大学物理第十八单元热力学第一定律
《大学物理》课件-热力学第一定律
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例1 理想气体准静态等温膨胀做的功。并思考如何实现这 一准静态过程。
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假设缸中由v mol气体，等温膨胀的温度为T，体积
变化为：
V1 →V2
则
V2
A=
V1
pdV
= V2RT
绝热壁
C
向真空中自由膨胀。测量 膨胀前后水温的变化。
气体
真空 水
实验结果：水温不变，
验证了理想气体的内能与体积无关。为什么？
dQ = 0,dA = 0 dE = 0 (V1 →V2 )
但水的热容比气体的大得多，焦耳实验中气体温度变化不 易测出。实验进一步改进。1852年焦耳和汤姆逊用节流方法重 新做了实验。
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4.热力学第一定律 机械能守恒： Aex + Ain,n-cons = EB - EA 对保守系统： Aex = EB - EA = ΔE 质心参考系下：Aex = Ein,B - Ein,A
对单一组分的热力学系统(保守系统),外界对系统做 功可分为：①与系统的边界具有宏观位移相联系的宏观功； ②没有宏观位移的热传递型微观功。
Aex = A + Q 则机械能守恒在热力学系统的新形式： A + Q = ΔE
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对于任何宏观系统的任何过程，系统从外界吸收的热
量等于系统内能的增量和系统对外做的功之和。
Q = E2－E1 + A
A = -A表示系统对外界做功。对初、末态为平衡态的无
限小过程
dQ = dE + dA
——涉及热现象的能量守恒定律的表述。 ——不需要能量输入而能继续做功的“第一类永动机”不 存在。
物理化学热力学第一定律
物理化学热力学第一定律
热力学第一定律就是不同形式的能量在传递与转换过程中守恒的定律，表达式为△U=Q+W。
表述形式：热量可以从一个物体传递到另一个物体，也可以与机械能或其他能量互相转换，但是在转换过程中，能量的总值保持不变。
该定律经过迈耳、焦耳等多位物理学家验证。
热力学第一定律就是涉及热现象领域内的能量守恒和转化定律。
十九世纪中期，在长期生产实践和大量科学实验的基础上，它才以科学定律的形式被确立起来。
埃瓦特对煤的燃烧所产生的热量和由此提供的“机械动力”之间的关系作了研究，建立了定量联系。
热力学第一定律 课件
(3)若过程的始末状态物体的内能不变,即 ΔU=0,则 W+Q=0 或 W=-Q,
外界对物体做的功等于物体放出的热量。
4.判断是否做功的方法
一般情况下外界对物体做功与否,需看物体的体积是否变化。
(1)若物体体积增大,表明物体对外界做功,W<0;
(2)若物体体积变小,表明外界对物体做功,W>0。
为另一种形式,或者从一个物体转移到别的物体,在转化或转移的过程中,能
量的总量保持不变。
2.意义
(1)能量守恒定律告诉我们,各种形式的能量可以相互转化。
(2)各种互不相关的物理现象——力学的、热学的、电学的、磁学的、
光学的、化学的、生物学的等可以用能量守恒定律联系在一起。
三、永动机不可能制成
1.第一类永动机:人们设想中的不需要任何动力或燃料,却能不断地对
提示前者能制成而后者不能制成。这是因为可以用太阳能、电能等
能源代替石油能源制造出太阳能汽车、电动汽车等,但是不消耗任何能量
的汽车不可能制成,因为它违背能量守恒定律。
2.热力学第一定律与能量守恒定律是什么关系?
