人教版(新教材)高中物理选择性必修3第三章 热力学定律网络构建与学科素养提升

人教版(新教材)高中物理选择性必修第三册PAGEPAGE1网络构建与学科素养提升一、根据图像分析气体内能的变化——数形结合思想应用能力培养1.应用气体状态变化图像时要注意以下两点信息(1)点、线的物理意义：求解气体状态变化的图像问题，应当明确图像上的点表示一定质量的理想气体的一个平衡状态，它对应着三个状态参量；图像上的某一条直线段或曲线段表示一定质量的理想气体状态变化的一个过程。(2)斜率的物理意义：在V－T图像(或p－T图像)中，比较两个状态的压强(或体积)大小，可以通过比较这两个状态到原点连线的斜率的大小，判断两个状态的压强(或体积)的大小。2.判定物体内能变化的方法(1)内能的变化都要利用热力学第一定律进行综合分析；(2)做功情况要看气体体积的变化情况：体积增大，气体对外做功，W为负；体积缩小，外界对气体做功，W为正；(3)与外界绝热，则不发生传热，此时Q＝0；(4)如果研究对象是理想气体，则由于理想气体没有分子势能，所以气体内能的变化主要体现在分子动能的变化上，从宏观上看就是温度的变化。〖例1〗一定质量理想气体的p－V图像如图所示，其中a→b为等容过程，b→c为等压过程，c→a为等温过程，已知气体在状态a时的温度Ta＝300K，在状态b时的体积Vb＝22.4L。求：(1)气体在状态c时的体积Vc；(2)试比较气体由状态b到状态c过程从外界吸收的热量Q与对外做功W的大小关系，并简要说明理由。〖解析〗(1)气体c→a等温变化，根据玻意耳定律得paVa＝pcVc又a→b为等容过程，所以Va＝Vb＝22.4L解得Vc＝eq\f(paVa,pc)＝eq\f(paVb,pc)＝67.2L。(2)气体由状态b到状态c为等压过程，由盖—吕萨克定律可知体积增大且温度升高，所以气体内能增加，ΔU>0，气体对外做功，W<0，由热力学第一定律ΔU＝Q＋W可知，气体从外界吸收的热量Q大于气体对外做的功W。〖答案〗(1)67.2L(2)气体从外界吸收的热量Q大于气体对外的功W理由见〖解析〗〖素养提升练〗1.在一个密闭的汽缸内有一定质量的理想气体，如图所示是它从状态A变化到状态B的V－T图像，已知AB的反向延长线通过坐标原点O，气体在A状态的压强为p＝1.0×105Pa，在从状态A变化到状态B的过程中，气体吸收的热量Q＝7.0×102J，求此过程中气体内能的增量ΔU。〖解析〗由V－T图像的图线经过坐标原点可以判断，理想气体经历的是等压变化。由盖—吕萨克定律得eq\f(VA,TA)＝eq\f(VB,TB)外界对气体做的功W＝－p(VB－VA)解得W＝－200J根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q解得ΔU＝500J〖答案〗500J2.如图所示，一定质量理想气体由状态A经过程Ⅰ变至状态B时，从外界吸收热量420J，同时膨胀对外做功300J。当气体从状态B经过Ⅱ回到状态A时，外界压缩气体做功200J。求过程Ⅱ中气体是吸热还是放热，热量是多少？〖解析〗气体由状态A经过程Ⅰ过程Ⅱ又回到状态A，初末状态内能不变，由热力学第一定律：ΔU＝W＋Q，可得：0＝420－300＋200＋Q，Q＝－320J，所以第二过程中气体放热320J。