浙江專版2023-2024學(xué)年新教材高中物理新人教版選擇性必修第三冊 3.2 熱力學(xué)第一定律（課件+訓(xùn)練提升）（2份）

第第頁浙江專版2023-2024學(xué)年新教材高中物理新人教版選擇性必修第三冊3.2熱力學(xué)第一定律（課件+訓(xùn)練提升）（2份）2熱力學(xué)第一定律

課后·訓(xùn)練提升

基礎(chǔ)鞏固

一、選擇題Ⅰ(每小題列出的四個(gè)備選項(xiàng)中只有一個(gè)是符合題目要求的)

1.下圖是裝有一定質(zhì)量的理想氣體的密閉的汽缸,外力推動(dòng)活塞P壓縮氣體,對缸內(nèi)氣體做功800J,同時(shí)氣體向外界放熱200J,缸內(nèi)氣體的()

A.溫度升高,內(nèi)能增加600J

B.溫度升高,內(nèi)能減少200J

C.溫度降低,內(nèi)能增加600J

D.溫度降低,內(nèi)能減少200J

答案:A

解析:根據(jù)熱力學(xué)第一定律,氣體內(nèi)能增量ΔU=W+Q=800J-200J=600J,對于一定質(zhì)量的理想氣體,內(nèi)能增加溫度必然升高,故選項(xiàng)A正確。

2.如圖所示,一定量的理想氣體從狀態(tài)a變化到狀態(tài)b,其過程如p-V圖中從a到b的直線所示。在此過程中下列說法正確的是()

A.氣體溫度一直降低

B.氣體內(nèi)能一直減小

C.氣體一直從外界吸熱

D.氣體一直向外界放熱

答案:C

解析:由題圖知?dú)怏w的pV值一直增大,由=C知?dú)怏w的溫度一直升高,選項(xiàng)A錯(cuò)誤;一定量的理想氣體內(nèi)能只跟溫度有關(guān),溫度一直升高,氣體的內(nèi)能一直增加,選項(xiàng)B錯(cuò)誤;氣體的體積增大,則氣體一直對外做功,氣體的內(nèi)能一直增加,根據(jù)熱力學(xué)第一定律ΔU=W+Q可知?dú)怏w一直從外界吸熱,選項(xiàng)C正確,D錯(cuò)誤。

3.下圖為某種椅子與其升降部分的結(jié)構(gòu)示意圖,M、N兩筒間密閉了一定質(zhì)量的氣體,M可沿N的內(nèi)壁上下滑動(dòng),設(shè)筒內(nèi)氣體不與外界發(fā)生熱交換,在M向下滑動(dòng)的過程中()

A.外界對氣體做功,氣體內(nèi)能增加

B.外界對氣體做功,氣體內(nèi)能減少

C.氣體對外界做功,氣體內(nèi)能增加

D.氣體對外界做功,氣體內(nèi)能減少

答案:A

解析:M筒向下滑動(dòng)的過程中壓縮氣體,對氣體做功,又由于氣體不與外界發(fā)生熱交換,根據(jù)熱力學(xué)第一定律可知?dú)怏w的內(nèi)能增加,選項(xiàng)A正確。

4.水槍是孩子們喜愛的玩具,常見的氣壓式水槍儲水罐示意如圖。從儲水罐充氣口充入氣體,達(dá)到一定壓強(qiáng)后,關(guān)閉充氣口?？蹌?dòng)扳機(jī)將閥門M打開,水即從槍口噴出。若在水不斷噴出的過程中,罐內(nèi)氣體溫度始終保持不變,則氣體()

A.壓強(qiáng)變大

B.對外界做功

C.向外界放熱

D.分子平均動(dòng)能變大

答案:B

解析:研究儲水罐內(nèi)封閉的氣體,在溫度不變時(shí),pV=C,C為常數(shù),氣體體積變大,壓強(qiáng)變小,選項(xiàng)A錯(cuò)誤;氣體體積變大,對外做功,選項(xiàng)B正確;溫度不變,內(nèi)能不變,ΔU=0,根據(jù)熱力學(xué)第一定律,ΔU=W+Q,氣體體積變大,W為負(fù)值,則Q為正值,氣體吸熱,選項(xiàng)C錯(cuò)誤;溫度是分子平均動(dòng)能的標(biāo)志,溫度不變,平均動(dòng)能不變,選項(xiàng)D錯(cuò)誤。

