第2节热力学第一定律一、改变物体内能的两种方式1．改变内能的两种方式：做功和热传递。

2．做功：外力对物体做功，可以使物体的内能增加。

3．热传递：没有做功而使物体内能改变的物理过程。

4．做功和热传递对物体内能的改变是等效的，但本质不同。

二、热力学第一定律1．定义：功、热量跟内能改变之间的定量关系。

2．数学表达式：ΔU＝Q＋W。

1．判断：(1)物体吸收热量，内能一定增大。

()(2)物体对外做功，内能一定减小。

()(3)物体吸收热量，同时对外做功，内能可能不变。

()(4)物体放出热量，同时对外做功，内能可能不变。

()答案：(1)×(2)×(3)√(4)×2．思考：运用所学物理知识分析古代人“钻木取火”的原理是什么？提示：“钻木取火”即人对木头做功，使木头的内能增大，温度升高，当温度达到木头的着火点时，木头便开始燃烧，即利用做功的方式改变木头的内能。

1.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。

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，离开过程则毫无意义。

就某一状态而言，只有“内能”，不能谈到“热量”或“功”。

(1)内能是状态量，热量、功是过程量。

(2)热量、功、内能本质是不同的。

1．物体的内能增加了20 J，下列说法中正确的是()A．一定是外界对物体做了20 J的功B．一定是物体吸收了20 J的热量C．一定是物体分子动能增加了20 JD．物体分子的平均动能可能不变解析：选D做功和热传递都可以改变物体内能，物体内能改变20 J，其方式是不确定的，因此A、B错误；物体内能包括所有分子的平均动能和分子势能，内能由分子数、分子平均动能、分子势能三者决定，故C错误。

1.(1)对ΔU＝Q＋W的理解：热力学第一定律将单纯的绝热过程和单纯的热传递过程中内能改变的定量表述推广到一般情况，既有做功又有热传递的过程，其中ΔU表示内能改变的数量，W表示做功的数量，Q表示外界与物体间传递的热量。

(2)与热力学第一定律相对应的符号法则：不可能实现能量的转化或转移，同时也进一步揭示了能量守恒定律。

(4)应用热力学第一定律解题的一般步骤①根据符号法则写出各已知量(W、Q、ΔU)的正、负；②根据方程ΔU＝Q＋W求出未知量；③再根据未知量结果的正、负来确定吸热、放热情况或做功情况。

2．判断是否做功的方法一般情况下外界对气体做功与否，需看气体的体积是否变化。

(1)若气体体积增大，表明气体对外界做功，W<0；(2)若气体体积减小，表明外界对气体做功，W>0。

3．几种常见的气体变化过程(1)绝热过程：过程是绝热的，则Q＝0，W＝ΔU，外界对气体做的功等于气体内能的增加。

(2)等容过程：过程中不做功，即W＝0，则Q＝ΔU，气体吸收的热量等于气体内能的增加。

(3)等温过程：过程的始末状态气体的内能不变，即ΔU＝0，则Q＋W＝0或W＝－Q。

对于热力学第一定律的应用，要特别注意公式中各量的符号规则，能确定正负号的直接在数值前代入符号计算即可。

对于不能确定符号的，可先采取假设正值的方法来处理。

若计算结果是正值，就是规定正值的情况，若计算结果为负值，就是与假设相反的情况。

2．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3.4×104J，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”)3.4×104 J。

解析：气室中的气体与外界无热交换，内能增加，同时外界对气体做功，故密闭气体的温度升高，气体分子的平均动能增大。

根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W可知，Q＝0，W＝ΔU，所以活塞对该气体所做的功等于3.4×104 J。

答案：增大等于[例1][多选理想气体，隔板右侧与绝热活塞之间是真空。

现将隔板抽开，气体会自发扩散至整个汽缸。

待气体达到稳定后，缓慢推压活塞，将气体压回到原来的体积。

假设整个系统不漏气。

下列说法正确的是()A．气体自发扩散前后内能相同B．气体在被压缩的过程中内能增大C．在自发扩散过程中，气体对外界做功D．气体在被压缩的过程中，外界对气体做功E．气体在被压缩的过程中，气体分子的平均动能不变[解析]抽开隔板，气体自发扩散过程中，气体对外界不做功，与外界没有热交换，因此气体的内能不变，A项正确，C项错误；气体在被压缩的过程中，外界对气体做功，D项正确；由于气体与外界没有热交换，气体在被压缩的过程中内能增大，因此气体的温度升高，气体分子的平均动能增大，B项正确，E项错误。

[答案]ABD[借题发挥]一定质量的理想气体的内能只与温度有关，温度升高，内能增加，温度降低，内能减少。

[例2](1)5 J，是气体对外界做了功，还是外界对气体做了功？做了多少功？(2)一定质量的气体，从外界吸收5 J的热量，同时气体对外界做功5 J，则气体的内能怎样变化？[解析](1)根据热力学第一定律表达式中的符号法则，可知Q＝5J，ΔU＝5 J。

