第三章 热力学定律 专题提升：热力学第一定律与气体实验定律的综合问题 课件-2025-2026学年高二下学期物理人教版选择性必修第三册

该高中物理课件聚焦热力学第一定律与气体实验定律的综合应用，通过回顾气体图像（p-V、p-T、V-T）分析方法和热力学第一定律，搭建知识支架，帮助学生衔接状态参量变化、做功与吸放热判断等前后知识点。 其亮点在于以科学思维为核心，通过典型例题（如V-T图像循环问题）和对点演练，强化模型建构与科学推理，结合潜水器、空气炸锅等实际情境题培养科学态度与责任。学生能提升综合应用能力，教师可借助系统例题与检测资源提高教学效率。

第三章 专题提升课三　热力学第一定律与气体实验定律的综合问题 学习目标 1.会分析热力学第一定律与气体图像结合的问题。(科学思维) 2.会分析热力学第一定律和气体实验定律的综合问题。(科学思维) 重难探究·能力素养全提升 目录索引 学以致用·随堂检测全达标 重难探究·能力素养全提升 探究点一　热力学第一定律与气体图像结合的问题 知识归纳 热力学第一定律与气体图像结合问题的处理方法: 1.明确图像类型:确定是p-V图像、p-T图像还是V-T图像,以及图中各点、线所代表的物理意义。 2.分析状态变化:根据图像中气体体积V的变化,判断外界对气体是做正功还是负功,根据气体温度的变化,判断气体的内能是增加还是减小。而要判断体积和温度的变化情况需要理解好图像本身的物理意义和图像斜率的物理意义,例如,在p-V图像、p-图像和V-T图像中,体积可以根据图像直接判断,而在p-T图像中判断沿某条图线体积的变化情况,需要根据图线上各 点与原点连线的斜率大小来判断,斜率越大体积越小,也可根据理想气体状态方程=C由p、T的情况直接判断;在p-T图像和V-T图像中,温度的变化情况可以直接判断,而在p-V图像中根据等温线是双曲线,越向外的双曲线温度越高来判断,在p-图像中判断沿某条图线温度的变化情况,需要根据图线上各点与原点连线的斜率大小来判断,斜率越大温度越高,也可根据理想气体状态方程=C由p、V的情况直接判断。 3.计算做功大小:对于p-V图像,通过计算图像与坐标轴围成的面积来得到气体做功的数值。如果是规则图形,可直接用几何方法计算面积;如果是不规则图形,可以采用分割、近似等方法估算面积。对于其他图像,可根据状态变化过程结合理想气体状态方程和做功的定义来间接计算做功。 4.确定吸放热情况:根据热力学第一定律ΔU=W+Q,已知ΔU和W计算Q,如果Q>0则吸热,Q<0则放热。 典例剖析 【例题1】 如图是质量为m的理想气体由状态A经状态B、C、D再回到A的V-T图像①,其中AB、CD的延长线过坐标原点②,BC、DA与横轴平行。已知气体在状态A时压强为p0③,该气体的内能U=kT④,其中k、V0、T0为已知的定值,T是热力学温度。求: (1)气体从状态C到状态D内能的减少量ΔU; (2)气体从状态A经过一次循环对外放出的热量(放热和吸热抵消之后的总热量)。 答案 (1)2.5kT0　(2)1.5p0V0 解析 (1)设状态D气体的热力学温度为TD,气体从状态C到状态D,发生等压 气体在状态C的内能UC=5kT0 气体在状态D的内能UD=kTD 气体从状态C到状态D内能的减少量ΔU=UC-UD 解得ΔU=2.5kT0。 (2)一个循环过程中气体的内能的变化量为0,设气体在状态D时的压强为pD,则由状态D到状态A,由等容变化有 WAB=-p0(VB-VA) WCD=pD(VC-VD) 根据热力学第一定律有Q+WAB+WCD=0 解得Q=-1.5p0V0 即对外放出1.5p0V0的热量。 