二、選擇題Ⅱ(每小題列出的四個(gè)備選項(xiàng)中至少有一個(gè)是符合題目要求的)

5.如圖所示,一開口向上的導(dǎo)熱汽缸內(nèi),用活塞封閉了一定質(zhì)量的理想氣體,活塞與汽缸壁間無摩擦?，F(xiàn)用外力作用在活塞上,使其緩慢下降。環(huán)境溫度保持不變,系統(tǒng)始終處于平衡狀態(tài)。在活塞下降過程中,下列說法正確的是()

A.外界對氣體做功,氣體內(nèi)能增加

B.氣體溫度不變,氣體內(nèi)能不變

C.氣體壓強(qiáng)逐漸增大,氣體放出熱量

D.氣體體積逐漸減小,氣體吸收熱量

答案:BC

解析:一定質(zhì)量的理想氣體內(nèi)能僅與溫度有關(guān),溫度不變則內(nèi)能不變;由于用外力作用在活塞上,使其緩慢下降過程中環(huán)境溫度保持不變,則氣體溫度不變、內(nèi)能不變;根據(jù)熱力學(xué)第一定律ΔU=W+Q可知,外界對氣體做功,氣體要放出熱量;根據(jù)理想氣體的狀態(tài)方程=C可知,氣體體積減小,壓強(qiáng)增大,故選項(xiàng)B、C正確,A、D錯(cuò)誤。

6.如圖所示,A、B兩點(diǎn)表示一定質(zhì)量的某種理想氣體的兩個(gè)狀態(tài),當(dāng)氣體從狀態(tài)A變化到狀態(tài)B時(shí)()

A.體積必然變大

B.有可能經(jīng)過體積減小的過程

C.外界必然對氣體做正功

D.氣體必然從外界吸熱

答案:ABD

解析:連接OA、OB,得到兩條等容線,根據(jù)p=T,故有VB>VA,即氣體從狀態(tài)A變化到狀態(tài)B時(shí)體積變大,選項(xiàng)A正確。由于沒有限制自狀態(tài)A變化到狀態(tài)B的過程,所以可先從A狀態(tài)減小氣體的體積再增大氣體的體積到狀態(tài)B,選項(xiàng)B正確。因?yàn)闅怏w體積增大,所以是氣體對外界做功,選項(xiàng)C錯(cuò)誤。因?yàn)闅怏w對外界做功,而氣體的溫度又升高,內(nèi)能增大,由熱力學(xué)第一定律知?dú)怏w一定從外界吸熱,選項(xiàng)D正確。

三、非選擇題

7.如圖所示,一定質(zhì)量的理想氣體從狀態(tài)a開始,經(jīng)歷狀態(tài)b到達(dá)狀態(tài)c,已知一定質(zhì)量的理想氣體的內(nèi)能與溫度滿足U=kT(k為常數(shù)),該氣體在狀態(tài)a時(shí)溫度為T0,求:

(1)氣體在狀態(tài)c時(shí)的溫度;

(2)氣體從狀態(tài)a到達(dá)狀態(tài)c過程中從外界吸收的熱量。

答案:(1)9T0(2)8kT0+6p0V0

解析:(1)由理想氣體狀態(tài)方程

代入數(shù)據(jù)可得Tc=9T0。

(2)設(shè)氣體從狀態(tài)a到狀態(tài)c過程中,外界對氣體做功為W,氣體吸熱為Q

依題意可知Ua=kT0,Uc=9kT0

由熱力學(xué)第一定律,有ΔU=Uc-Ua=Q+W

其中外界對氣體做功W=-3p0(Vc-Vb)

聯(lián)立可得Q=8kT0+6p0V0。

能力提升

一、選擇題Ⅰ(每小題列出的四個(gè)備選項(xiàng)中只有一個(gè)是符合題目要求的)