提示能量守恒定律是各种形式的能相互转化或转移的过程,总能量保
持不变,它包括各个领域,其范围广泛。热力学第一定律是物体内能与其他
(2)突破了人们关于物质运动的认识范围,从本质上表明了各种运动形
式之间相互转化的可能性。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、生物进化论
并称 19 世纪自然科学中三大发现,其重要意义由此可见。
(3)具有重大实践意义,即彻底粉碎了永动机的幻想。
外做功的机器。
2.第一类永动机不可制成的原因:违背了能量守恒定律。
热力学第一定律的内容及公式
热力学第一定律的内容及公式
热力学第一定律是热力学很重要的定律，简称为第一定律。
热力学第一定律是物理和化学中最基本也是最重要的定律，概括地说，它指出了总热量是不可消失的，即能量守恒定律。
它是由德国物理学家莱布尼兹在1850年发现的。
热力学第一定律指出，内能系统内所有物质之间的总热量交换是不可消失的，即总热量守恒定律，在反应过程中能量不会消失，它只能以动能形式存在，也就是说，能量可以有很多形式存在，但是总量是不变的。
它可以用如下的公式来表示：
E=q+w
其中，E表示热力学第一定律定义的能量总量；q表示热量；w
表示功能。
热力学第一定律可以用来解释诸如内能的变化、热动力学中的功能过程、经典热力学定律的发展，以及熵的概念。
它的应用还可以普遍用于热力学和热工程的其他领域。
所有的能量转换都可以用热力学第一定律进行表述，即能量在某种形式变换到另一种形式的守恒定律。
比如，当将动能转化为功能，则q+w=E，即动能变为功能的过程中，能量总量E是不变的。
当功能转化为动能，则q-w=E，即功能变为动能的过程中，能量总量E也是不变的。
总之，热力学第一定律是一个重要的定律，它表明能量总量在任何过程中都是守恒的，它是对物理和化学中反应过程能量变化的最基
本的定律。
热力学第一定律解释了热力学和热工程中诸如内能的变化、热动力学中的功能过程、熵的性质及其变化的原理，在热力学和热工程的理论和应用方面有着重要的意义。
热力学第一定律 课件
一、引入 改变物体内能的方式有哪些？
做功、热传递
（一）热力学第一定律
1.一个物体，它既没有吸收热量也没有放出热量， 那么： ①如果外界对它做的功为Ｗ，则它的内能如何变 化？变化了多少？ ②如果该物体对外界做的功为Ｗ，则它的内能如 何变化？变化了多少？
●2.一个物体，如果外界既没有对它做功，它也 没有对外界做功，那么：
气体实验定律和热力学第一定律的综合应用 ● 气体实验定律和热力学第一定律的结合点是温度和
体积．注意三种特殊过程的特点： ●1．等温过程：内能不变，ΔU＝0 ●2．等容过程：体积不变，W＝0 ●3．绝热过程：Q＝0
●【例】如图所示，倒悬的导热汽缸中封闭着一定质量的 理想气体，轻质活塞可无摩擦地上下移动，活塞的横截 面积为S，活塞的下面吊着一个重为G的物体，大气压 强恒为p0，起初环境的热力学温度为T0时，活塞到汽缸 底面的距离为L.当环境温度逐渐升高，导致活塞缓慢下 降，该过程中活塞下降了0.1L，汽缸中的气体吸收的热 量为Q.求：
● (1)汽缸内部气体内能的增量ΔU；
● (2)最终的环境温度T.
●答 案 ( 1 ) Q － 0 . 1 p 0S L ＋ 0 . 1 L G ( 2 ) 1 . 1 T 0
解析 (1)密封气体的压强 p＝p0－(G/S) 密封气体对外做功 W＝pS×0.1L 由热力学第一定律 ΔU＝Q－W 得 ΔU＝Q－0.1p0SL＋0.1LG (2)该过程是等压变化，由盖—吕萨克定律有 LTS0 ＝L＋0T.1LS 解得 T＝1.1T0
①如果该物体吸收热量Ｑ，它的内能如何变化？
变化了多少？
②如果放出热量Ｑ，它的内能如何变化？变化了 多少？
总结
●一个物体，如果它既没有吸收热量也没有放出 热量，那么，外界对它做多少功，它的内能就 增加多少；物体对外界做多少功，它的内能就 减少多少. ●如果外界既没有对物体做功，物体也没有对外 界做功，那么物体吸收了多少热量，它的内能 就增加多少，物体放出了多少热量，它的内能 就传递，则物体内能的
热力学第一定律 课件
1．不同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．
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不变． 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．
2．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，W<0； (2)若系统体积变小，表明外界对系统做功，W>0.
【典例 2】 一定量的理想气体在某一过程中，从外 界吸收热量 2.5×104 J，气体对外界做功 1.0×104 J，则 该理想气体的( )
1．对热力学第一定律的理解． (1)对ΔU＝W＋Q 的理解：做功和热传递都可以改变 内能，如果系统跟外界同时发生做功和热传递的过程， 那么外界对系统所做的功 W 加上物体从外界吸收的热量 Q 等于系统内能的增加ΔU，即ΔU＝Q＋W.
