热力学第一定律的典型问题解析.doc

热力学第一定律的典型问题解析江苏省赣榆县青口二中 王其学wangqixue@一个物体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.数学表达式为：运用热力学第一定律解决问题时常遇到如下几种典型问题.1.运用热力学第一定律的符号法则解题热力学第一定律的符号法则：功＞0，表示外界对物体做功；功＜0，表示物体对外界做功.热量＞0，表示物体吸热； ＜0，表示物体放热.内能＞0，表示物体内能增加；＜0，表示物体内能减小. 例 1.一定量的气体在某一过程中，外界对气体做了的功，气体的内能减少了，则正确的是 （ ）A. B. C. D. 解析：因为外界对气体做功，取正值，即；内能减少，取负值，即；根据，可求得正确选项为热力学第一定律中功的正、负的规定与机械功的正、负规定不同，在这里功的正、负是由外界对物体做功还是物体对外界做功决定的，而机械功的正、负是由力与位移之间的夹角决定的.机械功为正，在热力学第一定律中这个功可能为负；机械功为负，在热力学第一定律中这个功可能为正，例如运动的物体克服滑动摩擦力做功为负，可是从功转化为内能的角度分析应该为正.2. 运用热力学第一定律解题必须同时考虑做功和热传递两个因素例2．关于物体内能变化，以下说法中正确的是A．物体对外做功，温度一定降低，内能一定减少B．物体吸收热量，温度一定增加，内能一定增大C．物体吸收热量，同时对外做功，内能可能不变D．物体放出热量，同时对外做功，内能可能不变解析：改变物体内能的途径有两个，做功和热传递.分析问题时必须同时考虑做功和热传递两个因素对内能的影响.、选项都只考虑了做功或热传递的一个因素.选项虽然考虑了做功和热传递两个因素，但两个因素都使内能减少，故、、选项错.正确选项为.图1例3.如图1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，不计气体分子间相互作用，则被掩没的金属筒在缓慢下降过程中，筒内空气体积减小.（ 　）A．从外界吸热B．内能增大C．向外界放热D．内能减小解析：水温恒定，即分子动能不变；不计分子间相互作用，即分子势能不变，由此可知空气内能不变.筒内空气体积减小，说明外界对空气做功，根据热力学第一定律知空气放出热量.正确选项为C.对于理想气体，分子之间的相互作用被忽略，分子力做功为零，分子势能为零，内能的改变仅取决于温度.而做功取决于体积，因此用热力学第一定律处理问题时要明确温度和体积的变化情况.3. 热力学第一定律中的是指能改变内能的那一部分功例4.如图2所示，柱形容器内封有一定质量的空气，光滑活塞（质量为）与容器用良好的隔热材料制成．另有质量为的物体从活塞上方的点自由下落到活塞上，并随活塞一起到达最低点而静止．在这一过程中，空气内能的改变量，外界对空气所做的功与物体及活塞的重力势能的变化关系是 （ ）图2A.B．, C．, ＜D．, 解析：因活塞和容器用良好的隔热材料制成，容器内的空气与外界无热交换即，所以有；但由于物体和活塞做完全非弹性碰撞时损失一部分机械能，因此有＜．重力做的功并不等于外界对空气所做的功,而是＜.热力学第一定律中的功是指能够转化为内能的那一部分功，比如汽车在牵引力作用下前进，这个牵引力做的功对汽车内能的改变没有任何影响，它只能改变汽车动能的大小，而汽车克服摩擦力所做的功才使得汽车的内能增大.4. 热力学第一定律与气体状态变化相结合的问题气体状态变化，即气体的体积、压强和温度发生变化.