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3.1 熱力學第一定律
第三章　熱力學定律
1.理解分子勢能與分子間距離的變化關系曲線
2.知道什么是內能，知道物體的內能跟溫度和體積有關
3.知道做功與內能改變的數量關系，知道熱傳遞的熱量與內能變化的關系
4.知道做功和熱傳遞是改變內能的兩種方式，且對改變系統內能是等效的
5.掌握熱力學第一定律及其表達式
學習目標
一、物體的內能
物理學中，我們把物體內所有分子做熱運動的動能和分子勢能的總和叫做物體的內能。
內能 = 分子動能 + 分子勢能
①物質的量
②溫度
③體積
總分子數
熱運動的平均動能
分子間距（勢能）
思考：內能的決定因素有哪些？
二、改變物體能能的兩種方式內能
兩手摩擦發熱
機械能
內能
轉化
生活中做功改變物體內能的例子：
做功
鉆木取火
鋸木材鋸子發熱
1.做功
氣體做功使內能改變的實驗：
機械能
內能
轉化
做功
機械能
內能
轉化
做功
內能增加
內能減少
做功改變物體內能的過程是其他形式的能(如機械能)與內能相互轉化的過程.
絕熱過程：不與外界發生熱交換的過程.
在絕熱過程中，外界對物體做多少功，就有多少其他形式的能轉化為內能，物體的內能就增加多少；
在絕熱過程中，物體對外界做多少功，就有多少內能轉化為其他形式的能，物體的內能就減少多少.
做功并不是改變內能的唯一方式
2.熱傳遞
淬火的過程內能如何改變：
1.鐵的溫度降低，內能減少。
2.水的溫度升高，內能增加。
3. 如果是單純由熱傳遞引起內能變化時，
系統從外界吸收多少熱量，系統的內能就增加多少；
系統向外界放出多少熱量，系統的內能就減少多少.
熱傳遞：高溫物體總是自發把它的內能傳遞給低溫物體。
熱量：熱傳遞過程中物體內能變化的量稱為熱量，它是一個過程量。
改變內能的兩種方式的對比
改變內能的兩種方式：做功、熱傳遞
1.做功和熱傳遞在改變內能上的區別：
①做功是其它形式的能與內能之間的轉化，例如：摩擦生熱、熱機
②熱傳遞是不同物體之間內能的轉移，例如：燒水、烤火、淬火
2.做功和熱傳遞在改變系統的內能上效果相同
其它形式的能
內能
轉化
內能
轉移
內能
例1.如圖所示，用F表示分子間的作用力，用Ep表示分子間的分子勢能，在兩個分子間的距離由10r0變為r0的過程中 (　　)
A.F不斷增大，Ep不斷減小
B.F先增大后減小，Ep不斷減小
C.Ep先增大后減小，F不斷減小
D.Ep和F都先增大后減小
B
例題精析
解析：在兩個分子間的距離由10r0變為r0的過程中，分子力先增大后減小為0，表現為引力，分子力做正功，分子勢能一直在減小，故B正確.
例2.(多選)下列說法正確的是 (　　)
A.一個物體的機械能可能為零、但內能不可能為零
B.質量相同、溫度也相同的物體內能不一定相同
C.溫度越高、運動速度越大的物體，其內能一定越大
D.對于一定量的理想氣體來說，溫度不變，體積變大，則壓強變小，內能變小
解析：物體的機械能由動能和勢能組成，動能和勢能都可能為0，所以機械能也可能為0，內能由分子動能和分子勢能組成，分子動能不可能為零，所以內能不可能為零，A正確；質量相同、溫度也相同的物體，分子平均動能相同，但內能還與物質的量，物體狀態等因素有關，B正確；溫度越高、運動速度越大的物體，其內能不一定大，因為內能還與物體物質的量和體積有關，C錯誤；一定量的理想氣體的內能只與溫度有關，溫度不變，內能不變，D錯誤.
答案：AB
例3.如圖所示，一定質量的理想氣體密封在絕熱(即與外界不發生熱交換)容器中，容器內裝有一可以活動的絕熱活塞.今對活塞施以一豎直向下的壓力F，使活塞緩慢向下移動一段距離后，氣體的體積減小.若忽略活塞與容器壁間的摩擦，則被密封的氣體 (　　)
A.溫度升高，壓強增大，內能減少
B.溫度降低，壓強增大，內能減少
C.溫度升高，壓強增大，內能增加
D.溫度降低，壓強減小，內能增加
解析：由題目可知，壓力F對絕熱容器中的理想氣體做正功，所以理想氣體內能增大，溫度T升高，體積V減小，再根據理想氣體狀態方程=c，可知壓強p增大，故C正確.
