热力学第一定律 能量守恒定律的发现历程
1.理解物体跟外界做功和热传递的过程及W、Q、ΔU的物理意义． 2.理解热力学第一定律ΔU＝W＋Q，会用ΔU＝W＋Q分析和计算有关问题．(重点＋难点) 3.掌握能量守恒定律，会用能量守恒的观点分析、解决有关问题．(重点)
, 一、做功和内能的改变
1．系统只通过对外界做功或外界对它做功而与外界交换能量，它不从外界吸热，也不向外界放热，这样的过程叫做绝热过程．
2．当系统从状态1经过绝热过程达到状态2时，内能的增加量ΔU＝U2－U1就等于外界对系统所做的功W，即ΔU＝W．这就是说在绝热过程中内能的改变用功来量度，外界对物体做多少功，物体的内能就增加多少；物体对外界做多少功，物体的内能就减少多少．
二、热传递和内能的改变
1．两个温度不同的物体相互接触时，热量从高温物体传到低温物体，这样的过程叫做热传递．
2．热量是在单纯的传热过程中系统内能变化的量度．当系统由状态1经过单纯的传热过程达到状态2，内能的增量ΔU＝U2－U1就等于外界向系统传递的热量Q，即ΔU＝Q．系统吸收了多少热量，系统的内能就增加多少；系统放出了多少热量，系统的内能就减少多少．
3．做功和热传递对改变物体的内能在效果上是等效的．
三、热力学第一定律
1．当外界既对系统做功又对系统传热时，内能的增量应该
是ΔU＝Q＋W．也就是说，一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的和．这个关系叫做热力学第一定律．
2．W、Q、ΔU正负号确定
(1)外界对系统做功，W取正值；系统对外界做功，W取负值．
(2)系统吸热，Q取正值，系统放热，Q取负值．
(3)系统内能增加，ΔU取正值；系统内能减少，ΔU取负值．
四、能量守恒定律
1．能量守恒定律可以表述为：能量既不能凭空产生，也不能凭空消失，它只能从一种形式转化为另一种形式，或者从一个系统(物体)转移到别的系统(物体)，在转化或转移的过程中其总量不变．
2．能的转化和守恒定律的发现是科学史上的重大事件．恩格斯把它与细胞学说、生物进化论一起列为19世纪的三大发现．能量守恒定律是自然界的普遍规律，是人们认识自然，改造自然的有力武器，在20世纪30年代初，W·泡利和E·费米根据能量守恒定律预言了中微子的存在并在后来得到证实．
对内能改变的理解
1．做功和热传递在改变内能上的关系
做功 热传递
内能变化 外界对物体做功，物体的内能增加物体对外界做功，物体的内能减少 物体吸收热量，内能增加．物体放出热量，内能减少
物理实质 其他形式的能与内能之间的转化 不同物体间或同一物体不同部分之间内能的转移
相互联系 做一定量的功或传递一定量的热在改变内能的效果上是相同的
2.功、热量和内能
(1)功和内能的区别：功是能量转化的量度，是过程量，而内能是状态量，做功过程中，能量一定会发生转化而内能不一定变化，但内能变化时，不一定有力做功，也可能是由热传递改变物体的内能．物体内能大，并不意味着做功多，只有内能变化大，才可能做功多．
(2)热量和内能：内能是由系统的状态决定的，状态确定，系统的内能也随之确定，要使系统的内能发生变化，可以通过热传递或做功两种方式来完成．而热量是热传递过程中的特征物理量，和功一样，热量只是反映物体在状态变化过程中所迁移的能量，是用来衡量物体内能变化的．有过程，才有变化，离开过程，毫无意义．就某一状态而言，只有“内能”，根本不存在什么“热量”和“功”，因此，不能说一个系统中含有“多少热量”或“多少功”．
对于热量、功和内能三者的说法正确的是( )
A．热量、功、内能三者的物理意义等同
B．热量、功都可以作为物体内能的量度
C．热量、功、内能的单位不相同
D．热量和功是由过程决定的，而内能是由物体状态决定的
[思路点拨] 求解此题应把握以下三点：
