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第三章 熱力學定律
第1節 熱力學第一定律
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。
3.知道什么是第一類永動機及其不可能制成的原因。
做 功
熱傳遞
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
內能增加
內能增加
內能減少
內能減少
1.改變內能的兩種方式
△U＝W
△U＝Q
絕熱過程
僅傳熱過程
如果物體在跟外界同時發生做功和熱傳遞的過程中，內能的變化ΔU與熱量Q及做的功W之間又有什么關系呢？
知識點一：功、熱量與內能
（1）定義如果物體與外界之間同時存在做功和熱傳遞的過程,那么物體內能的改變量ΔU等于外界對物體所做的功與物體從外界吸收的熱量之和。
ΔU=Q +W
2. 熱力學第一定律
（2）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。
（3）公式：
在一切涉及熱現象的宏觀過程中，能量可以發生轉移或轉化，在轉移或轉化過程中總能量守恒。
熱力學第一定律表明：
一個物體的內能增加，必定有其他物體對它做功，或向它傳遞熱量。與此同時，對此物體做功或向它傳遞熱量的其他物體要減少等量的能量，而系統的總能量保持不變。
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的功是135 J，同時向外放熱85J，氣體內能的變化量是多少？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。
解：
氣體對外界做功
系統對外做功：W=-135J
系統向外放熱：Q=-85J
ΔU = W + Q
代入得：
ΔU =-135+（-85）
=-220J
內能變化了220J，減少
思考與討論：
3. 熱力學第一定律中各量的正、負號及含義
物理量 符號 意義 符號 意義
W + 外界對系統做功 － 系統對外界做功
Q + 物體吸熱 － 物體放熱
ΔU + 內能增加 － 內能減少
氣體被壓縮
氣體膨脹
③再根據未知量結果的正、負來確定吸熱、放熱情況或做功和內能增減情況。
①根據符號法則寫出各已知量（W、Q、 U）的正負。
②代入方程ΔU＝W＋Q 求出未知量。
4.應用熱力學第一定律解題的一般步驟：
例題：一定質量的氣體從外界吸收了3.5×105J的熱量，內能增加了1.2×103J。氣體對外界做功還是外界對氣體做功？做了多少功？
解：由熱力學第一定律，外界對氣體所做的功
W=ΔU-Q
=(1.2×103-3.5×105)J
=-2.3×105J
W為負值，說明氣體對外界做功2.3×103J。
5.幾種特殊情況
①若過程是絕熱的，即Q＝0，則ΔU＝W，物體內能的增加量等于外界對物體做的功。
②若過程中不做功，即W＝0，則ΔU＝Q，物體內能的增加量等于物體從外界吸收的熱量。
③若過程的始末狀態物體的內能不變，即ΔU＝0，則W＝－Q(或Q＝－W)，外界對物體做的功等于物體放出的熱量(或物體吸收的熱量等于物體對外界做的功)。
生活中的熱學問題通常涉及多個過程。例如，將氣泡內的氣體視為理想氣體，氣泡在從湖底上升到湖面過程中，對外界做了0.20J的功。假設湖水溫度保持不變，此過程中的氣泡是吸熱還是放熱？吸收或放出的熱量是多少？氣泡到達湖面后，在其溫度上升的過程中，又對外界做了0.02J的功，同時吸收了0.05J的熱量，氣泡內氣體內能增加了多少？
解
（1）氣體溫度不變，內能不變，即ΔU=0
由Q=ΔU-W得Q=-0.20J,
氣泡上升過程放熱。
（2）到水面后，由ΔU=Q+W得
ΔU=0.05-0.02 J=0.03J
氣泡氣體內能增加了0.03J。
不消耗任何能量而能永遠對外做功的機器通常稱為第一類永動機
知識點二：第一類永動機
思考與討論：17 18世紀，許多人致力于制造一種機器，它不需要任何動力或燃料，卻能不斷地對外做功，史稱“第一類永動機”。然而，為此目的的任何嘗試都失敗了。這是為什么呢？
歷史上一種永動機的設計
違背了熱力學第一定律。
① 如果沒有外界熱源供給熱量，則有U2－U1＝W，就是說，如果系統內能減少，即U2② 層出不窮的永動機設計方案，由于違背了熱力學第一定律，無一例外地宣布失敗，人類制造永動機的企圖是沒有任何成功希望的。
熱力學第一定律也被表述為：
第一類永動機是不可能實現的。
1.正確的打“√”，錯誤的打“×”。
（1） 外界對系統做功，系統的內能一定增加。( )
×
（2） 系統內能增加，一定是系統從外界吸收了熱量。( )
×
（3） 系統從外界吸收熱量，內能可能減少 。( )
√
（4） 外界對熱力學系統做功，取正值；外界向熱力學系統傳遞熱量， 取正值。
( )
√
（5） 物體與外界不發生熱交換，物體的內能也可能變化。( )
√
2.有人設計了如圖所示的永動機,靠磁鐵的吸引使車輛獲得行駛的能量,但是這類永動機沒有制成,是因為（ ）
A.不符合機械能守恒定律
B.違背了能量守恒定律
C.做功產生的熱不符合熱功當量
D.找不到合適的材料和合理的設計方案
B
3.一定質量的理想氣體在某一過程中,外界對氣體做了8×104 J的功,氣體的內能減少了1.2×105 J,則根據熱力學第一定律,下列各式中正確的是(　 )
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=2×105 J
D.W=-8×104 J,ΔU=-1.2×105 J,Q=-4×104 J
B
4.以下過程可能發生的是 （　　）
A.對物體做功，物體的內能增加
B.對物體做功，同時物體吸熱，物體的內能不變
C.物體對外做功，同時放熱，物體的內能不變
D.物體對外做功，同時吸熱，物體的內能不變
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5.一個密閉汽缸封閉著一部分空氣。用活塞壓縮汽缸里的空氣，對空氣做了
的功，同時汽缸向外散熱 ，則汽缸中空氣的內能( )
D
A.減少了 B.增加了
C.減少了 D.增加了

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