或“負”)
4.第一類永動機
(1)概念：不消耗任何能量而能永遠　　　　　　的機器。
(2)原因：設想能量能夠無中生有地創造出來，違背了　　　　　　　　。
1.氣體膨脹時與外界沒有熱交換的過程，稱為絕熱膨脹，那么氣體在真空中和在大氣中絕熱膨脹時是否做功？氣體的內能如何變化？
　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　
2.如圖，在氣缸內活塞左邊封閉著一定質量的氣體，壓強與大氣壓相同。把氣缸和活塞固定，使氣缸內氣體升高一定的溫度，空氣吸收的熱量為Q1。如果讓活塞可以自由滑動(活塞與氣缸間無摩擦、不漏氣)，也使氣缸內氣體溫度升高相同溫度，其吸收的熱量為Q2。Q1和Q2哪個大些？為什么？
　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　
例1　一定質量的氣體在某一過程中，外界對氣體做了8×104 J的功，氣體的內能減少了1.2×105 J，則下列各式正確的是(　　)
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=2×104 J
D.W=-8×104 J，ΔU=-1.2×105 J，Q=-4×104 J
功與內能的區別
1.功是過程量，內能是狀態量。
2.物體的內能大，并不意味著外界對它做功多，只有在絕熱過程中，內能變化越大時相應做的功越多。
例2　如圖所示，活塞將氣缸分成甲、乙兩氣室，氣缸、活塞(連同拉桿)是絕熱的，且不漏氣。以U甲、U乙分別表示甲、乙兩氣室中氣體的內能，則在將拉桿緩慢向左拉的過程中(　　)
A.U甲不變，U乙減小 B.U甲不變，U乙增大
C.U甲增大，U乙不變 D.U甲增大，U乙減小
例3　一個氣泡從恒溫水槽的底部緩慢向上浮起(不計氣泡內空氣分子的勢能)，則下列說法正確的是(　　)
A.氣泡對外做功，內能不變，同時放熱
B.氣泡對外做功，內能不變，同時吸熱
C.氣泡內能減少，同時放熱
D.氣泡內能不變，不吸熱也不放熱
理想氣體(不計分子勢能)的內能只取決于溫度，溫度不變，則內能不變，ΔU=0。
例4　如圖，內壁光滑的氣缸豎直放置在水平桌面上，氣缸內封閉一定質量的氣體。氣體從狀態A(活塞在A處)變為狀態B(活塞在B處)時，氣體吸收熱量280 J，并對外做功120 J。
(1)氣體的內能改變了多少？是增加還是減少？
　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　
(2)某同學在上一問的基礎上又接著提了后一個問題，說：“有人使氣體從上一問的B狀態再回到A狀態，即回到原來A狀態時的體積和溫度，氣體放出的熱量是150 J，那么返回過程中氣體對外做的功又是多少？”請你對后一個問題進行評價。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　
應用熱力學第一定律解題的一般步驟
(1)根據符號法則寫出各已知量(W、Q、ΔU)的正負；
(2)根據ΔU=W+Q列方程求出未知量；
(3)再根據未知量結果的正負來確定吸放熱情況、做功情況或內能變化情況。
例5　(2023·濟南市高二月考)如圖所示，內壁光滑的絕熱氣缸固定在水平面上，其右端由于有擋板，厚度不計的絕熱活塞不能離開氣缸，氣缸內封閉著一定質量的理想氣體，活塞距氣缸右端的距離為0.2 m。現對封閉氣體加熱，活塞緩慢移動，一段時間后停止加熱，此時封閉氣體的壓強變為2×105 Pa。已知活塞的橫截面積為0.04 m2，外部大氣壓強為1×105 Pa，加熱過程中封閉氣體吸收的熱量為2 000 J，則封閉氣體的內能變化量為(　　)
A.400 J B.1 200 J
C.2 000 J D.2 800 J
二、能量的轉化與守恒
如圖為一種所謂“全自動”的機械手表，既不需要上發條，也不用任何電源，卻能不停地走下去。這是不是一種永動機？如果不是，維持表針走動的能量是從哪兒來的？