1.氣體膨脹對外做功100J,同時(shí)從外界吸收了120J的熱量,它的內(nèi)能的變化是()

A.減小20JB.增大20J

C.減小220JD.增大220J

答案:B

解析:由熱力學(xué)第一定律得ΔU=W+Q=-100J+120J=20J,則氣體內(nèi)能增加了20J,故選項(xiàng)B正確。

2.右圖為某同學(xué)設(shè)計(jì)的一個(gè)簡易溫度計(jì),一根透明吸管插入導(dǎo)熱良好的容器,連接處密封,在吸管內(nèi)注入一小段油柱,外界大氣壓保持不變。將容器放入熱水中,觀察到油柱緩慢上升,下列說法正確的是()

A.氣體對外做的功大于吸收的熱量

B.氣體對外做的功等于吸收的熱量

C.容器內(nèi)壁的單位面積上受到氣體分子的平均作用力增大

D.容器內(nèi)壁的單位面積上受到氣體分子的平均作用力大小不變

答案:D

解析:氣體溫度升高,內(nèi)能變大,根據(jù)ΔU=Q+W可知,氣體對外做的功小于吸收的熱量,選項(xiàng)A、B錯(cuò)誤;氣體的壓強(qiáng)保持不變,則容器內(nèi)壁的單位面積上受到氣體分子的平均作用力不變,選項(xiàng)C錯(cuò)誤,D正確。

3.如圖所示,A、B是兩個(gè)完全相同的球,分別浸沒在水和水銀的同一深度內(nèi),A、B兩球用同一材料制作,當(dāng)溫度稍微升高時(shí),球的體積會明顯變大,如果開始時(shí)水和水銀的溫度相同,且兩液體溫度同時(shí)緩慢升高同一值,兩球膨脹后,體積相等,則()

A.A球吸收的熱量較多

B.B球吸收的熱量較多

C.兩球吸收的熱量一樣多

D.無法確定

答案:B

解析:水和水銀的初溫相同(兩球的初溫相同),當(dāng)兩液體溫度同時(shí)緩緩地升高同一值,兩者的末溫相同,所以內(nèi)能變化相同,根據(jù)熱力學(xué)第一定律ΔU=Q+W,吸收的熱量除了使內(nèi)能增加相同的量外還要克服液體的壓力做功,由于水銀的密度比水的密度大,所以B球吸收的熱量較多,故選項(xiàng)B正確。

4.如圖所示,內(nèi)壁光滑的汽缸豎直吊在天花板上,開口向下,用活塞封閉著一定質(zhì)量的理想氣體。開始時(shí)封閉氣體的熱力學(xué)溫度為T0,活塞到汽缸底部的距離為l。已知外界大氣壓強(qiáng)為p,重力加速度為g,活塞的半徑為、質(zhì)量為。由于外界氣溫較低,封閉氣體的溫度緩慢下降,封閉氣體在溫度下降至的過程中,對外界放出的熱量為Q,這一過程中封閉氣體的內(nèi)能減少量為()

A.πp0l3-Q

B.Q-πp0l3

C.Q+πp0l3

D.Q-πp0l3

答案:B

解析:對活塞有p0π=mg+pπ

由題意知m=

解得封閉氣體的壓強(qiáng)為p=

又

得活塞上升的距離h=l-l'=

外界對封閉氣體做的功W=pπh=πp0l3

由熱力學(xué)第一定律得封閉氣體內(nèi)能的減少量為Q-πp0l3。故選項(xiàng)B正確。

二、選擇題Ⅱ(每小題列出的四個(gè)備選項(xiàng)中至少有一個(gè)是符合題目要求的)

5.一定質(zhì)量的理想氣體在某一過程中,從外界吸收熱量2×104J,氣體對外界做功1.0×104J,則該理想氣體的()

A.密度增大

B.內(nèi)能變大

C.分子的平均動(dòng)能變小

D.溫度升高

答案:BD

解析:氣體對外界做功,則體積變大,密度減小,選項(xiàng)A錯(cuò)誤;氣體吸收的熱量大于氣體對外做功,根據(jù)熱力學(xué)第一定律,則氣體內(nèi)能變大,溫度升高,分子的平均動(dòng)能變大,選項(xiàng)C錯(cuò)誤,B、D正確。