(1)明确功、热量、内能的物理意义．
(2)明确功、热量、内能分别是过程量还是状态量．
(3)功、热量、内能的单位相同．
[解析] 物体的内能是指物体的所有分子动能和分子势能的总和，而要改变物体的内能可以通过做功和热传递两种途径，这三者的物理意义不同，A项错．热量是表示在热传递过程中物体内能变化多少的物理量，而功也是用做功的方式来量度改变物体内能多少的物理量，B项错．三者单位都是焦耳，C项错．热量和功是过程量，内能是状态量，D项对．
[答案] D
关于温度、热量、功、内能，以下说法正确的是 ( )
A．同一物体温度高时，含有的热量多
B．物体的内能越大，含有的热量就越多，温度也越高
C．外界对系统做功W，内能必定增加W
D．在自然过程中，热量总是从温度高的物体传给温度低的物体
解析：选D.同一物体温度高时，内能大，只有热传递过程转移的内能才能称为热量，A错，B错；在自然过程中，热量总是从温度高的物体传给温度低的物体，D对；只有在绝热过程中ΔU＝W，C错．
对热力学第一定律的理解
1．热力学第—定律不仅反映了做功和热传递这两种改变内能的效果是等效的，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．此定律是标量式，应用时热量的单位应统一为国际单位制中的焦耳．
2．对公式ΔU＝Q＋W符号的规定
外界对系统做功，W>0，即W为正值；
系统对外界做功，也就是外界对系统做负功，W<0，即W为负值；
外界对系统传递热量，也就是系统从外界吸收热量，Q>0，即Q为正值；
外界从系统吸收热量，也就是系统向外界放出热量，Q<0，即Q为负值；
系统内能增加，ΔU>0，即ΔU为正值；
系统内能减少，ΔU<0，即ΔU为负值．
归纳列表记为：热力学第一定律是能的转化与守恒定律在改变物体内能这一特定过程中的具体体现．
符号 W Q ΔU
＋ 外界对物体做功 物体吸收热量 内能增加
－ 物体对外界做功 物体放出热量 内能减少
命题视角1 用热力学第一定律定性分析
密闭有空气的薄塑料瓶因降温而变扁，此过程中瓶内空气(不计分子势能)( )
A．内能减小，外界对其做功
B．内能减小，吸收热量
C．内能增大，对外界做功
D．内能增大，放出热量
[解析] 密闭有空气的薄塑料瓶降温说明气体的内能减小，薄塑料瓶变扁说明外界对气体做功；由热力学第一定律可知，气体在变化过程中放出热量，所以选项A正确．
[答案] A
命题视角2 用热力学第一定律进行定量计算
如图所示是密闭的汽缸，外力推动活塞P压缩气体，对缸内气体做功500 J，同时气体向外界放热100 J，缸内气体的( )
A．温度升高，内能增加400 J
B．温度升高，内能减少400 J
C．温度降低，内能增加600 J
D．温度降低，内能减少600 J
[解析] 由热力学第一定律可得ΔU＝W＋Q＝500 J＋(－100 J)＝400 J，即缸内气体内能增加400 J，气体温度升高，故选项A对，B、C、D错．
[答案] A
应用热力学第一定律解决问题的关键
(1)要明确研究的对象是哪个物体或者说是哪个热力学系统．
(2)应用热力学第一定律计算时，要依照符号法则代入数据，对结果的正、负也同样依照符号法则来解释其意义．
命题视角3 热力学第一定律与气体实验定律的
综合应用
如图所示，A、B两点表示一定质量的某种理想气体的两个状态，当气体从状态A变化到状态B时( )
A．气体内能一定增加 B．气体压强变大
C．气体对外界做功 D．气体对外界放热
[思路点拨] (1)一定质量理想气体的内能由温度决定．
(2)由pV＝C判断压强变化．
(3)根据体积变化判断做功情况．
(4)由热力学第一定律判断吸热还是放热．
[解析] 由题图可知，理想气体的变化为等温膨胀，气体压强减小，故气体的内能不变，气体对外做功；由热力学第一定律可知，气体一定从外界吸收热量．综上可知，C对，A、B、D错．