　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　
1.能量守恒定律的發現
(1)邁爾的發現：從理論上具體論證了機械能、內能、化學能、電磁能等都可相互轉化，提出了物理、化學過程中　　　　　　的思想。
(2)焦耳的研究：通過實驗得出了　　　　，從而給出了電能向內能轉化的定量關系，為發現普遍的能量守恒定律打下基礎。
(3)亥姆霍茲的貢獻：系統地闡述了能量守恒原理，從理論上把力學中的能量守恒原理推廣到熱、光、電、磁、化學反應等過程，揭示了它們之間的統一性，將能量守恒原理與永動機不可能實現聯系起來。
2.能量守恒定律
(1)內容
能量既不會　　　，也不會　　　　，它只能從一種形式　　　　為其他形式，或者從一個物體　　　　　到其他物體，而能量的總值　　　　　　。
(2)意義
揭示了自然科學各個分支之間的　　　　，是自然界內在　　　　的第一個有力證據。
3.熱力學第一定律與能量守恒定律的比較
(1)能量守恒定律是各種形式的能相互轉化或轉移的過程，總能量保持不變，它包括各個領域，范圍廣泛。
(2)熱力學第一定律是物體內能與其他形式的能之間的相互轉化或轉移，是能量守恒定律在熱現象領域內的具體體現。
(1)能量既可以轉移又可以轉化，故能的總量是可以變化的。(　　)
(2)違背能量守恒定律的過程是不可能發生的。(　　)
(3)運動的物體在阻力作用下會停下來，說明機械能憑空消失了。(　　)
(4)第一類永動機不能制成，因為它違背了能量守恒定律。(　　)
例6　(2023·大慶市實驗中學高二期中)有一種叫作“壓電陶瓷”的電子元件，當對它擠壓或拉伸時，它的兩端就會形成一定的電壓，這種現象稱為壓電效應。一種燃氣打火機，就是應用了該元件的壓電效應制成的。只要用大拇指壓一下打火機上的按鈕，壓電陶瓷片就會產生10~20 kV的高壓，形成火花放電，從而點燃可燃氣體。在上述過程中，壓電陶瓷片完成的能量轉化是(　　)
A.化學能轉化為電能
B.內能轉化為電能
C.化學能轉化為光能
D.機械能轉化為電能
答案精析
一、
說明做功和熱傳遞都能改變物體的內能。
梳理與總結
1.做功　熱傳遞
2.(1)增加　等于　減少　等于
(2)增加　等于　減少　等于
3.(1)所做的功W　吸收的熱量Q
(2)Q+W
(3)①正　負　正　負　③正　負
4.(1)對外做功　(2)熱力學第一定律
思考與討論
1.氣體在真空中絕熱膨脹的過程中，不受阻力，所以氣體不做功；氣體在大氣中絕熱膨脹時受空氣阻力，氣體對外界大氣做功。氣體在真空中絕熱膨脹時內能不變；氣體在大氣中絕熱膨脹時內能減小。
2.活塞與氣缸都固定不動時，氣體的體積不變，沒有做功過程發生，氣體吸收的熱量Q1全部用于增加氣體的內能即為ΔU=Q1，如果活塞可以自由滑動，溫度升高，氣體膨脹，會推動活塞向外運動，對外做功，當氣體升高相同溫度時，氣體內能的增加量與前一個過程是相同的，也是Q1，根據熱力學第一定律ΔU=Q1=W+Q2，由于W<0，所以Q2>Q1。
例1　B　[因為外界對氣體做功，W取正值，即W=8×104 J；氣體內能減少，ΔU取負值，即ΔU=-1.2×105 J；根據熱力學第一定律ΔU=W+Q，可知Q=ΔU-W=-1.2×105 J-8×104 J=-2×105 J，B選項正確。]
例2　D　[由題意可知甲、乙兩氣室氣體都經歷絕熱過程，內能的改變取決于做功的情況。對甲室內的氣體，在拉桿緩慢向左拉的過程中，活塞左移，壓縮氣體，外界對甲室內的氣體做功，內能增大；對乙室內的氣體，活塞左移，氣體膨脹，乙室內的氣體對外界做功，內能減小，D正確。]
例3　B　[在氣泡緩慢上升的過程中，氣泡外部的壓強逐漸減小，氣泡膨脹，對外做功，W<0，由于外部恒溫，且氣泡緩慢上升，故可以認為上升過程中氣泡內空氣的溫度始終等于外界溫度，內能不變，即ΔU=0，由熱力學第一定律ΔU=W+Q知需從外界吸收熱量，且吸收的熱量等于氣泡對外界所做的功，故B正確。]