由ΔU＝W＋Q，则W＝ΔU－Q＝5 J－5 J＝5 J。

W＞0，说明是外界对气体做了功。

(2)Q＝5 J，W＝－5 J则ΔU＝Q＋W＝5 JΔU为正值，说明气体的内能增加5 J。

[答案]见解析[借题发挥]应用热力学第一定律解题的注意事项(1)首先应明确研究对象是哪个物体或者是哪个热力学系统。

(2)分别列出物体或系统吸收或放出的热量；外界对物体或系统所做的功或物体或系统对外所做的功。

(3)根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W列出方程进行求解。

(4)特别注意的就是物理量的正、负号及其物理意义。

1．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．内能增大，放出热量B．内能减小，吸收热量C．内能增大，对外界做功D．内能减小，外界对其做功解析：选D不计分子势能时瓶内空气的内能只与其温度有关，温度降低时其内能减小。

塑料瓶变扁时瓶内空气体积减小，外界对其做功。

再由热力学第一定律知此过程中瓶内空气要放出热量，故只有D正确。

2．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本题意在考查考生理解气体压强的产生，理解并能正确应用理想气体状态方程与热力学第一定律，解答热学问题的能力。

根据p＝p0＋Mg可知，当车的载重减小时，S胎内气体的压强减小，而胎内气体温度不变，由于胎内的气体不计分子间的势能，故可视为理想气体。

由一定质量的理想气体状态方程pV＝恒量可知，胎内气体的体积增大，胎内气T体对外界做正功，B错误；由于胎内气体的温度不变，所以气体的平均分子动能不变，胎内气体的内能不变，C、D错误；由热力学第一定律ΔU＝W＋Q可知，气体从外界吸热，A 正确。

3．一定质量的气体，从状态A变化到状态B的过程中，内能增加了160 J，下列是关于内能变化的可能原因的说法，其中不可能的是()A．从A到B的绝热过程中，外界对气体做功160 JB．从A到B的单纯传热过程中，外界对气体传递了160 J的热量C．从A到B的过程中吸热280 J，并对外界做功120 JD．从A到B的过程中放热280 J，外界对气体做功120 J解析：选D由热力学第一定律ΔU＝W＋Q可知，A、B、C正确，D错误。

4．[多选](2017·江苏高考)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V-T图像如图所示。

下列说法正确的有()A．A→B的过程中，气体对外界做功B．A→B的过程中，气体放出热量C．B→C的过程中，气体压强不变D．A→B→C的过程中，气体内能增加解析：选BC由题图可知，从A到B气体的体积减小，外界对气体做功，A项错误；从A到B过程气体的温度不变，内能不变，根据热力学第一定律可知，气体放出热量，B 项正确；从B到C过程中V是一个常数，气体发生的是等压变化，气体的温度降低，内能减T少，C项正确，D项错误。

5．一定质量的气体从外界吸收了4.2×105 J的热量，同时气体对外做了6×105 J的功，问：(1)物体的内能是增加还是减少？变化量是多少？(2)气体分子的平均动能是增加了还是减少了？解析：(1)气体从外界吸热为：Q＝4.2×105 J气体对外做功：W＝－6×105 J由热力学第一定律：ΔU＝Q＋W＝4.2×105 J＋(－6×105 J)＝－1.8×105 JΔU为负，说明气体的内能减少了。

所以，气体内能减少了1.8×105 J。

(2)因为气体内能减少，所以气体分子的平均动能一定减少了。

答案：见解析1．关于物体的内能及其变化，以下说法正确的是()A．物体的温度改变时，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温度变化物体的分子动能变化，但内能可能不变，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正确，C、D错。

2．[多选]用下述方法改变物体的内能，属于做功的方式是()A．在阳光的照射下，水的温度升高B．用磨刀石磨刀时，刀发热C．用电热器烧水D．用天然气烧水解析：选BC A项是热传递中的辐射，B中是摩擦力做功，C中是电流做功，D中是燃料燃烧把内能转移给水，故B、C正确。

3.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800 J，同时气体向外界放热200 J，缸内气体的()A．温度升高，内能增加600 JB．温度升高，内能减少200 JC．温度降低，内能增加600 JD．温度降低，内能减少200 J解析：选A由W＋Q＝ΔU得ΔU＝800 J＋(－200 J)＝600 J，一定质量的理想气体的内能大小只与温度有关，ΔU>0，故温度升高。

4．[多选](2016·全国卷Ⅲ)关于气体的内能，下列说法正确的是()A．质量和温度都相同的气体，内能一定相同B．气体温度不变，整体运动速度越大，其内能越大C．气体被压缩时，内能可能不变D．一定量的某种理想气体的内能只与温度有关E．一定量的某种理想气体在等压膨胀过程中，内能一定增加解析：选CDE气体的内能由物质的量、温度和体积决定，质量和温度都相同的气体，内能可能不同，A错误。