[答案] C
【通关练习】
1．下列说法正确的是( )
A．物体放出热量，其内能一定减小
B．物体对外做功，其内能一定减小
C．物体吸收热量，同时对外做功，其内能可能增加
D．物体放出热量，同时对外做功，其内能可能不变
解析：选C.根据热力学第一定律(公式ΔU＝Q＋W)可知，做功和热传递都可以改变物体的内能，当外界对物体做的功大于物体放出的热量或物体吸收的热量大于物体对外做的功时，物体的内能增加，选项A、B错误，选项C正确；物体放出热量同时对外做功，则Q＋W<0，内能减小，选项D错误．
2.如图，一定质量的理想气体，由状态a经过ab过程到达状态b或者经过ac过程到达状态c.设气体在状态b和状态c的温度分别为Tb和Tc，在过程ab和ac中吸收的热量分别为Qab和Qac，则( )
A．Tb>Tc，Qab>Qac B．Tb>Tc，QabC．Tb＝Tc，Qab>Qac D．Tb＝Tc，Qab解析：选C.由理想气体状态方程可知＝＝，即＝，得Tc＝Tb，则气体在b、c状
态内能相等，因a到b和a到c的ΔU相同；而a到c过程中气体体积不变，W＝0，a到b过程中气体膨胀对外做功，W＜0，根据热力学第一定律：ΔU＝Q＋W可知a到b的吸热Qab大于a到c的吸热Qac，即Qab＞Qac.选项C正确．
3．(多选)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p－T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
解析：选ABE.由＝k可知，p－T图象中过原点的一条倾斜的直线是等容线，A项正确；气体从状态c到状态d的过程温度不变，内能不变，从状态d到状态a的过程温度升高，内能增加，B项正确；由于过程cd中气体的内能不变，根据热力学第一定律可知，气体向外放出的热量等于外界对气体做的功，C项错误；在过程da中气体内能增加，气体从外界吸收的热量大于气体对外界做的功，D项错误；过程bc中，外界对气体做的功Wbc＝pb(Vb－Vc)＝pbVb－pcVc，过程da中气体对外界做的功Wda＝pd(Va－Vd)＝paVa－pdVd，由于pbVb＝paVa，pcVc＝pdVd，因此过程bc中外界对气体做的功与过程da中气体对外界做的功相等，E项正确．
能量守恒定律的理解
1．能量的存在形式及相互转化
各种运动形式都有对应的能：机械运动有机械能，分子的热运动有内能，还有诸如电磁能、化学能、原子能等．
各种形式的能，通过某种力做功可以相互转化，例如：利用电炉取暖或烧水，电能转化为内能；煤燃烧，化学能转化为内能；列车刹车后，轮子温度升高，机械能转化为内能．
2．与某种运动形式对应的能是否守恒是有条件的，例如，物体的机械能守恒，必须是只有重力或系统弹力做功；而能量守恒定律是没有条件的，它是一切自然界现象都遵守的基本规律．
3．能量守恒定律的重要意义：能量守恒定律比机械能守恒定律更普遍，它是物理学中解决问题的重要思维方法．能量守恒定律与细胞学说、达尔文的进化论并称19世纪自然科学中三大发现，其重要意义由此可见．
如图所示，一个质量为20 kg的绝热汽缸竖直放置，绝热活塞的质量为5 kg，处于静止状态时被封闭气体的高度为50 cm，现在在活塞上方加一15 kg的物体，待稳定后，被封闭气体的高度变为40 cm.求在这一过程中气体的内能增加多少？(g取10 m/s2，不考虑活塞的大气压力及摩擦阻力)
[思路点拨] 解答本题可按以下思路进行思考：
→→
[解析] 由能量守恒定律可知，内能的增加等于活塞和物体重力势能的减少，
ΔU＝ΔE＝(M＋m)gh＝(15＋5)×10×(50－40)×10－2 J＝20 J.