例4　(1)160 J　增加　(2)見解析
解析　(1)根據熱力學第一定律可知，氣缸內封閉氣體的內能變化量為ΔU=Q+W=[280+(-120)] J=160 J
即內能增加了160 J。
(2)若氣體從B狀態又返回A狀態，
則氣體的內能變化量為ΔU'=-160 J
根據熱力學第一定律可知，氣體由B狀態返回A狀態的過程中有ΔU'=Q'+W'
則W'=ΔU'-Q'=(-160+150) J=-10 J
即氣體從B狀態返回A狀態過程中，對外做功為10 J。
但從B狀態到A狀態，氣體體積減少，應該外界對氣體做功，顯然與實際情況不符，故該問題題設有誤，該過程不能發生。
例5　B　[由題意可知，氣體先等壓變化，到活塞運動到擋板處再發生等容變化，等壓變化過程氣體對外做功，做功為W=-p0Sx=-1×105×0.04×0.2 J=-800 J，由熱力學第一定律可知，封閉氣體的內能變化量為ΔU=W+Q=(-800+2 000) J=1 200 J，故B正確。]
二、
這不是永動機。手表戴在手腕上，通過手臂的運動，機械手表獲得能量，供手表指針走動。若將此手表長時間放置不動，它就會停下來。
梳理與總結
1.(1)能量守恒　(2)焦耳定律
2.(1)消失　創生　轉化　轉移　保持不變
(2)普遍聯系　統一性
易錯辨析　(1)×　(2)√　(3)×　(4)√
例6　D　[根據題意用大拇指壓一下打火機上的按鈕，壓電陶瓷片就會產生10~20 kV的高壓，形成火花放電，從而點燃可燃氣體。轉化前要消耗機械能，轉化后得到了電能，即壓電陶瓷片完成的能量轉化是機械能轉化為電能，故選D。](共57張PPT)
DISANZHANG
第3章
第1節　熱力學第一定律
第2節　能量的轉化與守恒
1.知道做功和熱傳遞是改變系統內能的兩種方式，理解內能與功、熱量的關系。
2.理解熱力學第一定律并能運用熱力學第一定律分析和解決相關問題(重難點)。
3.知道什么是第一類永動機及其不可能制成的原因。
學習目標
一、功、熱量與內能
二、能量的轉化與守恒
課時對點練
內容索引
功、熱量與內能
一
用鐵錘反復敲擊鐵棒，鐵棒的溫度會升高；把鐵棒放在炭火上燒，鐵棒的溫度也會升高，這說明了什么問題
答案　說明做功和熱傳遞都能改變物體的內能。
1.改變物體內能的兩種方式：　　　和　　　　。
2.功、熱量和內能改變的關系
(1)如果一個物體既不吸熱也不放熱，那么，當外界對它做功時，物體內能　　　，且增加量　　　外界做的功；當物體對外界做功時，物體內能　　　，且減少量　　　物體做的功。
(2)如果一個物體既不對外界做功，外界也不對它做功，那么當物體從外界吸熱時，物體內能　　　，其增加量　　　吸收的熱量；當物體向外放熱時，物體內能　　　，其減少量　　　放出的熱量。
梳理與總結
做功
熱傳遞
增加
等于
減少
等于
增加
等于
減少
等于
3.熱力學第一定律
(1)內容
物體與外界之間同時存在做功和熱傳遞的過程中，物體內能的改變量ΔU等于外界對物體　　　　　　與物體從外界　　　　　　　之和。
(2)表達式：ΔU=_______
(3)應用表達式ΔU=W+Q解題時應注意各量的正負：
①ΔU的正負：當物體內能增加時，ΔU取　　值，當物體內能減小時，ΔU取　　值。(均選填“正”或“負”)
所做的功W
吸收的熱量Q
Q+W
正
負
②W的正負：外界對物體做功時，W取　　值；物體對外界做功時，W取　　值。(均選填“正”或“負”)
③Q的正負：外界對物體傳遞熱量時，Q取　　值；物體向外界傳遞熱量時，Q取　　值。(均選填“正”或“負”)
正
負
正
負
4.第一類永動機
(1)概念：不消耗任何能量而能永遠　　　　　的機器。
(2)原因：設想能量能夠無中生有地創造出來，違背了　　　　　　　 。
對外做功
熱力學第一定律
1.氣體膨脹時與外界沒有熱交換的過程，稱為絕熱膨脹，那么氣體在真空中和在大氣中絕熱膨脹時是否做功 氣體的內能如何變化
思考與討論