〖答案〗放热320J二、热力学第一定律与气体实验定律的综合问题分析技巧——科学思维综合能力的培养对于理想气体，常把热力学第一定律与气体实验定律理想气体状态方程结合起来分析其状态变化规律，常见的分析思路如下：(1)利用体积的变化分析做功问题，气体体积增大，气体对外做功，气体体积减小，外界对气体做功；(2)利用温度的变化分析理想气体内能的变化，一定量的理想气体的内能仅与温度有关，温度升高，内能增加，温度降低，内能减小；(3)利用热力学第一定律判断是吸热还是放热，由热力学第一定律ΔU＝W＋Q，得Q＝ΔU－W，若已知气体的做功情况和内能的变化情况，即可判断气体状态变化过程是吸热过程还是放热过程。〖例2〗如图所示，用轻质活塞在汽缸内封闭一定质量的理想气体，活塞与汽缸壁间摩擦忽略不计，开始时活塞距离汽缸底部高度h1＝0.50m，气体的温度t1＝27℃。给汽缸缓慢加热至t2＝207℃，活塞缓慢上升到距离汽缸底某一高度h2处，此过程中缸内气体增加的内能ΔU＝300J。已知大气压强p0＝1.0×105Pa，活塞横截面积S＝5.0×10－3m2。求：此过程中缸内气体吸收的热量Q。思路点拨内能改变的多少ΔU是由做功W和传热Q共同决定的，即ΔU＝W＋Q，此式为标量式，但ΔU、W和Q都有正、负之分。做功的正负依据气体体积的变化来判断：本题中活塞上升，因此体积增大，气体对外界做功，W<0，做功的力为气体的压力，由题意知活塞为轻质，即不计重力，所以封闭气体的压强等于大气压强，气体做等压变化，可据盖—吕萨克定律确定末状态对应的活塞位置，从而得到力做功的位移。〖解析〗气体做等压变化，V1＝h1S，V2＝h2S，T1＝(27＋273)K＝300K，T2＝(207＋273)K＝480K，根据盖—吕萨克定律可得eq\f(h1S,T1)＝eq\f(h2S,T2)，代入数据解得h2＝0.8m。在气体膨胀的过程中，体积变化ΔV＝(h2－h1)S，对气体做功为W＝－p0ΔV＝－150J，根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，得气体吸收的热量为Q＝ΔU－W＝450J。〖答案〗450J〖素养提升练〗3.如图所示，一长为L、内横截面积为S的绝热汽缸固定在水平地面上，汽缸内用一质量为m的绝热活塞封闭了一定质量的理想气体，开始时活塞固定在汽缸正中央，汽缸内被封闭气体压强为p，外界大气压为p0(p＞p0)。现释放活塞，测得活塞被缸内气体推到缸口时的速度为v。求：(1)此过程克服大气压力所做的功；(2)活塞从释放到将要离开缸口，缸内气体内能改变了多少？〖解析〗(1)设大气作用在活塞上的压力为F，则F＝p0S根据功的计算式W＝eq\f(FL,2)解得W＝eq\f(p0SL,2)(2)设活塞离开汽缸时动能为Ek，则Ek＝eq\f(mv2,2)根据能量守恒定律得：缸内气体内能改变ΔU＝－eq\f(mv2,2)－eq\f(p0SL,2)即内能减少了eq\f(1,2)mv2＋eq\f(1,2)p0SL〖答案〗(1)eq\f(p0SL,2)(2)减少了eq\f(1,2)mv2＋eq\f(1,2)p0SL4.如图所示，封有理想气体的导热汽缸，开口向下被竖直悬挂，不计活塞的质量和摩擦，整个系统处于静止状态，活塞距缸底距离为h0。现在活塞下面挂一质量为m的钩码，从挂上钩码到整个系统稳定，设周围环境温度不变。已知活塞面积为S，大气压为p0，不计活塞和缸体的厚度，重力加速度为g。求：这个过程中封闭气体吸收(放出)多少热量。〖解析〗设挂钩码前，气体压强为p1，体积为V1，由平衡条件得p1S＝p0S，所以p1＝p0，挂钩码后气体压强为p2，体积V2，根据平衡条件mg＋p2S＝p0S，解得p2＝p0－eq\f(mg,S)，由理想气体状态方程eq\f(p1V1,T1)＝eq\f(p2V2,T2)，V1＝Sh0，V2