热力学第一定律
一、热力学第一定律
1．内能改变的两种方式
⑴ 功和内能变化的关系
从19世纪30年代起，人们逐渐认识到，为了使系统的热学状态发生变化，既可以向它传热，也可以对它做功。从1840年起，英国物理学家焦耳进行了多种多样的实验，以求精确测定外界对系统做功和传热对于系统状态的影响，以及功与热量的相互关系。
① 绝热过程：系统变化过程中，只由于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 焦耳的实验表明，要使系统状态通过绝热过程发生变化，做功的数量只由始末两个状态决定，而与功的方式无关。
③ 当系统从某一状态经过绝热过程达到另一状态时，内能的增加量?U就等于外界对系统所做的功W，用式子表示为?U?U2?U1?W。 ⑵ 热量和内能变化的关系
不仅对系统做功可以改变系统的热力学状态，单纯的对系统传热也能改变系统的热力学状态。所以，热量是在单纯的传热过程中系统内能变化的量度。
当系统从状态1经过单纯的传热到达状态2，内能的增加量?U?U2?U1就等于外界向系统传递的热量Q，即?U?Q。 ⑶ 改变物体内能的两种方式的比较
做功 外界对物体做功，物体的内能增内能变化 加；物体对外界做功，物体的内能减少 本质
热传递 物体吸收热量，内能增加；物体放出热量，内能减少 其它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 典例精讲
【例1.1】（2019春?吉阳区校级月考）关于热传递，下列说法中正确的是（ ） A．热传递的实质是温度的传递
B．物体间存在着温度差，才能发生热传递 C．热传递可以在任何情况下进行
D．物体内能发生改变，一定是吸收或放出了热量
【分析】改变内能的两种方式为热传递和做功，其中热传递的实质是能量的传递，而且必须在有温度差的情况下进行。
【解答】解：A、热传递的实质是能量的传递。故A错误； B、物体间存在着温度差，才能发生热传递。故B正确； C、热传递必须在有温度差的情况下进行。故C错误；
D、物体的内能发生了改变，可能是由于发生了热传递，也可能是由于做功导致的。故D错误； 故选：B。
2．热力学第一定律
⑴ 内容：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做功之和 ⑵ 表达式：?U?W?Q ⑶ 符号规定：
① 外界对系统做功，W?0；系统对外界做功W?0
② 系统从外界吸收热量，Q?0 ；系统向外界放出热量Q?0 ③ 系统内能增加，?U?0，系统内能减少，?U?0
典例精讲
【例2.1】（2019?丰台区一模）下列说法正确的是（ ） A．气体的温度升高，每个气体分子的运动速率都会增大
B．从微观角度讲，气体压强只与气体分子的密集程度有关 C．当分子力表现为引力时，分子势能随分子间距离的增大而增大 D．若一定质量的气体膨胀对外做功50 J，则内能一定减少50 J
【分析】温度是分子平均动能的标志，温度升高，气体分子的平均动能会增大，但温度对单个分子来说没有意义，即当气体温度升高时，有的分子的速率可能增大，有的分子的速率可能减小，有的分子的速率可能不变；
从微观角度讲，气体压强与气体分子的密集程度和分子平均动能有关；通过分子力做功分析分子势能变化；
改变物体内能方式时做功和热传递，然后根据热力学第一定律分析物体内能变化。 【解答】解：A、温度是分子平均动能的标志，温度升高，气体分子的平均动能会增大，但温度对单个分子来说没有意义，即当气体温度升高时，有的分子的速率可能增大，有的分子的速率可能减小，有的分子的速率可能不变；故A错误；
B、从微观角度讲，气体压强与气体分子的密集程度和分子平均动能有关，故B错误； C、当分子力表现为引力时，随着分子距离增大，引力做负功，分子势能增大，故C正确； D、气体膨胀，气体对外做功，W＝﹣50J，根据热力学第一定律得：△U＝W+Q＝﹣50+Q，由于吸放热情况不确定，故内能变化不确定，故D错误； 故选：C。
【例2.2】（2019?黄山三模）下面说法正确的是（ ） A．饱和蒸汽压随温度的升高而增大 B．单晶体在某些物理性质上具有各向异性
C．一定量的理想气体从外界吸热，其内能一定增加 D．液体温度越高，悬浮颗粒越小，布朗运动越剧烈