答案　氣體在真空中絕熱膨脹的過程中，不受阻力，所以氣體不做功；氣體在大氣中絕熱膨脹時受空氣阻力，氣體對外界大氣做功。氣體在真空中絕熱膨脹時內能不變；氣體在大氣中絕熱膨脹時內能減小。
2.如圖，在氣缸內活塞左邊封閉著一定質量的氣體，壓強與大氣壓相同。把氣缸和活塞固定，使氣缸內氣體升高一定的溫度，空氣吸收的熱量為Q1。如果讓活塞可以自由滑動(活塞與氣缸間無摩擦、不漏氣)，也使氣缸內氣體溫度升高相同溫度，其吸收的熱量為Q2。Q1和
Q2哪個大些 為什么
答案　活塞與氣缸都固定不動時，氣體的體積不變，沒有做功過程發生，氣體吸收的熱量Q1全部用于增加氣體的內能即為ΔU=Q1，如果活塞可以自由滑動，溫度升高，氣體膨脹，會推動活塞向外運動，對外做功，當氣體升高相同溫度時，氣體內能的增加量與前一個過程是相同的，也是Q1，根據熱力學第一定律ΔU=Q1=W+Q2，由于W<0，所以Q2>Q1。
　一定質量的氣體在某一過程中，外界對氣體做了8×104 J的功，氣體的內能減少了1.2×105 J，則下列各式正確的是
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=2×104 J
D.W=-8×104 J，ΔU=-1.2×105 J，Q=-4×104 J
例1
√
因為外界對氣體做功，W取正值，即W=8×104 J；
氣體內能減少，ΔU取負值，即ΔU=-1.2×105 J；
根據熱力學第一定律ΔU=W+Q，可知Q=ΔU-W=-1.2×105 J-8×104 J=
-2×105 J，B選項正確。
功與內能的區別
1.功是過程量，內能是狀態量。
2.物體的內能大，并不意味著外界對它做功多，只有在絕熱過程中，內能變化越大時相應做的功越多。
總結提升
　如圖所示，活塞將氣缸分成甲、乙兩氣室，氣缸、活塞(連同拉桿)是絕熱的，且不漏氣。以U甲、U乙分別表示甲、乙兩氣室中氣體的內能，則在將拉桿緩慢向左拉的過程中
A.U甲不變，U乙減小
B.U甲不變，U乙增大
C.U甲增大，U乙不變
D.U甲增大，U乙減小
例2
√
由題意可知甲、乙兩氣室氣體都經歷絕熱過程，內能的改變取決于做功的情況。對甲室內的氣體，在拉桿緩慢向左拉的過程中，活塞左移，壓縮氣體，外界對甲室內的氣體做功，內能增大；對乙室內的氣體，活塞左移，氣體膨脹，乙室內的氣體對外界做功，內能減小，D正確。
　一個氣泡從恒溫水槽的底部緩慢向上浮起(不計氣泡內空氣分子的勢能)，則下列說法正確的是
A.氣泡對外做功，內能不變，同時放熱
B.氣泡對外做功，內能不變，同時吸熱
C.氣泡內能減少，同時放熱
D.氣泡內能不變，不吸熱也不放熱
例3
√
在氣泡緩慢上升的過程中，氣泡外部的壓強逐漸減小，氣泡膨脹，對外做功，W<0，由于外部恒溫，且氣泡緩慢上升，故可以認為上升過程中氣泡內空氣的溫度始終等于外界溫度，內能不變，即ΔU=0，由熱力學第一定律ΔU=W+Q知需從外界吸收熱量，且吸收的熱量等于氣泡對外界所做的功，故B正確。
理想氣體(不計分子勢能)的內能只取決于溫度，溫度不變，則內能不變，ΔU=0。
總結提升
　如圖，內壁光滑的氣缸豎直放置在水平桌面上，氣缸內封閉一定質量的氣體。氣體從狀態A(活塞在A處)變為狀態B(活塞在B處)時，氣體吸收熱量280 J，并對外做功120 J。
(1)氣體的內能改變了多少 是增加還是減少
例4
答案　160 J　增加
根據熱力學第一定律可知，氣缸內封閉氣體的內能變化量為
ΔU=Q+W=[280+(-120)] J=160 J
即內能增加了160 J。
(2)某同學在上一問的基礎上又接著提了后一個問題，說：“有人使氣體從上一問的B狀態再回到A狀態，即回到原來A狀態時的體積和溫度，氣體放出的熱量是150 J，那么返回過程中氣體對外做的功又是多少 ”請你對后一個問題進行評價。
答案　見解析
若氣體從B狀態又返回A狀態，則氣體的內能變化量
為ΔU'=-160 J
根據熱力學第一定律可知，氣體由B狀態返回A狀態
的過程中有ΔU'=Q'+W'
則W'=ΔU'-Q'=(-160+150) J=-10 J
