专题10.3 热力学第一定律能量守恒定律-2020届高中物理同步讲义 人教版（选修3-3）

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1、第十章 热力学定律第3节 热力学第一定律 能量守恒定律一、对热力学第一定律的理解及应用1热力学第一定律不仅反映了做功和热传递这两种方式改变内能的过程是 ，而且给出了内能的变化量和做功与热传递之间的定量关系。2对公式U=Q+W符号的规定符号WQU外界对物体 物体吸收热量内能 物体对 做功物体 热量内能减少3几种特殊情况（1）若过程是绝热的，则Q=0，W=U，外界对物体做的功等于物体内能的增加量。（2）若过程中不做功，即W=0，则Q=U，物体吸收的热量等于物体内能的增加量。（3）若过程的始末状态物体的内能不变，即U=0，则WQ=0或W=Q。外界对物体做的功等于物体放出的热量。二、能量守恒定律1不同

2、形式的能量之间可以相互转化。（1）各种运动形式都有对应的能，如机械运动对应机械能，分子热运动对应内能等。（2）不同形式的能量之间可以相互转化，如“摩擦生热”机械能转化为内能，“电炉取热”电能转化为内能等。学科-网2能量守恒定律及意义。各种不同形式的能之间相互转化时保持总量 。意义：一切物理过程都适用，比机械能守恒定律更普遍，是19世纪自然科学的三大发现之一。等效的 做功 增加 外界 放出不变判断是否做功的方法一般情况下外界对系统做功与否，需看系统的体积是否变化。（1）若系统体积增大，表明系统对外界做功，W0。【例题】一定量的理想气体在某一过程中，从外界吸收热量2.5104 J，气体对外界做功1

3、.0104 J，则该理想气体的A温度降低，密度增大B温度降低，密度减小C温度升高，密度增大D温度升高，密度减小参考答案：D试题解析：由热力学第一定律UWQ，Q2.5104 J，W1.0104 J可知U大于零，气体内能增加，温度升高，A、B错；气体对外做功，体积增大，密度减小，C错，D对。1一定质量的理想气体，当发生如下状态变化时，能放出热量的是A体积不变，压强减小B压强不变，体积减小C温度不变，体积减少D温度不变，压强减小2在一个与外界没有热交换的房间内打开冰箱门，冰箱正常工作，过一段时间房间内的温度将A降低B升高C不变D无法确定3要使一定质量的理想气体由某一状态经过一系列状态变化，最后回到初

4、始状态。下列各过程可能实现这一要求的是A先等容放热，再等压升温，最后再等温放热B先等温膨胀，再等压升温，最后再等容吸热C先等容吸热，再等温膨胀，最后再等压降温D先等压升温，再等容吸热，最后再等温放热4某气体初态时有100 J内能，膨胀过程中对外做功30 J，同时吸收了20 J的热量，在这过程中内能 （填“增加”或“减少”） J。5在如图所示的坐标系中，一定质量的某种理想气体发生以下两种状态变化：第一种变化是从状态A到状态B，外界对该气体做功为6 J；第二种变化是从状态A到状态C，该气体从外界吸收的热量为9 J，图线AC的反向延长线通过坐标原点O，B、C两状态的温度相同，理想气体的分子势能为零，

5、求：（1）从状态A到状态C的过程，外界对该气体做的功和气体内能的增量；（2）从状态A到状态B的过程，该气体内能的增量及其从外界吸收的热量6如图a所示，一导热性能良好，内壁光滑的气缸水平放置，横截面积为S=，质量为m=4 kg，厚度不计的活塞与气缸底部之间封闭了一部分气体，此时活塞与气缸底部之间的距离为24 cm，在活塞的右侧12 cm处有一对与气缸固定连接的卡环，气体的温度为300 K，大气压强。现将气缸竖直放置，如图b所示，求该情况下：（取）（1）活塞与气缸底部之间的距离；（2）缓慢对气缸加热，当温度升到多高时，活塞与卡环刚好接触？若此过程中气体内能增加了11.6 J，则气体吸收了多少热量？

6、学！科网（3）缓慢对气缸加热，当温度升到多高时活塞对卡环的压力为60 N？7一定量的理想气体从状态a开始，经历三个过程ab、bc、ca回到原状态，其pT图象如图所示。下列判断正确的是A过程ab中气体一定吸热B过程bc中气体既不吸热也不放热C过程ca中外界对气体所做的功等于气体所放的热Da、b和c三个状态中，状态a分子的平均动能最小8如图所示，某同学将空的薄金属筒开口向下压入水中。设水温均匀且恒定，筒内空气无泄漏，不计气体分子间的相互作用，则被淹没的金属筒在缓缓下降过程中，筒内空气体积减小，空气一定A从外界吸热B内能增大C向外界放热D内能减小9一定质量的理想气体，沿箭头方向由状态1变化到状态2，