(2)对ΔU、Q、W 符号的规定． ①功 W：外界对系统做功，W>0，即 W 为正值； 系统对外界做功，W<0，即 W 为负值． ②热量 Q：系统吸热为正：Q>0； 系统放热为负：Q<0. ③内能变化：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．
解析：根据太阳能的工作原理可知，太阳能热水器把 太阳能转化为内能，所以 A 正确；风力发电是通过电磁 感应将风能转化为电能，所以 B 正确；电风扇是将电能 转化为机械能，所以 C 正确；蜡烛燃烧是将化学能转化 为内能，所以 D 错误．本题选择错误的，故选 D.
热力学第一定律 课件
• 【答案】 B
【方法总结】
• 【答案】 C
• 【方法总结】 • 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＝W＋Q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
功情况或内能增减情况．
•
热力学第一定律与气体的综合应用
•
一个气泡从恒温水槽的底部缓慢向上浮起，(若
在理想气体状态发生变化时，应用热力学第一定律的关
键是：
(1)理想气体的内能完全由温度来决定．
(2)注意应用理想气体状ຫໍສະໝຸດ 方程p1V1 T1＝
p2V2 T2
分析状态参量
的变化．
(3)理想气体状态变化时，体积变大，气体对外做功
W<0；体积变小，外界对气体做功W>0(自由膨胀例外)．且
在p-V图中，p-V图线下方的“面积”表示功的多少．如图
不计气泡内空气分子势能的变化)则( )
• A．气泡对外做功，内能不变，同时放热
• B．气泡对外做功，内能不变，同时吸热
• C．气泡内能减少，同时放热
• D．气泡内能不变，不吸热也不放热
• 【解析】 气泡上升过程中，由于压强减小，体积增大， 故对外做功，缓慢上升指有时间发生热传递，可认为温度 是不变的．
• A．A中水银的内能增量大于B中水银的内能增量 • B．B中水银的内能增量大于A中水银的内能增量 • C．A和B中水银体积保持不变，故内能增量相同 • D．A和B中水银温度始终相同，故内能增量相同
3.2热力学第一定律(原卷版)
3.2热力学第一定律基础导学要点一、热力学第一定律1．改变内能的两种方式：做功与传热．两者对改变系统的内能是等价的。
2．热力学第一定律：一个热力学系统的内能变化量等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的和。
3．热力学第一定律的表达式：ΔU＝Q＋W。
4．热力学第一定律的应用：(1)W的正负：外界对系统做功时，W取正值；系统对外界做功时，W取负值．(均选填“正”或“负”)；(2)Q的正负：外界对系统传递的热量Q取正值；系统向外界传递的热量Q取负值．(均选填“正”或“负”)。
要点突破突破一：对热力学第一定律的理解热力学第一定律不仅反映了做功和热传递这两种改变内能过程是等效的，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．突破二：对公式ΔU＝Q＋W符号的规定符号W QΔU＋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突破三：几种特殊情况(1)若过程是绝热的，则Q＝0，W＝ΔU，外界对物体做的功等于物体内能的增加．(2)若过程中不做功，即W＝0，则Q＝ΔU，物体吸收的热量等于物体内能的增加．(3)若过程的始末状态物体的内能不变，即ΔU＝0，则W＋Q＝0或W＝－Q，外界对物体做的功等于物体放出的热量．【特别提醒】(1)应用热力学第一定律时要明确研究的对象是哪个物体或者是哪个热力学系统．(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、负也同样依照规则来解释其意义．典例精析题型一：热力学第一定律的理解和应用例一．空气压缩机在一次压缩中，活塞对空气做了2×105 J的功，同时空气的内能增加了1.5×105 J，这一过程中空气向外界传递的热量是多少？变式迁移1：一定质量的气体，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题型二：热力学第一定律与气体实验定律的综合应用例二．气体温度计结构如图所示．