即氣體從B狀態返回A狀態過程中，對外做功為10 J。
但從B狀態到A狀態，氣體體積減少，應該外界對氣體做功，顯然與實際情況不符，故該問題題設有誤，該過程不能發生。
應用熱力學第一定律解題的一般步驟
(1)根據符號法則寫出各已知量(W、Q、ΔU)的正負；
(2)根據ΔU=W+Q列方程求出未知量；
(3)再根據未知量結果的正負來確定吸放熱情況、做功情況或內能變化情況。
總結提升
　(2023·濟南市高二月考)如圖所示，內壁光滑的絕熱氣缸固定在水平面上，其右端由于有擋板，厚度不計的絕熱活塞不能離開氣缸，氣缸內封閉著一定質量的理想氣體，活塞距氣缸右端的距離為0.2 m。現對封閉氣體加熱，活塞緩慢移動，一段時間后停止加熱，此時封閉氣體的壓強變為2×105 Pa。已知活塞的橫截面積為0.04 m2，外部大氣壓強為1×105 Pa，加熱過程中封閉氣體吸收的熱量為2 000 J，則封閉氣體的內能變化量為
A.400 J B.1 200 J
C.2 000 J D.2 800 J
例5
√
由題意可知，氣體先等壓變化，到活塞運動到擋板
處再發生等容變化，等壓變化過程氣體對外做功，
做功為W=-p0Sx=-1×105×0.04×0.2 J=-800 J，
由熱力學第一定律可知，封閉氣體的內能變化量為ΔU=W+Q=(－800
+2 000) J=1 200 J，故B正確。
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能量的轉化與守恒
二
如圖為一種所謂“全自動”的機械手表，既不需要上發條，也不用任何電源，卻能不停地走下去。這是不是一種永動機 如果不是，維持表針走動的能量是從哪兒來的
答案　這不是永動機。手表戴在手腕上，通過手臂的運動，機械手表獲得能量，供手表指針走動。若將此手表長時間放置不動，它就會停下來。
1.能量守恒定律的發現
(1)邁爾的發現：從理論上具體論證了機械能、內能、化學能、電磁能等都可相互轉化，提出了物理、化學過程中　　　　　的思想。
(2)焦耳的研究：通過實驗得出了　　　　　，從而給出了電能向內能轉化的定量關系，為發現普遍的能量守恒定律打下基礎。
(3)亥姆霍茲的貢獻：系統地闡述了能量守恒原理，從理論上把力學中的能量守恒原理推廣到熱、光、電、磁、化學反應等過程，揭示了它們之間的統一性，將能量守恒原理與永動機不可能實現聯系起來。
梳理與總結
能量守恒
焦耳定律
2.能量守恒定律
(1)內容
能量既不會　　　，也不會　　　，它只能從一種形式　　　為其他形式，或者從一個物體　　　到其他物體，而能量的總值　　　　　。
(2)意義
揭示了自然科學各個分支之間的　　　　　，是自然界內在　　　　的第一個有力證據。
消失
創生
轉化
轉移
保持不變
普遍聯系
統一性
3.熱力學第一定律與能量守恒定律的比較
(1)能量守恒定律是各種形式的能相互轉化或轉移的過程，總能量保持不變，它包括各個領域，范圍廣泛。
(2)熱力學第一定律是物體內能與其他形式的能之間的相互轉化或轉移，是能量守恒定律在熱現象領域內的具體體現。
(1)能量既可以轉移又可以轉化，故能的總量是可以變化的。(　　)
(2)違背能量守恒定律的過程是不可能發生的。(　　)
(3)運動的物體在阻力作用下會停下來，說明機械能憑空消失了。
(　　)
(4)第一類永動機不能制成，因為它違背了能量守恒定律。(　　)
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　 (2023·大慶市實驗中學高二期中)有一種叫作“壓電陶瓷”的電子元件，當對它擠壓或拉伸時，它的兩端就會形成一定的電壓，這種現象稱為壓電效應。一種燃氣打火機，就是應用了該元件的壓電效應制成的。只要用大拇指壓一下打火機上的按鈕，壓電陶瓷片就會產生10~20 kV的高壓，形成火花放電，從而點燃可燃氣體。在上述過程中，壓電陶瓷片完成的能量轉化是
A.化學能轉化為電能 B.內能轉化為電能