而体积和温度的变化又与做功、热传递以及内能的变化密切相关，所以热力学第一定律往往同气体状态变化组合成综合性问题.图3例5.如图3所示，钢瓶内装有高压氧气.打开阀门氧气迅速从瓶口喷出，当内外气压相等时立即关闭阀门.过一段时间后再打开阀门,会不会再有氧气逸出？解析：第一次打开阀门氧气“迅速”喷出，是一个绝热过程，同时氧气体积膨胀对外做功＜，由热力学第一定律＜，即关闭阀门时瓶内氧气温度必然低于外界温度，而压强等于外界大气压；“过一段时间”经过热交换，钢瓶内氧气的温度又和外界温度相同了，由于体积未变，所以瓶内氧气压强将增大，即大于大气压，因此再次打开阀门，将会有氧气逸出.5.热力学第一定律的能量守恒观点用能量的观点分析，热力学第一定律就是其它形式的能与内能之间的转化以及内能与内能之间的转移，而在能的转化和转移过程中，能量是守恒的.因此在有些情况下用能量守恒定律来解决有关于内能的问题倒显得非常方便.AB图4例6.如图4所示，直立容器内部有被隔板隔开的、两部分气体，的密度大，的密度较小，抽去隔板，加热气体，使两部分气体均匀混合，设在此过程气体吸热，气体内能增量为，则（ ）A.B.＜C.＞D.无法比较 解析：抽去隔板前、气体的整体重心在中线以上，抽去隔板待气体混合均匀后重心恰好在中线上，系统的重力势能减小，由能量守恒定律知，减小的重力势能和吸收的热量均使得气体内能增加.正确选项为.6. 第一类永动机不可能制成—热力学第一定律的另一种表述永动机曾经给许多人带来巨大的诱惑，但是由于热力学第一定律的确立，对于制造永动机的不可能实现，给予了科学上的最后判决.例7.为什么说第一类永动机违反了热力学第一定律.解析：由式可以看出，如果没有外界热源供给热量，即，则有（式中、是物体内能的两个不同的状态）.这样，如果系统的内能减少，即＜，＜，则必有＞，即系统对外界做功，可见系统对外界所做的功是以系统内能的减少为代价的，而绝不是无中生有地创生出来的，但是若想使系统源源不断地对外界做功，就必须使系统能够回到初始状态，以便在循环过程中周而复始地不断进行工作，也就是说要有，但这样就必有,这就表明，在无外界能源供给的情况下，要使系统不断对外做功是不可能的，这个结论宣告了制造第一类永动机幻想的破灭.所以，有人把热力学第一定律表述为：第一类永动机不可能制成.QP图5 例8．约在1670年，英国赛斯特城的主教约翰·维尔金斯设计了一种磁力“永动机”，如图5所示，在斜坡顶上放一块强有力的磁铁，斜坡上端有一个小孔，斜面下有一个连接小孔直至底端的弯曲轨道.维尔金斯认为：如果在斜坡底放一个小铁球，那么由于磁铁的吸引，小铁球就会向上运动，当小球运动到小孔处时，它就要掉下，再沿着斜面下的弯曲轨道返回斜坡底端处，由于有速度而可以对外做功，然后又被磁铁吸引回到上端，到小孔处又掉下.在以后的二百多年里，维尔金斯的永动机居然改头换面地出现过多次，其中一次是在1878年，即在能量转化和守恒定律确定20年后，而且竟在德国取得了专利权.请你分析一下，维尔金斯“永动机”能实现吗?解析：维尔金斯“永动机”不可能实现，因为它违背了能量守恒定律.小球上升过程中，磁场力对小球做正功，使小球增加了机械能；但小球下落时，同样也受到磁场力，而且磁场力做负功，这个负功与上升过程的正功相互抵消，可见，维尔金斯“永动机”不可能源源不断向外提供能量，所以，维尔金斯“永动机”不可能实现. 不难看出，热力学第一定律 、能量守恒定律以及第一类永动机不可能制成均能揭示出与物体内能有关的热现象规律，只是反应问题的角度不同而已，因此在解决这一类问题时要通过问题中给出的条件、明确方向从而达到快速解决问题. 博客。