[答案] 20 J
(1)绝热过程表示不吸热、也不放热；“导热性能良好且过程缓慢”表示此过程有热传递发生且及时充分，保持温度不变．
(2)用“能量”观点解题方便、快捷．
如图所示，A、B是两个完全相同的铁球，A放在绝热板上，B用绝热绳悬挂．现只让它们吸收热量，当它们升高相同的温度时，它们所吸收的热量分别为QA、QB，则( )
A．QA＝QB B．QAC．QA>QB D．无法确定
解析：选C.A、B升高相同的温度，故两球的内能增量相同，由金属球受热后体积膨胀，B球重心下降重力做正功、A球重心上升重力做负功，由热力学第一定律得：ΔU＝Q＋W，故Q＝ΔU－W，QB＝ΔU－W，QA＝ΔU＋W，显然QA>QB.
[随堂检测]
1．(多选)下列关于热量、功和内能三者的说法中正确的是( )
A．三者单位相同，物理意义相同
B．热量和功是内能变化的量度
C．热量和功由物体状态决定，而内能由过程决定
D．系统内能增加了100 J，可能是外界采用绝热方式对系统做功100 J，也可能是外界单纯地对系统传热100 J
解析：选BD.热量、功和内能三者尽管单位相同，但物理意义有本质区别，A错．热量和功由过程决定，内能由物体状态决定，热量和功是内能变化的量度，B对，C错．对一个绝热过程ΔU＝W＝100 J，对一个单纯热传递过程ΔU＝Q＝100 J，D对．
2．一木箱静止于水平面上，现在用一个80 N的水平推力推动木箱前进10 m，木箱受到的摩擦力为60 N，则转化为木箱与地面系统的内能U和转化为木箱的动能Ek分别是( )
A．U＝200 J，Ek＝600 J B．U＝600 J，Ek＝200 J
C．U＝600 J，Ek＝800 J D．U＝800 J，Ek＝200 J
解析：选B.由于木箱在推动中受到滑动摩擦力，其与相对位移的乘积为物体的内能即：U＝60×10 J＝600 J．由能量守恒定律可得：Ek＝W总－U＝80×10 J－600 J＝200 J，故B正确．
3．(多选)用密封性好、充满气体的塑料袋包裹易碎品，如图所示，充气袋四周被挤压时，假设袋内气体与外界无热交换，则袋内气体( )
A．体积减小，内能增大
B．体积减小，压强减小
C．对外界做负功，内能增大
D．对外界做正功，压强减小
解析：选AC.实际气体在温度不太低、压强不太大时可看做理想气体．充气袋被挤压，气体体积减小，外界对气体做正功，则W>0，即气体对外界做负功，由于袋内气体与外界无热交换，即Q＝0，根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q知，内能增大，温度升高，选项A、C正确；根据理想气体状态方程＝C可判断压强一定增大，选项B、D错误．
4.如图所示，在竖直放置的圆柱容器内，用活塞密封一部分气体，活塞质量为m，容器的横截面积为S，活塞与容器壁间无摩擦，平衡时容器内的密闭气体的压强为p，外界大气压恒为p0.当气体从外界吸收热量Q、活塞升高h后再次平衡(可认为气体压强恒为p不变)．则在此过程中密闭气体增加的内能等于( )
A．Q B．Q－mgh
C．Q－mgh－p0Sh D．Q－mgh＋p0Sh
解析：选C.气体前后两个状态用1和2表示，对应内能为U1和U2，当气体从状态1变化到状态2时，能流图如图所示．从能流图可以看出：ΔU＝Q－W＝Q－mgh－p0Sh.