C.化學能轉化為光能 D.機械能轉化為電能
例6
√
根據題意用大拇指壓一下打火機上的按鈕，壓電陶瓷片就會產生10~
20 kV的高壓，形成火花放電，從而點燃可燃氣體。轉化前要消耗機械能，轉化后得到了電能，即壓電陶瓷片完成的能量轉化是機械能轉化為電能，故選D。
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課時對點練
三
考點一　熱力學第一定律
1.關于內能的變化，以下說法正確的是
A.物體吸收熱量，內能一定增大
B.物體對外做功，內能一定減少
C.物體吸收熱量，同時對外做功，內能可能不變
D.物體放出熱量，同時對外做功，內能可能不變
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基礎對點練
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根據熱力學第一定律ΔU=W+Q，物體內能的變化與做功及熱傳遞兩個因素均有關。物體吸收熱量，內能不一定增大，因為物體可能同時對外做功，故內能可能不變或減少，A錯誤，C正確；
物體對外做功，可能同時吸收熱量，故內能可能不變或增大，B錯誤；
物體放出熱量，同時對外做功，內能一定減少，D錯誤。
2.(2023·北京市豐臺區高二月考)如圖所示，現用活塞壓縮封閉在氣缸內的空氣，對空氣做了90 J的功，同時空氣向外散熱21 J，關于氣缸內空氣的內能變化情況，下列說法正確的是
A.內能增加90 J B.內能增加69 J
C.內能減小111 J D.內能減少21 J
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根據題意，由熱力學第一定律ΔU=Q+W可得，氣缸內空氣的內能變化為ΔU=-21 J+90 J=69 J，即氣缸內空氣的內能增加了69 J。故選B。
3.一定質量的理想氣體，從某一狀態開始，經過一系列變化后又回到開始的狀態，用W1表示外界對氣體做的功，W2表示氣體對外界做的功，Q1表示氣體吸收的熱量，Q2表示氣體放出的熱量，則在整個過程中一定有
A.Q1-Q2=W2-W1 B.Q1=Q2
C.W1=W2 D.Q1>Q2
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一定質量的理想氣體，從某一狀態開始，經過一系列變化后又回到開始的狀態，說明整個變化過程內能的變化為零，根據熱力學第一定律可得
ΔU=W1-W2+Q1-Q2=0，
可得Q1-Q2=W2-W1，因為沒有具體的變化過程，所以無法判斷W1與W2的大小關系，也無法判斷Q1與Q2的大小關系，A正確，B、C、D錯誤。
4.恒溫環境中，在導熱性能良好的注射器內，用活塞封閉了一定質量的理想氣體，用力緩慢向外拉活塞，此過程中
A.封閉氣體分子間的平均距離減小
B.封閉氣體分子的平均速率減小
C.封閉氣體從外界吸熱
D.活塞對封閉氣體做正功
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向外拉活塞，封閉氣體的體積變大，分子間的平均距離增大，故A錯誤；
對于一定質量的理想氣體，氣體的內能和分子平均速率只取決于溫度，由題可知，溫度不變，則封閉氣體的內能不變，封閉氣體分子的平均速率也不變，故B錯誤；
根據ΔU=W+Q可知，溫度不變，則內能不變，即ΔU=0，用力向外緩慢拉動活塞，則W<0，故Q>0，即氣體從外界吸收熱量，故C正確；
用力向外緩慢拉動活塞過程中，氣體對活塞做正功，則活塞對氣體做負功，故D錯誤。
