怎么理解热力学第一定律（热力学第一定律）

一、内能与内能变化

（1）物体的内能是指物体内所有分子热运动的动能和分子势能之和。

☞理想气体分子势能为0，内能为分子动能，平均动能表现为温度。

（2）当物体温度变化时，分子平均动能变化。物体体积变化时，分子势能发生变化，即物体的内能是由它的状态决定的，且物体的内能变化只由初、末状态决定，与中间过程及方式无关。

（3）内能与温度

①温度高的物体内能一定大吗？

不一定，内能的大小不仅与温度有关，还与分子数目、物质状态有关，例如一滴开水的内能远远小于一座冰山的内能。

温度高是平均动能大(注意是平均)

②内能增大温度一定升高吗？

“错”，例如，0℃的冰化成0℃的水，虽然温度没变，分子动能没变，但由于熔化是一个吸热过程，吸收的能量用于增加分子势能，故此，我们说，分子势能是增加的，内能是增加的，而温度不变。

③物体温度升高，内能一定增大吗？

物体温度升高内能不一定增加。物体在温度升高的同时对外做功，消耗掉了吸收热量获得的能，所以物体内能不一定增大。

☞理想气体，温度升高，内能一定增加。

物体温度升高与内能关系

内能大小与物体的质量、体积、温度及构成物体的物质种类都有关系。现阶段主要掌握与温度的关系。当其他条件不变时（即势能不变），一个物体温度升高，它的内能增大；温度降低，内能减小。切记“温度不变时，它的内能一定不变”是错误的。如晶体熔化、液体沸腾时，温度保持不变，但要吸热，内能增加。温度不变时，它的内能也可能减小。同样，物体放出热量时，温度也不一定降低。一定要在外界环境和物质性质都不变的情况下，才能温度不变，内能一定不变。

（4）热量与内能

内能是有系统状态决定的，系统的内能也随之之确定，要使系统的内能发生变化，可以通过热传递或做功两种途径来完成。而热量是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”。

（5）热量与温度

热量是系统的内能变化的量度，而温度是系统内大量分子做无规则运动剧烈程度的标志。

热传递的前提条件是两个系统之间要有温度差，传递的是热量而不是温度。

（6）热量与功

热量和功都是系统内能变化的量度，都是过程量，一定量的热量与一定量的功相当，热量可以通过系统转化为功，功也可以通过系统转化为热量，但它们之间有着本质的区别

二、改变内能的两种方式

做功和热传递

1、做功可以改变物体的内能。（如钻木取火、打气筒发热）

2、热传递可以改变物体的内能（如放置冰块使物体降温）。

两个温度不同的物体相互接触时温度高的物体要降温温度低的物体要升温，即热量从高温物体传到了低温物体，这个过程就叫做热传递，实质是能量转移的过程。

热传递的三种形式：热传导，热对流（一般见于气体和液体）以及热辐射。热传递的条件是物体间必须有温度差，只要存在温度差，热传递就会进行，与原来物体内能无关，能量可以由内能大的物体传到内能小的物体，也可以由内能小的物体传到内能小大的物体。

三、热力学第一定律

1.内容：一个热力学系统的内能

等于外界对它所做的功与外界向它传递的热量的和。

2.表达式：△U=W Q

①气体(物体)膨胀，体积增大，气体(物体)是对外界做正功，外界对气体(物体)做负功，W<0；

☞向真空膨胀不做功。

②气体(物体)收缩，体积减小，气体(物体)对外界做负功，外界对气体(物体)做正功，W>0.

☞研究对象是气体(物体)，W取正值还是负值，要针对气体(物体)，而不是外界。

③如何计算对气体(物体)做功？

a.等容变化不做功;

b.膨胀对气体(物体)做负功，收缩对气体(物体)做正功，转化为p-v图求功，p-v图像线与v轴围成的面积表示功。

例：A→B→A循环过程对气体所做的功为阴影部分面积。

④系统对外吸热Q>0，系统对外界放热Q<0，绝热Q=0。

⑤△U>0表示内能增加，△U<0表示内能减小，△U=0表示内能不变；

当做功和热传递同时发生时，物体的内能可能增加，也可能减小，还可能保持不变；

物体内能发生变化可能是由做功引起的，也可能是由热传递引起的，还可能是两者共同作用的结果。

⑥几种特殊情况：

a.若过程是绝热的，即Q＝0，则△U＝W，物体内能的增加量等于外界对物体做的功。

b.若过程中不做功，即W＝0，则△U＝Q，物体内能的增加量等于物体从外界吸收的热量。

c.若过程的始末状态物体的内能不变，即△U＝0，则W＝-Q（或Q＝-W），外界对物体做的功等于物体放出的热量（或物体吸收的热量等于物体对外界做的功）。

练习1：【判一判】

（1）某一系统经质绝热过程时，只要初末状态相同，则做功数量也一定相同。（✓）

（2）在绝热过程中，做功方式不同会直接影响系统状态变化的最终结果。（×）

（3）在绝热过程中，系统对外界做的功等于系统内能的增加量。（×）

（4）功和内能都是能量转化的量度。（×）

（5）搓搓手会感到手暖和些，是通过做功改变了手的内能。（✓）

（6）热传递过程具有一定的方向性。（✓）

（7）在任何情况下，公式△U＝Q都适用。（x）

（8）温度高的物体含有的热量多。（×）

（9）热量一定从内能多的物体传递给内能少的物体。（×）

（10）做功和热传递都能改变物体的内能。（✓）

练习2：

打气筒是日常生活中的一种工具，当我们用打气筒给自行车打气的时候，就是在克服气体压力和摩擦力做功。打气的过程中你有没有试着去摸一下打气筒的外壳？有什么感觉？打气筒的温度升高了，这是怎么回事呢？

答案：当向下压气筒的时候，对气筒内气体做功，气筒内气体的体积被压缩，气体分子的平均动能增大，所以内能增大，气体温度大于气筒壁温度，气体就会向气筒壁传热，导致筒壁温度升高。

练习3：

“火”不但可以用来取暖，还可以用来加热食物，“火”把人类带入了文明的殿堂。我们的祖先很早就发明了“钻木取火”的用具，使人们不再仅仅依靠自然的“恩赐”而得到“火”。你知道“钻木取火”的道理吗？

答：做功可以改变物体的内能，“钻木取火”就是通过外力做功，机械能转化为内能。木材内能增加，温度达到着火点而燃烧。

练习4：在寒冷的冬季，人们常常生火取暖，当双手靠近火源时，我们就会感受到手变暖和了。

1.烤火是通过什么方式来增加手的内能？

2.热量总是从内能多的物体向内能少的物体传递的吗？

3.改变物体的内能有几种方式？这些改变物体内能的方式在本质上有什么不同？

1.热传递。

2.不是，热量总是从温度高的物体向温度低的物体传递。

3.做功和传热可以改变物体的内能。做功是其他形式的能与内能发生转化，传热是不同物体（或一个物体的不同部分）之间内能的转移。

练习5：现在市场上流行的一种所谓“全自动”机械手表，既不需要上发条，也不用任何电源，却能不停地走下去。这是不是一种永动机？如果不是，你知道维持表针走动的能量是从哪儿来的吗？

答：不是永动机；根据能量守恒定律可知，能量不可能凭空产生；手表戴在手上，手运动的机械能一部分转化为手表摆动的能量。