7、其中气体放出热量的变化过程是10如图所示，绝热气缸中间用固定栓将可无摩擦移动的导热隔板固定，隔板质量不计，左右两室分别充有一定量的氢气和氧气（视为理想气体）。初始时，两室气体的温度相等，氢气的压强大于氧气的压强，松开固定栓直至系统重新达到平衡，下列说法中正确的是A初始时氢分子的平均动能大于氧分子的平均动能B系统重新达到平衡时，氢气的内能比初始时的小C松开固定栓直至系统重新达到平衡的过程中有热量从氧气传递到氢气D松开固定栓直至系统重新达到平衡的过程中，氧气的内能先增大后减小11一种海浪发电机的气室如图所示，工作时，活塞随海浪上升或下降，改变气室中空气的压强，从而驱动进气阀门和出气阀门打开或关闭，

8、气室先后经历吸入、压缩和排出空气的过程，推动出气口处的装置发电，气室中的空气可视为理想气体。压缩过程中，两个阀门均关闭，若此过程中，气室中的气体与外界无热量交换，内能增加了3.4104 J，则该气体的分子平均动能 （选填“增大”、“减小”或“不变”），活塞对该气体所做的功 （选填“大于” 小于”或“:等于” ）3.4104 J。12如图所示，一轻活塞将体积为V，温度为的理想气体，密封在内壁光滑的圆柱形导热气缸内。已知大气压强为，大气温度为，气体内能U与温度T的关系为U=aT（a为正的常数）。在气缸内气体温度缓慢降为的过程中，求：（1）气体内能的减少量；（2）气体放出的热量Q。13如图所示，一定

9、质量的理想气体从状态A变化到状态B，再由状态B变化到状态C。已知状态A的温度为300 K。（1）求气体在状态B的温度；（2）由状态B变化到状态C的过程中，气体是吸热还是放热？简要说明理由。14（2017新课标全国卷）如图，一定质量的理想气体从状态a出发，经过等容过程ab到达状态b，再经过等温过程bc到达状态c，最后经等压过程ca回到状态a。下列说法正确的是A在过程ab中气体的内能增加B在过程ca中外界对气体做功C在过程ab中气体对外界做功D在过程bc中气体从外界吸收热量E在过程ca中气体从外界吸收热量15（2017江苏卷）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VT图象如图所示。下

10、列说法正确的有AAB的过程中，气体对外界做功BAB的过程中，气体放出热量CBC的过程中，气体压强不变DABC的过程中，气体内能增加16（2016新课标全国卷）一定量的理想气体从状态a开始，经历等温或等压过程ab、bc、cd、da回到原状态，其pT图象如图所示，其中对角线ac的延长线过原点O。下列判断正确的是A气体在a、c两状态的体积相等B气体在状态a时的内能大于它在状态c时的内能C在过程cd中气体向外界放出的热量大于外界对气体做的功D在过程da中气体从外界吸收的热量小于气体对外界做的功E在过程bc中外界对气体做的功等于在过程da中气体对外界做的功2B【解析】取房间内气体及电冰箱（有散热装置）为

11、系统，外界消耗电能，对系统做功，系统总内能增加。故B正确。3AC【解析】根据热力学第一定律知等容放热时，内能减小，温度降低，压强减小；再等压升温，体积增大，等温放热时，内能不变，由知外界对气体做功，体积减小，压强增大，所以气体的状态可能回到初始状态，故A正确。等温膨胀时，体积增大，压强减小；再等压升温时，温度升高，体积增大；最后再等容吸热时，内能增大，温度升高，压强增大，所以体积不能回到初始状态，故B错误。等容吸热时，内能增大，温度升高，压强增大；再等温膨胀时，温度不变，体积增大，压强减小；再等压降温时，体积减小，所以气体的状态可能回到初始状态，故C正确。等压升温时温度升高，体积增大；再等容吸

12、热时，内能增大，温度升高，压强增大，最后再等温放热时，内能不变，外界对气体做功，体积减小，压强增大，所以压强不能回到初始状态，故D错误。【名师点睛】本题根据理想气体状态方程直接判断即可，关键记住公式；也可以根据气体压强的微观意义判断。4减少 10由热力学第一定律，结合符号法则及其物理意义有：，故，因而内能减小了。【名师点睛】本题关键抓住气体的内能是状态量，由气体的温度决定。6（1）H=20 cm （2） （3）（1）气缸水平放置时，封闭气体的压强：，温度：，体积：当气缸竖直放置时，封闭气体的压强：，温度，体积：根据理想气体状态方程有：代入数据可得H=20 cm（2）设活塞到卡环时的温度为，此时