5.(2024·四川省綿陽中學開學考)列車運行的平穩性與車廂的振動密切相關，車廂底部安裝的空氣彈簧可以有效減震，空氣彈簧主要由活塞、氣缸及內封的一定質量的氣體構成。上下乘客及劇烈顛簸均能引起車廂振動，上下乘客時氣缸內氣體的體積變化緩慢，氣體與外界有充分的熱交換，劇烈顛簸時氣缸內氣體的體積變化較快，氣體與外界來不及熱交換。若外界環境溫度保持不變，氣缸內氣體視為理想氣體，在氣體壓縮的過程中，當上下乘客時，氣體的內能　　　　(選填“增加”“減少”或“不變”)，氣體從(向)外界　　　　(選填“吸熱”或“放熱”)；劇烈顛簸時，　　　　　　(選填“外界對氣體”或“氣體對外界”)做功，氣體的溫度　　　　(選填“升高”“降低”或“不變”)。
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上下乘客時氣缸內氣體的體積變化緩慢，氣體與外界有充分的熱交換，則氣體溫度不變，內能不變，即ΔU=0；
在氣體壓縮的過程中，外界對氣體做正功，即W>0，根據熱力學第一定律ΔU=Q+W，可得Q<0，所以氣體對外放出熱量；
劇烈顛簸時氣缸內氣體的體積變化較快，氣體與外界來不及熱交換，即Q=0，在氣體壓縮的過程中，外界對氣體做正功，即W>0；
根據熱力學第一定律ΔU=Q+W，可得ΔU>0，即氣體的內能增加，溫度升高。
考點二　能量守恒定律　永動機不可能制成
6.下列說法正確的是
A.條形磁鐵下落過程中穿過閉合線圈，線圈中產生了感應電流，說明電
　能是可以被創造的
B.太陽照射到地球上的光能轉化成了其他形式的能量，但照射到宇宙空
　間的能量都消失了
C.“既要馬兒跑，又讓馬兒不吃草”違背了能量守恒定律，因而是不可能的
D.有種“全自動”手表，不用上發條，也不用任何形式的電源，卻能一
　直走動，說明能量是可以憑空產生的
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條形磁鐵穿過線圈過程中是機械能轉化成了電能，故A錯誤；
太陽照射到宇宙空間的能量沒有消失，故B錯誤；
馬兒奔跑時同樣需要消耗能量，故“既要馬兒跑，又讓馬兒不吃草”違背了能量守恒定律，因而是不可能的，故C正確；
不用上發條，也不用任何形式的電源，卻能一直走動的“全自動”手表是靠手臂的擺動提供能量的，它不違背能量守恒定律，故D錯誤。
7.(多選)下列關于第一類永動機的說法正確的是
A.第一類永動機是不消耗任何能量卻能源源不斷對外做功的機器
B.隨著科技的發展，第一類永動機是可以制成的
C.第一類永動機不可能制成的原因是技術問題
D.第一類永動機不可能制成的原因是違背了能量守恒定律
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第一類永動機是不消耗任何能量卻能源源不斷對外做功的機器，這是人們的美好愿望，但它違背了能量守恒定律，這也是它不可能制成的原因，故A、D正確，B、C錯誤。
8.(多選)行駛中的汽車剎車后會滑行一段距離，最后停下；流星在夜空中墜落并發出明亮的火焰；降落傘在空中勻速下降；條形磁鐵在下落過程中穿過閉合線圈，線圈中產生電流。上述不同現象所包含的相同物理過程是
A.物體克服阻力做功
B.物體的動能轉化為其他形式的能量
C.物體的勢能轉化為其他形式的能量
D.物體的機械能轉化為其他形式的能量
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這四個現象中物體運動過程中都受到阻力作用，汽車主要受摩擦阻力，流星、降落傘受空氣阻力，條形磁鐵下落受磁場阻力，因而物體都克服阻力做功，A正確。
四個物體的運動過程中，汽車是動能轉化成了內能，流星、降落傘、條形磁鐵是重力勢能轉化成其他形式的能，總之是機械能轉化成了其他形式的能，D正確。
9.(多選)(2024·鞍山市模擬)氣閘艙是載人航天器中供航天員進入太空或由太空返回用的氣密性裝置，其原理如圖所示。座艙A與氣閘艙B之間裝有閥門K，座艙A中充滿空氣，氣閘艙B內為真空。航天員由太空返回氣閘艙時，打開閥門K，A中的氣體進入B中，最終達到平衡。假設此過程中系統與外界沒有熱交換，艙內氣體可視為理想氣體，下列說法正確的是
A.氣體并沒有對外做功，氣體內能不變
B.氣體體積增大，對外做功，內能減小