5.一定质量的理想气体，状态从A→B→C→D→A的变化过程可用如图所示的p－V图描述，图中p1、p2、V1、V2和V3为已知量．
(1)气体状态从A到B是__________过程(填“等容”“等压”或“等温”)；
(2)状态从B到C的变化过程中，气体的温度________(填“升高”“不变”或“降低”)；
(3)状态从C到D的变化过程中，气体________(填“吸热”或“放热”)；
(4)状态从A→B→C→D的变化过程中，气体对外界所做的总功为______________．
解析：由图像可知，由气体A到B压强不变，体积增大，则温度上升，是等压过程；由B到C过程体积不变，压强减小，则温度降低；由C到D过程，体积减小，压强不变，是放热过程．从A→B体积增大，气体对外界做正功W1＝p2(V3－V1)，从B→C体积不变，气体不做功，从C→D体积减小，气体做负功W2＝－p1(V3－V2)，故整个过程中的总功W＝W1＋W2＝p2(V3－V1)－p1(V3－V2)．
答案：(1)等压 (2)降低 (3)放热
(4)p2(V3－V1)－p1(V3－V2)
[课时作业]
一、单项选择题
1．关于物体的内能及其变化，以下说法正确的是( )
A．物体对外做功时，其内能必定改变
B．物体对外做功，其内能不一定改变，向物体传递热量，其内能也不一定改变
C．物体对外做功，其内能必定改变．物体向外传出一定热量其内能必定改变
D．若物体与外界不发生热交换，则物体的内能必定不改变
解析：选B.物体对外做功，其内能可能不变，A错；改变内能有两种方式：做功和热传递，由热力学第一定律可知B对，C、D错．
2．下列关于做功和热传递的说法中正确的是( )
A．做功和热传递的实质是相同的
B．做功和热传递在改变物体内能上是等效的
C．做功和热传递是对同一过程的两种说法
D．做功和热传递是不可能同时发生的
解析：选B.做功和热传递在改变物体内能上是等效的，但本质不同，做功是将其他形式的能量转化为内能或将内能转化为其他形式的能量，热传递是内能的转移，且做功和热传递可以同时进行，故B选项正确．
3．一定质量的气体膨胀做功100 J，同时吸热30 J，则气体内能的增量为 ( )
A．130 J B．70 J
C．－70 J D．－130 J
解析：选C.气体膨胀时外界对气体做功W＝－100 J，吸收热量Q＝30 J，由热力学第一定律有：ΔU＝W＋Q＝－100 J＋30 J＝－70 J．
4．给旱区送水的消防车停于水平地面．在缓慢放水过程中，若车胎不漏气，胎内气体温度不变，不计分子间势能，则胎内气体( )
A．从外界吸热 B．对外界做负功
C．分子平均动能减小 D．内能增加
解析：选A.本题考查了热力学第一定律．由于车胎内温度保持不变，故分子的平均动能不变，内能不变．放水过程中体积增大对外做功，由热力学第一定律可知，胎内气体吸热．A选项正确．
二、多项选择题
5.如图所示，将一空的薄金属圆筒开口向下压入水中，设水温均匀且恒定，且筒内空气无泄漏，不计空气分子间的相互作用，则被淹没的金属筒在缓慢下降过程中，发现筒内空气体积在不断减小，则下列说法中正确的是( )
A．筒内空气的压强在增大
B．筒内空气的温度在升高
C．筒内空气向外界放热
D．筒内空气的内能减小
解析：选AC.金属筒在缓慢下降过程中，压强增大，A正确；由于水温均匀恒定，又不计空气分子间相互作用，不考虑分子势能，其内能不变，所以B、D均错误，因体积不断减小，外界对气体做功，则空气向外界放热，C正确．
6．对于一定量的理想气体，下列说法正确的是( )
A．若气体的压强和体积都不变，其内能也一定不变
B．若气体的内能不变，其状态也一定不变
C．若气体的温度随时间不断升高，其压强也一定不断增大
D．气体温度每升高1 K所吸收的热量与气体经历的过程有关
解析：选AD.p、V不变，则T不变，气体的内能不变，故选项A正确；内能不变，温度不变，p、V可能变，选项B错误；气体温度升高，压强不一定增大，故选项C错误；气体温度每升高1 K吸收的热量与气体对外做功多少有关，即与经历的过程有关，故选项D正确．
7.如图，内壁光滑、导热良好的汽缸中用活塞封闭有一定质量的理想气体．当环境温度升高时，缸内气体( )
A．内能增加
B．对外做功
C．压强增大
D．分子间的引力和斥力都增大
解析：选AB.当环境温度升高时，压强不变，缸内气体膨胀对外做功，理想气体不考虑分子力，内能仅由物质的量和温度决定，温度升高，气体的内能增加，正确选项为A、B.