玻璃测温泡A内充有理想气体，通过细玻璃管B和水银压强计相连．开始时A处于冰水混合物中，左管C中水银面在O点处，右管D中水银面高出O点h1＝14 cm，后将A放入待测恒温槽中，上下移动D，使C中水银面仍在O点处，测得D中水银面高出O点h2＝44 cm.(已知外界大气压为1个标准大气压，1标准大气压相当于76 cmHg)(1)求恒温槽的温度．(2)此过程A内气体内能________(填“增大”或“减小”)，气体不对外做功，气体将________(填“吸热”或“放热”)．变式迁移2：带有活塞的汽缸内封闭一定量的理想气体，气体开始处于状态a，然后经过过程ab到达状态b或经过过程ac到达状态c，b、c状态温度相同，如V－T图所示．设气体在状态b和状态c的压强分别为pb和pc，在过程ab和ac中吸收的热量分别为Q ab和Q ac，则(填入选项前的字母，有填错的不得分)()A．p b＞p c，Q ab＞Q acB．p b＞p c，Q ab＜Q acC．p b＜p c，Q ab＞Q acD．p b＜p c，Q ab＜Q a强化训练一、选择题1．恒温的水池中，有一气泡缓慢上升，在此过程中，气泡的体积会逐渐增大，不考虑气泡内气体分子势能的变化，下列说法中正确的是（）A．气泡内的气体对外界做功B．气泡内的气体内能增加C．气泡内的气体与外界没有热传递D．气泡内气体分子的平均动能减小2．下列关于能量转化的现象的说法中，正确的是（）A．用太阳灶烧水是太阳能转化为电能B．电灯发光是电能转化为光能C．核电站发电是电能转化为内能D．生石灰放入盛有凉水的烧杯里，水温升高是动能转化为内能3．下列关于分子运动和热现象的说法正确的是（）A．气体如果失去了容器的约束就会散开，这是因为气体分子之间存在斥力的缘故B．一定质量100℃的水变成100℃的水蒸气，其分子之间的势能增加C．对于一定量的气体，如果压强不变，体积增大，那么它一定向外界放热D．如果气体分子总数不变，而气体温度升高，气体分子的平均动能增大，因此压强必然增大4、被压瘪但尚未破裂的乒乓球放在热水里泡一会儿，就会重新鼓起来，这一过程乒乓球内的气体( )A.吸热，对外做功，内能不变B.吸热，对外做功，内能增加C.温度升高，对外做功，内能不变D.压强增大，单位体积内分子数增大5、(2020·吉林通化期末)对于一定质量的理想气体,下列过程不可能发生的是( )A.气体膨胀对外做功,温度升高,内能增加B.气体吸热,温度降低,内能不变C.气体放热,压强增大,内能增大D.气体放热,温度不变,内能不变6、(2020·河北石家庄月考)对于一定质量的气体,下列说法正确的是( )A.在体积缓慢增大的过程中,气体一定对外界做功B.在压强不断增大的过程中,外界对气体一定做功C.在体积不断被压缩的过程中,内能一定增加D.在与外界没有发生热交换的过程中,内能一定不变7、(2021·河北张家口月考)(多选)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。
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第十八单元热力学第一定律
[课本内容]马文蔚，第四版，上册 [6]-[40]
[典型例题]
例18-1．一定量的某种理想气体，开始时处于压强、体积、温度分别为P0=×106Pa,
V0=×10-3m3,, T0=300K的初态，后经过一等容过程，温度升高到T1=450K，再经过一等温过程，压强降到P=P O末态，已知该理想气体的等压摩尔热容与等容摩与热容之比C P/C V=5/3。
求：（1）理想气体的等压摩尔热容C P和等容摩尔热容C V。
（2）气体从始态变到末态的全过程中从外界吸收的热量。
提示：（1）
（2）
例18-2．一定量的刚性双原子分子理想气体，开始时处于压强为p0=×106Pa,体积为V0=4×10-3m3温度为T0=300K的初态，后经等压膨胀过程温度上升到T1=450K，再经绝热过程温度回到T2=300K，求气体在整过程中对外界作的功。
提示：
练习十八
一、选择题：
18-1．有两个相同的容器，容积固定不变，一个盛有氨气，另一个盛有氢气（看成刚性分子的理想气体），它们的压强和温度都相等，现将5J的热量传给氢气，使氢气温度升高，如果使氨气也升高同样的温度，则应向氨气传递热量是：［］
(A) 6 J. (B) 5 J. (C) 3 J. (D) 2 J.