E．当分子之间作用力表现为斥力时，分子力随分子间的距离增大而增大
【分析】饱和汽压跟温度有关，跟体积无关；晶体有单晶体和多晶体两种，单晶体各向异性，而多晶体各向同性；分子力与分子间距离之间的关系比较复杂，分子间距离增大，分子力不一定减小；做功与热传递都可以改变物体的内能；影响布朗运动的剧烈程度的因素是温度、
固体小颗粒的大小。
【解答】解：A、液体的饱和汽压仅仅与温度有关，随温度的升高而增大，故A正确。 B、单晶体在某些物理性质上具有各向异性，而多晶体和非晶体是各向同性的。故B正确； C、一定量的理想气体从外界吸热，若同时对外做功，其内能不一定增加。故C错误。 D、影响布朗运动的剧烈程度的因素是温度、固体小颗粒的大小；液体温度越高，悬浮颗粒越小，布朗运动越剧烈。故D正确；
E、分子力与分子之间的距离关系比较复杂，随着分子间距离的增大，分子间作用力不一定减小；当分子表现为斥力时，分子之间的距离增大，分子力减小。故E错误。 故选：ABD。
【例2.3】（2019春?宾阳县校级月考）关于热力学定律，下列说法正确的是（ ） A．气体吸热后温度一定升高
B．理想气体等压膨胀过程一定放热
C．热量不可能自发地从低温物体传到高温物体
D．如果两个系统分别与状态确定的第三个系统达到热平衡，那么这两个系统彼此之间也必定达到热平衡
【分析】根据理想气体状态方程结合热力学第一定律判断吸放热；热量能自发地从高温物体传到低温物体，但不能自发地从低温物体传到高温物体；热力学第零定律：如果两个系统分别与第三个系统达到热平衡，那么这两个系统彼此之间必定处于热平衡；
【解答】解：A、物体吸热后温度不一定升高，如冰熔化，冰吸收热量，但温度不变，故A错误；
B、A、由??=??知，一定质量理想气体在等压膨胀过程中温度升高，内能增大，气体一定吸收热量，故B错误；
C、热量能自发地从高温物体传给低温物体，不能自发地从低温物体传给高温物体，故C正确；
D、如果两个系统分别与第三个系统达到热平衡，那么这两个系统彼此之间必定处于热平衡，故D正确； 故选：CD。
【例2.4】（2019?惠城区校级模拟）下列说法中正确的是（ ）
????
A．图1为氧气分子在不同温度下的速率分布图象，由图可知状态①的温度比状态②的温度高
B．图2为一定质量的理想气体状态变化的P﹣V图线，由图可知气体由状态A变化到B的过程中，气体分子平均动能先增大后减小
C．图3为分子间作用力的合力与分子间距离的关系，可知当分子间的距离r＞r0时，分子势能随分子间的距离增大而增大
D．液体表面层中分子间的距离比液体内部分子间的距离大；附着层内液体分子间的距离小于液体内部分子间的距离
E．一定质量的理想气体在等压膨胀过程中，气体内能增加的同时向外界释放热量 【分析】温度是分子平均动能的标志，温度升高分子的平均动能增加，不同温度下相同速率的分子所占比例不同；根据气体状态方程
??????
=??和已知的变化量去判断温度的变化，从而判
断分子平均动能的变化；当分子间作用力表现为引力时，随分子间距离的增大分子力做负功，故分子势能增大；浸润：一种液体会润湿某种固体并附在固体的表面上，这种现象叫做浸润。不浸润：一种液体不会润湿某种固体，也就不会附在这种固体的表面，这种现象叫做不浸润。液体对固体的浸润，则分子间距小于液体内部，则液面分子间表现为斥力，液面呈现凹形，表面有扩张的趋势；结合热力学第一定律分析气体内能的变化与传热之间的关系； 【解答】解：A、由图可知，①中速率大分子占据的比例较大，则说明①对应的平均动能较大，故①对应的温度较高，故A正确。
B、直线AB的斜率k=?，直线AB的方程??=???+5
2
2
1
1
????=???2+5??，知V＝5时，PV乘积最大
2
1
根据pV＝CT，可知C不变，pV越大，T越高。状态在（5，2）处温度最高，在A和B状态时，pV乘积相等，说明在AB处的温度相等，所以从A到B的过程中，温度先升高，后又减小到初始温度，温度是分子平均动能的标志，所以在这个过程中，气体分子的平均动能
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高中物理全套讲义选修3-3 第4讲 热力学第一定律(中档版) 教师版讲义