13、，等压变化，有,解得气体对外做功根据热力学第一定律可得，解得（3），根据解得7AD【解析】由图示可知，ab过程，气体压强与热力学温度成正比，则气体发生等容变化，气体体积不变，外界对气体不做功，气体温度升高，内能增大，由热力学第一定律可知，气体吸收热量，故A正确；由图示图象可知，bc过程气体发生等温变化，气体内能不变，压强减小，由玻意耳定律可知，体积增大，气体对外做功，由热力学第一定律U=Q+W可知，气体吸热，故B错误；由图象可知，ca过程气体压强不变，温度降低，由盖吕萨克定律可知，其体积减小，外界对气体做功，W0，气体温度降低，内能减少，U0，由热力学第一定律可知，气体要放出热量，过程ca中外

14、界对气体所做的功小于气体所放热量，故C错误；由图象可知，a状态温度最低，分子平均动能最小，故D正确。【名师点睛】本题考查气体的状态方程中对应的图象，要抓住在pT图象中等容线为过原点的直线；知道热力学第一定律的表达式及物理意义。8C【解析】本题考查气体性质和热力学第一定律，由于不计气体分子之间的相互作用，且整个过程缓慢进行，所以可看成温度不变，即气体内能不变，选项BD均错。热力学第一定律公式UWQ，因为在这个过程中气体体积减小，外界对气体做了功，式中W取正号，U0，所以Q为负，即气体向外放热，故选项A错，C对。9BD【解析】由图象是双曲线知，状1到状态2是等温变化过程，故状态1与状态2温度相同内

15、能相同，又从状态1至状态2气体的体积增加，故气体对外做功，根据热力学第一定律知，气体从外界吸热，故A错误；由图象有，根据理想气体状态方程知，所以从状态1至状态2，气体体积减小所以外界对气体做功，又说明气体气体的内能减小，根据热力学第一定律知气体对外放热，故B正确；由图象知，状态1至状态2，气体温度升高内能增加，气体体积增大气体对外做功，根据热力学第一定律知，气体从外界吸收热量，故C错误；由图象知气体的体积保持不变，气体对外界不做功，从状态2至状态1气体的温度降低内能减小，根据热力学第一定律，气体对外放热，故D正确。【名师点睛】掌握热力学第一定律，知道理想气体的内能只由温度决定与体积无关。能根据

16、理想气体状态方程由图示两个状态的变化判定第三个参量的变化情况，这是正确解题的关键。10CD【解析】温度是分子平均动能的标志，A错；松开固定栓直至系统重新达到平衡的过程中，氢气对氧气做功，由于隔板导热，最终温度相同，系统与外界无热交换，最终温度等于初始温度，B错，CD正确。11增大 等于气体内能增加，气体温度升高，气体分子的平均动能增大；气体与外界无热量交换，则：Q=0，由热力学第一定律可知：。【名师点睛】知道理想气体内能与温度的关系、知道温度与分子平均动能的关系、掌握热力学第一定律是解题的关键，根据题意应用基础知识即可解题，平时要注意基础知识的学习与掌握。12（1） （2）（1）由题意可知气体

17、内能U与温度的关系为所以开始时气体的内能：末状态：内能的减小：（2）设温度降低后的体积为，由查理定律则：外界对气体做功：热力学第一定律：解得：【名师点睛】结合题目给出的条件即可求出气体内能减少量；找出初状态和末状态的物理量，由查理定律和盖吕萨克定律求体积，根据功的公式和内能表达式求放出的热量。13（1） （2）气体放热（1）由题图知由得气体在状态B的温度【名师点睛】运用来分析问题时，必须理解表达式的物理意义，掌握它的符号法则，要注意研究过程中哪些量不变，哪些量变化。14ABD【解析】在过程ab中，体积不变，外界不对气体做功，气体也不对外界做功，压强增大，温度升高，内能增加，A正确，C错误；在过

18、程ca中，气体体积缩小，外界对气体做功，压强不变，温度降低，内能减小，由热力学第一定律可知，气体向外界放出热量，B正确，E错误；在过程bc中，温度不变，内能不变，体积增大，气体对外界做功，由热力学第一定律可知，气体要从外界吸收热量，D正确。15BC【解析】由图知，AB的过程中，温度不变，内能不变，体积减小，故外界对气体做功，由热力学第一定律可知，气体放出热量，A错误，B正确；由理想气体状态方程可得，BC的过程中，气体压强不变，C正确；ABC的过程中，温度降低，气体内能减少，D错误。16ABE【解析】由理想气体状态方程可得，气体在a、c两状态的体积相等，A正确；理想气体的内能由温度决定，而TcTa，故气体在状态a的内能大于在状态c的内能，B正确；cd过程温度不变，内能不变，由热力学第一定律可知，气体向外界放出的热量等于外界对气体做的功，C错误；da过程温度升高，内能增大，则气体从外界吸收的热量大于气体对外界做的功，D错误；bc过程中外界对气体做的功Wbc=pc（VbVc），da过程中气体对外界做的功Wda=pa（VaVd），对等温变化过程ab、cd，由玻意耳定律有paVa=pcVb，pcVc=paVd，联立可得Wbc=paVapcVc=Wda，E正确。学科网