三、非选择题
8．如图所示，一定质量的理想气体从状态A经等压过程到状态B.此过程中，气体压强p＝1.0×105 Pa，吸收的热量Q＝7.0×102 J，求此过程中气体内能的增量．
解析：等压变化＝，对外做的功W＝p(VB－VA)
根据热力学第一定律ΔU＝Q－W，
解得ΔU＝5.0×102 J.
答案：5.0×102 J
9．一定质量的理想气体从状态A变化到状态B，再变化到状态C，其状态变化过程的p－V图像如图所示．已知该气体在状态A时的温度为27 ℃.求：
(1)该气体在状态B时的温度；
(2)该气体从状态A到状态C的过程中与外界交换的热量．
解析：(1)对于理想气体：A→B过程，由查理定律有＝，得TB＝100 K，
所以tB＝TB－273 ℃＝－173 ℃.
(2)B→C过程，由盖—吕萨克定律有＝，
得TC＝300 K，
所以tC＝TC－273 ℃＝27 ℃.
由于状态A与状态C温度相同，气体内能相等，而A→B过程是等容变化气体对外不做功，B→C过程中气体体积膨胀对外做功，即从状态A到状态C气体对外做功，故气体应从外界吸收热量．Q＝pΔV＝1×105×(3×10－3－1×10－3) J＝200 J.
答案：见解析
10.爆米花酥脆可口、老少皆宜，是许多人喜爱的休闲零食，如图为高压爆米花的装置原理图，玉米在铁质的密闭容器内被加热，封闭气体被加热成高温高压气体，当打开容器盖后，“嘭”的一声气体迅速膨胀，压强急剧减小，玉米粒就“爆炸”成了爆米花．设当地温度为t1＝27 ℃，大气压为p0，已知密闭容器打开前的气体压强达到4p0.试分析：
(1)容器内的气体看做理想气体，求容器内气体的温度．
(2)假定在一次打开的过程中，容器内气体膨胀对外界做功15 kJ，并向外释放了20 kJ的热量，容器内原有气体的内能如何变化？变化了多少？
解析：(1)根据查理定律：＝
p1＝p0，T1＝300 K，p2＝4p0.
整理得：T2＝1 200 K，t2＝927 ℃.
(2)由热力学第一定律ΔU＝Q＋W
得ΔU＝－20 kJ－15 kJ＝－35 kJ，故内能减少35 kJ.
答案：(1)927 ℃ (2)减少 35 kJ
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(共38张PPT)
第4章 热力学定律与能量守恒
4．1 热力学第一定律
4．2 能量守恒定律的发现历程
第4章 热力学定律与能量守恒
绝热
W
功
增加
减少
温度
高温
低温
热传递
Q
增加
减少
等效
Q＋W
正
正
正
凭空产生
凭空消失
转化
生物进化论
中微子
转移
预习导学新知探究
梳理知识·夯实基础
多维课堂,师生互动
突破疑难·讲练提升
(共25张PPT)
对外做功
W=PoSh+mgh
从外界吸热
