第3章 素养拓展课(三) 热力学定律和气体实验定律的综合应用（Word教参）-【优化指导】2023-2024学年新教材高中物理选择性必修第三册（教科版2019）

素养拓展课(三)　热力学定律和气体实验定律的综合应用 学习目标 1.进一步理解热力学第一定律，熟练掌握热力学第一定律的应用. 2.对比热力学第一定律、第二定律，进一步理解热力学第二定律. [对应学生用书P57] 1.熟悉气体各种过程的特点，灵活应用热力学第一定律.(理想气体的内能只与温度有关) (1)等温过程：气体内能不变，气体做功和传递热量的代数和为零(W＝－Q). (2)等压过程：可以根据体积的变化确定做功情况.外界对气体做功，W＝pΔV；气体对外界做功，W＝－pΔV. (3)等容过程：气体不做功，根据吸热、放热情况可以确定内能变化(ΔU＝Q). (4)绝热过程：气体不发生热传递，根据做功的情况可确定气体内能变化(ΔU＝W). 2.根据气体变化过程的图像，可以判断气体发生的何种过程，进而应用热力学第一定律确定内能变化. 如图所示，一个圆柱形绝热汽缸竖直放置，通过绝热活塞封闭着一定质量的理想气体.活塞的质量为m，横截面积为S，与容器底部相距h，此时封闭气体的温度为T1.现通过电热丝缓慢加热气体，当气体吸收热量Q时，气体温度上升到T2.已知大气压强为p0，重力加速度为g，不计活塞与汽缸的摩擦，求： (1)活塞上升的高度； (2)加热过程中气体的内能增加量. 解析　(1)气体发生等压变化，则有＝ 解得Δh＝h. (2)对活塞进行受力分析，有pS＝p0S＋mg 加热过程中气体对外做的功为W＝pSΔh＝(p0S＋mg)h 由热力学第一定律知，气体内能的增加量为ΔU＝Q＋W＝Q－(p0S＋mg)h. 答案　(1)H (2)Q－(p0S＋mg)h [训练1]　(2019·江苏卷)如图所示，一定质量理想气体经历A→B的等压过程，B→C的绝热过程(气体与外界无热量交换)，其中B→C过程中内能减少900 J.求A→B→C过程中气体对外界做的总功. 解析　A→B过程，W1＝－p(VB－VA) B→C过程，Q＝0，根据热力学第一定律有W2＝ΔU 则气体对外界做的总功W＝－(W1＋W2) 代入数据解得W＝1 500 J. 答案　1 500 J 区别 热力学第一定律揭示了做功和传热改变物体内能的规律，即ΔU＝W＋Q，指明内能不但可以转移，而且还能跟其他形式的能相互转化.热力学第一定律是能量守恒定律在热学中的一种表述形式，是从能的角度揭示不同物质运动形式相互转化的可能性 热力学第二定律揭示了大量分子参与的宏观过程的方向性(如机械能可以全部转化为内能，内能却不可能全部转化为机械能而不引起其他变化)，进一步揭示了各种能量转化过程及物质运动形式的转化过程都具有方向性 联系 热力学第一定律是和热现象有关的物理过程中能量守恒的特殊表达形式，说明功及热量与内能改变的定量关系；而热力学第二定律指出了能量转化与守恒实现的条件和过程进行的方向，指出了一切变化过程的自然发展方向不可逆，除非靠外界影响.二者既相互独立，又相互补充 关于热现象和热力学定律，下列说法正确的是(　　) A.随着技术的发展，热机效率可达100% B.热量是不可能从低温物体传递给高温物体的 C.第二类永动机遵从能量守恒定律，因而能制造出来 D.用活塞压缩汽缸里的空气，对空气做功2.0×105 J，同时空气向外界放出热量1.5×105 J，则空气的内能增加了0.5×105 J D　[由热力学第二定律知，B、C错误；热机的效率不可能达到100%，A错误；由热力学第一定律ΔU＝W＋Q知，D正确.] [训练2]　(多选)关于热力学定律，下列说法正确的是(　　) A.为了增加物体的内能，必须对物体做功 B.可以从单一热源吸收热量，使之完全变为功 C.在一定条件下可以使热量从低温物体传向高温物体 D.功转变为热的实际宏观自然过程是可逆过程 BC　[内能的改变可以通过做功或热传递进行，A错误；在引起其他变化的情况下，可以从单一热源吸收热量，将其全部变为功，B正确；在引起其他变化的情况下，可以使热量从低温物体传向高温物体，C正确；涉及热现象的宏观自然过程都具有方向性，D错误.] [对应学生用书P59] 1.(热力学第一定律的理解)(多选)夏天，小明同学把自行车轮胎上的气门芯拔出的时候，会觉得从轮胎里喷出的气体较凉.若把轮胎里的气体视为理想气体，则关于气体喷出的过程，下列说法正确的是(　　) A.气体的内能减少 B.气体的内能不变 C.气体来不及与外界发生热交换，对外做功，温度降低 D.气体膨胀时，热量散得太快，使气体温度降低了 AC　[气体喷出时，来不及与外界交换热量，发生绝热膨胀，Q＝0，对外做功，根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，可知内能减少，温度降低，温度是分子平均动能的标志，则A、C正确.] 2.(气体图像和热力学定律的综合)(多选)如图，一定质量的理想气体从状态a开始，经过等容过程a