人教版(新教材)高中物理選擇性必修3第三章 熱力學(xué)定律網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建與學(xué)科素養(yǎng)提升

人教版(新教材)高中物理選擇性必修第三冊(cè)PAGEPAGE1網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建與學(xué)科素養(yǎng)提升一、根據(jù)圖像分析氣體內(nèi)能的變化——數(shù)形結(jié)合思想應(yīng)用能力培養(yǎng)1.應(yīng)用氣體狀態(tài)變化圖像時(shí)要注意以下兩點(diǎn)信息(1)點(diǎn)、線的物理意義：求解氣體狀態(tài)變化的圖像問題，應(yīng)當(dāng)明確圖像上的點(diǎn)表示一定質(zhì)量的理想氣體的一個(gè)平衡狀態(tài)，它對(duì)應(yīng)著三個(gè)狀態(tài)參量；圖像上的某一條直線段或曲線段表示一定質(zhì)量的理想氣體狀態(tài)變化的一個(gè)過程。(2)斜率的物理意義：在V－T圖像(或p－T圖像)中，比較兩個(gè)狀態(tài)的壓強(qiáng)(或體積)大小，可以通過比較這兩個(gè)狀態(tài)到原點(diǎn)連線的斜率的大小，判斷兩個(gè)狀態(tài)的壓強(qiáng)(或體積)的大小。2.判定物體內(nèi)能變化的方法(1)內(nèi)能的變化都要利用熱力學(xué)第一定律進(jìn)行綜合分析；(2)做功情況要看氣體體積的變化情況：體積增大，氣體對(duì)外做功，W為負(fù)；體積縮小，外界對(duì)氣體做功，W為正；(3)與外界絕熱，則不發(fā)生傳熱，此時(shí)Q＝0；(4)如果研究對(duì)象是理想氣體，則由于理想氣體沒有分子勢(shì)能，所以氣體內(nèi)能的變化主要體現(xiàn)在分子動(dòng)能的變化上，從宏觀上看就是溫度的變化?！祭?〗一定質(zhì)量理想氣體的p－V圖像如圖所示，其中a→b為等容過程，b→c為等壓過程，c→a為等溫過程，已知?dú)怏w在狀態(tài)a時(shí)的溫度Ta＝300K，在狀態(tài)b時(shí)的體積Vb＝22.4L。求：(1)氣體在狀態(tài)c時(shí)的體積Vc；(2)試比較氣體由狀態(tài)b到狀態(tài)c過程從外界吸收的熱量Q與對(duì)外做功W的大小關(guān)系，并簡(jiǎn)要說(shuō)明理由?！冀馕觥?1)氣體c→a等溫變化，根據(jù)玻意耳定律得paVa＝pcVc又a→b為等容過程，所以Va＝Vb＝22.4L解得Vc＝eq\f(paVa,pc)＝eq\f(paVb,pc)＝67.2L。(2)氣體由狀態(tài)b到狀態(tài)c為等壓過程，由蓋—呂薩克定律可知體積增大且溫度升高，所以氣體內(nèi)能增加，ΔU>0，氣體對(duì)外做功，W<0，由熱力學(xué)第一定律ΔU＝Q＋W可知，氣體從外界吸收的熱量Q大于氣體對(duì)外做的功W。〖答案〗(1)67.2L(2)氣體從外界吸收的熱量Q大于氣體對(duì)外的功W理由見〖解析〗〖素養(yǎng)提升練〗1.在一個(gè)密閉的汽缸內(nèi)有一定質(zhì)量的理想氣體，如圖所示是它從狀態(tài)A變化到狀態(tài)B的V－T圖像，已知AB的反向延長(zhǎng)線通過坐標(biāo)原點(diǎn)O，氣體在A狀態(tài)的壓強(qiáng)為p＝1.0×105Pa，在從狀態(tài)A變化到狀態(tài)B的過程中，氣體吸收的熱量Q＝7.0×102J，求此過程中氣體內(nèi)能的增量ΔU?！冀馕觥接蒝－T圖像的圖線經(jīng)過坐標(biāo)原點(diǎn)可以判斷，理想氣體經(jīng)歷的是等壓變化。由蓋—呂薩克定律得eq\f(VA,TA)＝eq\f(VB,TB)外界對(duì)氣體做的功W＝－p(VB－VA)解得W＝－200J根據(jù)熱力學(xué)第一定律ΔU＝W＋Q解得ΔU＝500J〖答案〗500J2.如圖所示，一定質(zhì)量理想氣體由狀態(tài)A經(jīng)過程Ⅰ變至狀態(tài)B時(shí)，從外界吸收熱量420J，同時(shí)膨脹對(duì)外做功300J。當(dāng)氣體從狀態(tài)B經(jīng)過Ⅱ回到狀態(tài)A時(shí)，外界壓縮氣體做功200J。求過程Ⅱ中氣體是吸熱還是放熱，熱量是多少？〖解析〗氣體由狀態(tài)A經(jīng)過程Ⅰ過程Ⅱ又回到狀態(tài)A，初末狀態(tài)內(nèi)能不變，由熱力學(xué)第一定律：ΔU＝W＋Q，可得：0＝420－300＋200＋Q，Q＝－320J，所以第二過程中氣體放熱320J?！