6.一定質(zhì)量的理想氣體,由初始狀態(tài)A開始,狀態(tài)變化按圖中的箭頭所示方向進(jìn)行,最后又回到初始狀態(tài)A。對于這個(gè)循環(huán)過程,下列說法正確的是()

A.由A→B,氣體的分子平均動(dòng)能增大,吸收熱量

B.由B→C,氣體的分子數(shù)密度增大,內(nèi)能減小,吸收熱量

C.由C→A,氣體的內(nèi)能減小,放出熱量,外界對氣體做功

D.經(jīng)過一個(gè)循環(huán)過程后,氣體內(nèi)能不變,外界對氣體做功

答案:AC

解析:由A→B,氣體的pV乘積變大,則溫度升高,氣體的分子平均動(dòng)能增大,氣體的內(nèi)能增加,ΔU>0,體積變大,對外做功,W0,氣體吸收熱量,選項(xiàng)A正確。由B→C,氣體的體積不變,則分子數(shù)密度不變,氣體的pV乘積變小,則溫度降低,內(nèi)能減小,ΔU0,根據(jù)熱力學(xué)第一定律可知Q0,即W為正值;系統(tǒng)對外界做功,也就是外界對系統(tǒng)做負(fù)功,W0,即Q為正值;外界從系統(tǒng)吸收熱量,也就是系統(tǒng)向外界放出熱量,Q0,即ΔU為正值;系統(tǒng)內(nèi)能減少,ΔU0,溫度不變,內(nèi)能不變,即ΔU=0,根據(jù)熱力學(xué)第一定律ΔU=Q+W,可得Q0,根據(jù)熱力學(xué)第一定律ΔU=Q+W,可得Q>0,所以理想氣體從外界吸收熱量,故B正確;根據(jù)平衡條件得p0S+mg=pS,可知c狀態(tài)氣體的壓強(qiáng)大于a狀態(tài)氣體的壓強(qiáng),所以c狀態(tài)的氣體對活塞的作用力較大,故C正確;理想氣體在b狀態(tài)的溫度等于在a狀態(tài)的溫度,根據(jù)理想氣體的內(nèi)能只與溫度和分子個(gè)數(shù)有關(guān),所以理想氣體在b狀態(tài)的內(nèi)能等于在a狀態(tài)的內(nèi)能,故D錯(cuò)誤。

2.一定質(zhì)量的氣體從外界吸收了4.2×105J的熱量,同時(shí)氣體對外做了6×105J的功。

(1)物體的內(nèi)能是增加還是減少變化量是多少

(2)分子勢能是增加還是減少

(3)分子的平均動(dòng)能是增加還是減少

答案:(1)減少1.8×105J(2)增加(3)減少

解析:(1)氣體從外界吸收的熱量為Q=4.2×105J

氣體對外做功W=-6×105J

由熱力學(xué)第一定律得ΔU=W+Q=(-6×105J)+4.2×105J

=-1.8×105J

ΔU為負(fù),說明氣體的內(nèi)能減少了,氣體內(nèi)能減少了1.8×105J。

(2)因?yàn)闅怏w對外做功,所以氣體的體積膨脹,分子間的距離增大了,分子力做負(fù)功,氣體分子勢能增加了。

(3)因?yàn)闅怏w內(nèi)能減少,同時(shí)氣體分子勢能增加,

所以氣體分子的平均動(dòng)能一定減少了。

特別提醒1.當(dāng)做功和熱傳遞同時(shí)發(fā)生時(shí),物體的內(nèi)能可能增加,也可能減小,還可能保持不變。

2.物體內(nèi)能發(fā)生變化可能是由做功引起的,也可能是由熱傳遞引起的,還可能是兩者共同作用的結(jié)果。

學(xué)以致用

(多選)一定量的理想氣體從狀態(tài)a開始,經(jīng)歷三個(gè)過程ab、bc、ca回到原狀態(tài),其p-T圖像如圖所示。下列判斷正確的是()