答案：C
一個物體，如果它和外界不發生熱傳遞，則外界對物體所做的功W等于物體內能的增加量 U；如果外界對物體沒有做功，則物體吸收的熱量Q等于物體內能的增加量 U；如果外界同時對物體做功和進行熱傳遞，則物體內能的增加量 U就等于物體吸收的熱量Q和外界對物體做的功W之和。即
上式表示功、熱量和內能改變量間的定量關系，在物理學中叫作熱力學第一定律。
三、熱力學第一定律及其應用
U=Q+W
Q —物體從外界吸收的熱量 W — 外界對物體做的功
定律中各量的正、負號及含義
物理量 符號 意義 符號 意義
W ＋ 外界對物體做功 － 物體對外界做功
Q ＋ 物體吸收熱量 － 物體放出熱量
ΔU ＋ 內能增加 － 內能減少
ΔU = W + Q
如圖所示，設密封在容器內的理想氣體在保持壓強p不變的情況下，
體積從V1膨脹到V2，氣體向外推動活塞，外界對氣體做負功，W<0，
由蓋-呂薩克定律可知，
氣體溫度升高，內能增加， U>0。
由熱力學第一定律可知，Q= U-W>0。
即理想氣體在等壓膨脹過程中從外界吸熱，氣體吸收的熱量一部分用來增加內能，另一部分轉化為對外所做的功。
相反，如果在保持壓強p不變的情況下，理想氣體被壓縮，體積從V 壓縮到V ，外界對氣體做正功，W>0，
由蓋-呂薩克定律可知，<，
氣體溫度降低，內能減小， U<0。
由熱力學第一定律可知，Q= U-W<0，
即氣體對外界放熱，放出的熱量等于外界對氣體所做的功與氣體內能減小量之和。
例4.一定質量的理想氣體，在某一狀態變化過程中，氣體對外界做功4 J，氣體內能減少12 J，則在該過程中（ ）
A．氣體放熱8 J　　　　　 B．氣體吸熱8 J
C．氣體吸熱16 J D．氣體放熱16 J
解析：根據熱力學第一定律可知ΔU＝Q＋W，
所以Q＝ΔU－W＝－12 J－(－4 J)＝－8 J，A正確。
A
例題5. (多選)一定質量的理想氣體從狀態A經過狀態B變化到狀態C，其V- T圖像如圖所示。下列說法正確的是（ ）
A．A→B的過程中，氣體對外界做功
B．A→B的過程中，氣體放出熱量
C．B→C的過程中，氣體壓強不變
D．A→B→C的過程中，氣體內能增加
解析：由題圖可知，從A到B的過程中，氣體的體積減小，則外界對氣體做功，A錯誤；從A到B過程中，理想氣體的溫度不變，則內能不變，根據熱力學第一定律可知，氣體放出熱量，B正確；從B到C的過程中，是一個常數，氣體發生的是等壓變化，氣體的溫度降低，內能減少，C正確，D錯誤。
答案：BC
1.下列現象中，哪些是通過熱傳遞的方式改變物體內能的（ ）
A．打開電燈開關，燈絲的溫度升高，內能增加
B．夏天喝冰鎮汽水來解暑
C．冬天搓搓手，會感覺到手變得暖和起來
D．太陽能熱水器在陽光照射下，水的溫度逐漸升高
BD
課堂檢測
2．關于熱傳遞，下列說法正確的是 ( )
A．熱傳遞的實質是溫度的傳遞
B．物體間存在溫度差，才能發生熱傳遞
C．熱傳遞可以在任何情況下進行
D．物體內能發生改變，一定是吸收或放出了熱量
B
3．(多選)下列關于熱量的說法，正確的是 ( )
CD
A．溫度高的物體含有的熱量多
B．內能多的物體含有的熱量多
C．熱量、功和內能的單位相同
D．熱量和功都是過程量，而內能是一個狀態量
4.下圖為某種椅子與其升降部分的結構示意圖，M、N兩筒間密閉了一定質量的氣體，M可沿N的內壁上下滑動，設筒內氣體不與外界發生熱交換，在M向下滑動的過程中(　　)
A．外界對氣體做功，氣體內能增大
B．外界對氣體做功，氣體內能減小
C．氣體對外界做功，氣體內能增大
D．氣體對外界做功，氣體內能減小
A
5.如圖，絕熱容器中間用隔板隔開，左側裝有氣體，右側為真空．現將隔板抽掉，使左側氣體自由膨脹直至達到平衡，則在此過程中(不計氣體的分子勢能)(　　)
A．氣體對外界做功，溫度降低，內能減少
B．氣體對外界做功，溫度不變，內能減少
C．氣體不做功，溫度不變，內能不變
D．氣體不做功，溫度不變，內能減少
C
6.一定質量的理想氣體，從某一狀態開始，經過一系列變化后又回一開始的狀態，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
A
7.空氣壓縮機在一次壓縮中，空氣向外界傳遞的熱量2.0 ×105J，同時空氣的內能增加了1.5 ×105J. 這時，在壓縮空氣的過程中，外界對空氣做了多少功？
解：由熱力學第一定律ΔU = Q + W 知：
W= ΔU－Q = +1.5 ×105J -（- 2.0 ×105J） = +3.5 ×105J>0
所以此過程中外界對空氣做了3.5 ×105J的功 .

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