即鸢浮椒艧?20J二、熱力學(xué)第一定律與氣體實(shí)驗(yàn)定律的綜合問題分析技巧——科學(xué)思維綜合能力的培養(yǎng)對(duì)于理想氣體，常把熱力學(xué)第一定律與氣體實(shí)驗(yàn)定律理想氣體狀態(tài)方程結(jié)合起來(lái)分析其狀態(tài)變化規(guī)律，常見的分析思路如下：(1)利用體積的變化分析做功問題，氣體體積增大，氣體對(duì)外做功，氣體體積減小，外界對(duì)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??；(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，得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)變化過程是吸熱過程還是放熱過程。〖例2〗如圖所示，用輕質(zhì)活塞在汽缸內(nèi)封閉一定質(zhì)量的理想氣體，活塞與汽缸壁間摩擦忽略不計(jì)，開始時(shí)活塞距離汽缸底部高度h1＝0.50m，氣體的溫度t1＝27℃。給汽缸緩慢加熱至t2＝207℃，活塞緩慢上升到距離汽缸底某一高度h2處，此過程中缸內(nèi)氣體增加的內(nèi)能ΔU＝300J。已知大氣壓強(qiáng)p0＝1.0×105Pa，活塞橫截面積S＝5.0×10－3m2。求：此過程中缸內(nèi)氣體吸收的熱量Q。思路點(diǎn)撥內(nèi)能改變的多少ΔU是由做功W和傳熱Q共同決定的，即ΔU＝W＋Q，此式為標(biāo)量式，但ΔU、W和Q都有正、負(fù)之分。做功的正負(fù)依據(jù)氣體體積的變化來(lái)判斷：本題中活塞上升，因此體積增大，氣體對(duì)外界做功，W<0，做功的力為氣體的壓力，由題意知活塞為輕質(zhì)，即不計(jì)重力，所以封閉氣體的壓強(qiáng)等于大氣壓強(qiáng)，氣體做等壓變化，可據(jù)蓋—呂薩克定律確定末狀態(tài)對(duì)應(yīng)的活塞位置，從而得到力做功的位移?！冀馕觥綒怏w做等壓變化，V1＝h1S，V2＝h2S，T1＝(27＋273)K＝300K，T2＝(207＋273)K＝480K，根據(jù)蓋—呂薩克定律可得eq\f(h1S,T1)＝eq\f(h2S,T2)，代入數(shù)據(jù)解得h2＝0.8m。在氣體膨脹的過程中，體積變化ΔV＝(h2－h(huán)1)S，對(duì)氣體做功為W＝－p0ΔV＝－150J，根據(jù)熱力學(xué)第一定律ΔU＝W＋Q，得氣體吸收的熱量為Q＝ΔU－W＝450J?！即鸢浮?50J〖素養(yǎng)提升練〗3.如圖所示，一長(zhǎng)為L(zhǎng)、內(nèi)橫截面積為S的絕熱汽缸固定在水平地面上，汽缸內(nèi)用一質(zhì)量為m的絕熱活塞封閉了一定質(zhì)量的理想氣體，開始時(shí)活塞固定在汽缸正中央，汽缸內(nèi)被封閉氣體壓強(qiáng)為p，外界大氣壓為p0(p＞p0)。現(xiàn)釋放活塞，測(cè)得活塞被缸內(nèi)氣體推到缸口時(shí)的速度為v。求：(1)此過程克服大氣壓力所做的功；(2)活塞從釋放到將要離開缸口，缸內(nèi)氣體內(nèi)能改變了多少？〖解析〗(1)設(shè)大氣作用在活塞上的壓力為F，則F＝p0S根據(jù)功的計(jì)算式W＝eq\f(FL,2)解得W＝eq\f(p0SL,2)(2)設(shè)活塞離開汽缸時(shí)動(dòng)能為Ek，則Ek＝eq\f(mv2,2)根據(jù)能量守恒定律得：缸內(nèi)氣體內(nèi)能改變?chǔ)＝－eq\f(mv2,2)－eq\f(p0SL,2)即內(nèi)能減少了eq\f(1,2)mv2＋eq\f(1,2)p0SL〖答案〗(1)eq\f(p0SL,2)(2)減少了eq\f(1,2)mv2＋eq\f(1,2)p0SL4.如圖所示，封有理想氣體的導(dǎo)熱汽缸，開口向下被豎直懸掛，不計(jì)活塞的質(zhì)量和摩擦，整個(gè)系統(tǒng)處于靜止?fàn)顟B(tài)，活塞距缸底距離為h0?，F(xiàn)在活塞下面掛一質(zhì)量為m的鉤碼，從掛上鉤碼到整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定，設(shè)周圍環(huán)境溫度不變。已知活塞面積為S，大氣壓為p0，不計(jì)活塞和缸體的厚度，重力加速度為g。求：這個(gè)過程中封閉氣體吸收(放出)多少熱量?！冀馕觥皆O(shè)掛鉤碼前，氣體壓強(qiáng)為p1，體積為V1，由平衡條件得p1S＝p0S，所以p1＝p0，掛鉤碼后氣體壓強(qiáng)為p2，體積V2，根據(jù)平衡條件mg＋p2S＝p0S，解得p2＝p0－eq\f(mg,S)，由理想氣體狀態(tài)方程eq\f(p1V1,T1)＝eq\f(p2V2,T2)，V1＝Sh0，V2