A.過程ab中氣體一定吸熱

B.過程bc中氣體既不吸熱也不放熱

C.過程ca中外界對氣體所做的功等于

氣體所放的熱

D.a、b和c三個(gè)狀態(tài)中,狀態(tài)a分子的

平均動(dòng)能最小

AD

解析:由p-T圖像可知過程ab是等容變化,溫度升高,內(nèi)能增加,體積不變,由熱力學(xué)第一定律可知過程ab一定吸熱,選項(xiàng)A正確;過程bc溫度不變,即內(nèi)能不變,由于過程bc體積增大,所以氣體對外做功,由熱力學(xué)第一定律可知,氣體一定吸收熱量,選項(xiàng)B錯(cuò)誤;過程ca壓強(qiáng)不變,溫度降低,內(nèi)能減少,體積減小,外界對氣體做功,由熱力學(xué)第一定律可知,放出的熱量一定大于外界對氣體做的功,選項(xiàng)C錯(cuò)誤;溫度是分子平均動(dòng)能的標(biāo)志,由p-T圖像可知,a狀態(tài)氣體溫度最低,則平均動(dòng)能最小,選項(xiàng)D正確。

模型方法素養(yǎng)提升

熱力學(xué)第一定律在理想氣體狀態(tài)變化中的應(yīng)用——科學(xué)思維培養(yǎng)

方法歸納

1.理想氣體狀態(tài)變化的幾種特殊情況。

(1)絕熱過程:Q=0,則ΔU=W,系統(tǒng)內(nèi)能的增加(或減少)量等于外界對系統(tǒng)(或系統(tǒng)對外界)做的功。

(2)等容過程:W=0,則ΔU=Q,物體內(nèi)能的增加(或減少)量等于系統(tǒng)從外界吸收(或系統(tǒng)向外界放出)的熱量。

(3)等溫過程:一定質(zhì)量理想氣體的內(nèi)能不變,即ΔU=0,則W=

-Q(或Q=-W),外界對系統(tǒng)做的功等于系統(tǒng)放出的熱量(或系統(tǒng)吸收的熱量等于系統(tǒng)對外界做的功)。

2.判斷氣體是否做功的方法。

一般情況下看氣體的體積是否變化。

(1)若氣體體積增大,表明氣體對外界做功,W0。

3.熱力學(xué)第一定律與理想氣體狀態(tài)方程結(jié)合問題的分析思路。

(1)利用體積的變化分析做功情況。氣體體積增大,氣體對外界做功;氣體體積減小,外界對氣體做功。

(2)利用溫度的變化分析理想氣體內(nèi)能的變化。一定質(zhì)量的理想氣體的內(nèi)能僅與溫度有關(guān),溫度升高,內(nèi)能增加;溫度降低,內(nèi)能減少。

(3)利用熱力學(xué)第一定律判斷是吸熱還是放熱。

由熱力學(xué)第一定律ΔU=W+Q,則Q=ΔU-W,若已知?dú)怏w的做功情況和內(nèi)能的變化情況,即可判斷氣體狀態(tài)變化是吸熱過程還是放熱過程。

如圖所示,用隔板將一絕熱汽缸分成兩部分,隔板左側(cè)充有理想氣體,隔板右側(cè)與絕熱活塞之間是真空?，F(xiàn)將隔板抽開,氣體會自發(fā)擴(kuò)散至整個(gè)汽缸。待氣體達(dá)到穩(wěn)定后,緩慢推壓活塞,將氣體壓回到原來的體積。假設(shè)整個(gè)系統(tǒng)不漏氣。說明該部分氣體在自由擴(kuò)散和被壓縮過程中,氣體對外做功和內(nèi)能變化的情況。

提示:氣體向真空膨脹時(shí)不受阻礙,氣體不對外做功,氣體被壓縮的過程中,氣體對外界做負(fù)功。

氣體向真空膨脹時(shí)不受阻礙,氣體不對外做功,由于汽缸是絕熱的,沒有熱交換,所以氣體擴(kuò)散后內(nèi)能不變,氣體被壓縮的過程中,氣體對外做負(fù)功,且沒有熱交換,根據(jù)熱力學(xué)第一定律,氣體的內(nèi)能增大。