18-2．一定量的理想气体分别由初态a经①过程ab和由初态a′经②过程a′cb到达相同的终态b，如p－T图所示，则两个过程中气体从外界吸收的热量Q1，Q2的关系为：［］
(A) Q1<0，Q1> Q2． (B) Q1>0，Q1> Q2．
(C) Q1<0，Q1< Q2． (D) Q1>0，Q1< Q2．
18-3．对于室温下的双原子分子理想气体，在等压膨胀的情况下，系统对外所作的功与从外界吸收的热量之比W / Q等于［］
(A) 2/3． (B) 1/2． (C) 2/5． (D) 2/7．
18-4．1 mol理想气体从p－V图上初态a分别经历如图所示的(1) 或(2)过程到达末态b．已知T a<T b，则这两过程中气体吸收的热量Q1和Q2的关系是［］
(A) Q1> Q2>0． (B) Q2> Q1>0．
(C) Q2< Q1<0． (D) Q1< Q2<0．
(E) Q1= Q2>0．
18-5．氦气、氮气、水蒸汽(均视为刚性分子理想气体)，它们的摩尔数相同，初始状态相同，若使它们在体积不变情况下吸收相等的热量，则［］
(A) 它们的温度升高相同，压强增加相同．
(B) 它们的温度升高相同，压强增加不相同．
(C) 它们的温度升高不相同，压强增加不相同．
(D) 它们的温度升高不相同，压强增加相同．
18-6．一定量的理想气体，经历某过程后，温度升高了．则根据热力学定律可以断定：
(1) 该理想气体系统在此过程中吸了热．
(2) 在此过程中外界对该理想气体系统作了正功．
(3) 该理想气体系统的内能增加了．
(4) 在此过程中理想气体系统既从外界吸了热，又对外作了正功．
以上正确的断言是：［］ (A) (1)、(3)． (B) (2)、(3)．
(C) (3)． (D) (3)、(4)．
提示：选C
二、填空题
18-7．一气缸内贮有10 mol的单原子分子理想气体，在压缩过程中外界作功209J，气体升温 1 K，此过程中气体内能增量为 ____ ，外界传给气体的热量为____ __________．
18-8．一定量的某种理想气体在等压过程中对外作功为 200 J．若此种气体为单原子分子气体，则该过程中需吸热___________ J；若为双原子分子气体，则需吸热____________ J.
18-9．2 mol单原子分子理想气体，从平衡态1经一等体过程后达到平衡态2，温度从 200 K上升到 500 K，若该过程为平衡过程，气体吸收的热量为____________；若为不平衡过程，气体吸收的热量为______________．
18-10．一定量理想气体，从A状态 (2p1，V1)经历如图所示的直线过程变到B状态(p1，2V1)，则AB过程中系统作功W＝_________；内能改变?E=_________．
18-11．常温常压下，一定量的某种理想气体(其分子可视为刚性分子，自由度为i，在等压过程中吸热为Q，对外作功为W，内能增加为，则W/Q=_____________．
_____________．
18-12．压强、体积和温度都相同的氢气和氦气(均视为刚性分子的理想气体)，它们的质量之比为m1∶m2=__________，它们的内能之比为E1∶E2=__________，如果它们分别在等压过程中吸收了相同的热量，则它们对外作功之比为W1∶W2=__________．（各量下角标1表示氢气，2表示氦气）
18-13．同一种理想气体的定压摩尔热容C p大于定体摩尔热容C V，其原因是
________________________________________．
三、计算题
18-14. 0.02 kg的氦气(视为理想气体)，温度由17℃升为27℃．若在升温过程中，
(1)体积保持不变；
(2)压强保持不变；
(3)不与外界交换热量；
试分别求出气体内能的改变、吸收的热量、外界对气体所作的功．
18-15. 1 mol双原子分子理想气体从状态A(p1,V1)沿p ?V图所示直线变化到状态B(p2,V2)，试求：
(1)气体的内能增量．
(2)气体对外界所作的功．
(3)气体吸收的热量．
(4)此过程的摩尔热容．
(摩尔热容C =ΔQ/ΔT，其中ΔQ表示1 mol物质在过程中升高温度时所吸收的热量．) 18-16. 一定量的理想气体，由状态a经b到达c．(如图，abc为一直线)求此过程
中
(1)气体对外作的功；
(2)气体内能的增量；
(3)气体吸收的热量．(1 atm＝×105 Pa)
18-17.一定量的理想气体在标准状态下体积为×10?2m3，求下列过程中气体吸收的热量（设气体的C V = 5R / 2．）：
(1) 等温膨胀到体积为×10?2 m3；
(2) 先等体冷却，再等压膨胀到 (1) 中所到达的终态．。