C.氣體體積增大，壓強減小，溫度降低
D.氣體分子單位時間內對座艙A艙壁單位面積的碰撞次數減少
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氣體自由膨脹，沒有對外做功，又因為整個系
統與外界沒有熱交換，根據ΔU=W+Q，可知氣
體內能不變，所以氣體的溫度也不變，故A正
確，B、C錯誤；
因為氣體溫度不變，所以氣體分子的平均動能不變，根據=C，可知膨脹后氣體壓強p減小，根據氣體壓強的微觀意義可知氣體分子單位時間內對座艙A艙壁單位面積的碰撞次數減少，故D正確。
10.如圖所示，導熱良好的圓筒形氣缸豎直放置在水平地面上，用活塞將一定質量的理想氣體封閉在氣缸內，活塞上堆放著鐵砂，系統處于靜止狀態。現緩慢取走鐵砂，忽略活塞與氣缸之間的摩擦，外界環境溫度不變，則在此過程中缸內氣體
A.對外做功，其內能減少
B.溫度不變，與外界無熱量交換
C.分子碰撞缸壁時的平均作用力減小
D.分子在單位時間內對單位面積活塞的碰撞次數減少
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緩慢取走鐵砂的過程中，活塞對封閉氣體的壓強減小，
因溫度不變，由玻意耳定律pV=C知V變大，活塞會緩慢
上升，氣體膨脹對外做功，W<0，氣缸導熱良好，缸內
氣體溫度保持不變，即ΔU=0，由熱力學第一定律ΔU=W+Q知Q>0，即氣體要從外界吸收熱量 ，故A、B錯誤；
由上面的分析可知缸內氣體溫度不變，即氣體分子的平均動能不變，所以分子與缸壁碰撞時的平均作用力不變，故C錯誤；
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因為缸內氣體體積增大，所以缸內氣體分子數密度減
小，分子的平均動能不變，則在單位時間內氣體分子
對單位面積活塞的碰撞次數減少，故D正確。
11.如圖所示為壓縮式噴霧器。給儲液罐打足氣，打開開關就可以讓藥液噴撒出來。若罐內氣體溫度保持不變，隨著藥液的不斷噴出，則罐內氣體內能　　　　　(選填“不斷增大”“不斷減小”或“保持不變”)，氣體　　　(選填“吸收”或“放出”)熱量。
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保持不變
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由于罐內氣體溫度保持不變，故內能保持不變；隨著藥液的不斷噴出，氣體的體積增大，氣體對外做功，由于氣體內能不變，根據熱力學第一定律ΔU=W+Q可知，氣體吸收熱量。
12.如圖所示，一定質量的理想氣體被活塞封閉在可導熱的氣缸內，活塞可沿氣缸無摩擦地滑動。活塞橫截面積S=1.0×10-3 m2，質量m=2 kg，氣缸豎直放置時，活塞相對于底部的高度為h=1.2 m，室溫等于27 ℃；現將氣缸置于77 ℃的熱水中，已知大氣壓強p0=1.0×105 Pa，
取g=10 m/s2，求：
(1)平衡時活塞離氣缸底部的距離；
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答案　1.4 m
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設平衡時活塞距氣缸底部的距離為h2，取封閉氣體為研
究對象，氣體發生等壓變化，
由蓋-呂薩克定律得=
解得h2=1.4 m
(2)此過程中內部氣體吸收熱量28.8 J，氣體內能的變化量。
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答案　增加4.8 J
在此過程中氣體對外做功
W=p0S(h2-h)+mg(h2-h)
由熱力學第一定律得ΔU=Q-W
解得ΔU=4.8 J，氣體內能增加4.8 J。
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