典例剖析

一定質(zhì)量的理想氣體,狀態(tài)在A→B→C→D→A過程中的變化可用如圖所示的p-V圖線描述,其中DA為等溫線,氣體在狀態(tài)A時(shí)溫度為TA=300K。

(1)求氣體在狀態(tài)C時(shí)的溫度TC。

(2)若氣體在A→B過程中吸熱1000J,

則在A→B過程中氣體內(nèi)能如何變化

變化了多少

答案:(1)375K(2)氣體內(nèi)能增加了400J

解析:(1)DA為等溫線,則TD=TA=300K

(2)氣體由A到B為等壓變化,

則W=-pΔV=-2×105×3×10-3J=-600J

由熱力學(xué)第一定律得ΔU=Q+W=1000J-600J=400J

氣體內(nèi)能增加了400J。

規(guī)律總結(jié)熱力學(xué)第一定律與理想氣體狀態(tài)方程結(jié)合問題要做好兩類分析。

學(xué)以致用

(多選)如圖所示,由導(dǎo)熱材料制成的汽缸和活塞將一定質(zhì)量的理想氣體封閉在汽缸內(nèi),活塞與汽缸壁之間無摩擦,活塞上方存有少量液體。將一細(xì)管插入液體,由于虹吸現(xiàn)象,活塞上方液體逐漸流出。在此過程中,大氣壓強(qiáng)與外界的溫度保持不變。關(guān)于這一過程,下列說法正確的是()

A.汽缸內(nèi)氣體的內(nèi)能保持不變

B.汽缸內(nèi)氣體的內(nèi)能不斷減小

C.氣體對外界做的功大于氣體從外界吸收的熱量

D.氣體對外界做的功等于氣體從外界吸收的熱量

AD

解析:被封閉氣體溫度不變,故汽缸內(nèi)氣體的內(nèi)能保持不變,選項(xiàng)A正確,B錯(cuò)誤;溫度不變,內(nèi)能不變,體積增大,對外做功,根據(jù)ΔU=W+Q,可知?dú)怏w對外界做的功等于氣體從外界吸收的熱量,選項(xiàng)D正確,C錯(cuò)誤。

隨堂訓(xùn)練

1.關(guān)于熱力學(xué)定律,下列說法正確的是()

A.氣體吸熱后溫度一定升高

B.對氣體做功,氣體內(nèi)能一定發(fā)生改變

C.理想氣體等壓膨脹過程一定放熱

D.如果兩個(gè)系統(tǒng)分別與狀態(tài)確定的第三個(gè)系統(tǒng)達(dá)到熱平衡,那么這兩個(gè)系統(tǒng)彼此之間也必定達(dá)到熱平衡

答案:D

解析:氣體吸收熱量,同時(shí)對外做功,如二者相等,則內(nèi)能可能不變,所以氣體吸熱后溫度不一定升高,選項(xiàng)A錯(cuò)誤;做功和熱傳遞都能改變內(nèi)能,若對氣體做功,氣體同時(shí)釋放熱量,則內(nèi)能可能不變,選項(xiàng)B錯(cuò)誤;根據(jù)理想氣體的狀態(tài)方程可知,理想氣體等壓膨脹過程中壓強(qiáng)不變,體積增大,則氣體的溫度一定升高,所以氣體的內(nèi)能增大,吸收熱量,選項(xiàng)C錯(cuò)誤;根據(jù)熱平衡定律可知,如果兩個(gè)系統(tǒng)分別與狀態(tài)確定的第三個(gè)系統(tǒng)達(dá)到熱平衡,那么這兩個(gè)系統(tǒng)彼此之間也必定達(dá)到熱平衡,選項(xiàng)D正確。

2.若某種理想氣體初態(tài)時(shí)具有200J內(nèi)能,膨脹過程中對外做功50J,同時(shí)吸收了30J的熱量。則氣體末狀態(tài)的內(nèi)能為

()

A.280JB.230J

C.220JD.180J

答案:D

解析:根據(jù)熱力學(xué)第一定律可知U2=U1+W+Q=200J-5