教你析题 读取题干 获取信息 ① 气体在A、B、C三个状态的体积和温度,在D状态的体积 ② AB、CD两个过程发生的都是等压变化 ③ A状态的压强 ④ 知道温度就知道内能 教你破题 对点演练 1.(多选)如图所示,一定质量的理想气体由状态a经状态b变化到状态c,已知气体从状态a变化到状态b的过程中外界对气体做功为W1,与外界的热交换量为Q1;从状态b变化到状态c的过程中外界对气体做功为W2,与外界的热交换量为Q2,下列说法不正确的是(　　) A.气体在状态b的内能大于在状态a、c的内能 B.W2=5W1 C.Q1+Q2=2p0V0 BC 解析 根据pcVc=paVa可得,气体在状态a、状态c温度相等,内能相等,所以气体在状态b的温度大于在状态a、c的温度,在状态b的内能大于在状态a、状态c的内能,故A正确,不符合题意;p-V图像中,压强与体积围成图形的面积表示外界对气体所做的功,因此气体从状态a变化到状态b的过程中 气体在状态a、状态c温度相等,内能相等,根据ΔU=W+Q得Q1+Q2+W1+W2=ΔU=0,W1+W2=-(Q1+Q2),由上述解析可知W1+W2=4p0V0,解得Q1+Q2=-4p0V0,故C错误,符合题意。 2.(2025辽宁朝阳高二期末)如图为一定质量的理想气体由状态A经状态B至状态C变化过程的p-T图像,ABC为以Q为圆心的一段圆弧,A、C两点与坐标原点的连线为圆弧的切线,B点为圆心与坐标原点的连线和圆弧的交点。下列说法正确的是(　　) A.理想气体在状态B时体积最大 B.理想气体在状态A时内能最大 C.理想气体由状态A到状态B一直放热 D.理想气体由状态B到状态C一直吸热 D 解析 由理想气体状态方程=C可知,越小,体积V越大。由图可知在C状态时最小,体积V最大,故A错误;理想气体的内能由温度T决定,由图可知在C状态时温度T最高,气体内能最大,故B错误;A、B两状态相比,B状态的较小,体积较大,说明气体对外做功,B状态的温度T较大,内能较大,由热力学第一定律知理想气体由状态A到状态B吸热,故C错误;同理B、C状态比较,理想气体由B状态到C状态,减小,体积V增大,对外做功,温度T升高,内能增大,由热力学第一定律知气体吸热,故D正确。 3.一定质量的理想气体从状态a开始,经a→b、b→c、c→a三个过程后回到初始状态a,其p-图像如图所示。则下列说法正确的是(　　) A.在a→b过程中,单位时间内撞击单位面积器壁的分子数减少 B.在b→c过程中,气体向外界放热 C.在c→a过程中,气体吸收的热量小于 D.气体在a→b→c→a一个循环过程中吸收的热量等于 C 解析 将题中的图像转化为p-V图像如图所示,在a→b过程中,气体压强不变,根据理想气体状态方程有=C,体积减小,温度降低,则分子的平均动能减小,即平均撞击力减小,故单位时间内与单位面积器壁碰撞的分子数增多,故A错误;在b→c过程中,气体做等容变化,体积不变,压强增大,根据理想气体状态方程可知,温度升高,气体内能增大,由热力学第一定律有ΔU=W+Q,由于气体体积不变,做功为0,所以气体增加的内能等于从外界吸收的热量,故B错误;在c→a过程中,由理想气体状态方程=C,可得p=CT·,由于题图中c→a过程图像的延长线过原点,此过程为等温变化,体积增大,气体对外做功,气体内能不变,故气体吸收的热量等于气体对外界所做的功,根据p-V图像与坐标轴所围面积表示做功大小可知,在此过程中气体对外界做的功 W<,故C正确;同理在a→b→c→a一个循环过程中,内能不变,气体对外做功等于吸收的热量,而对外做的功W'<,故D错误。 探究点二　热力学第一定律和气体实验定律的综合问题 知识归纳 特别提示　涉及气体的三个状态参量的变化情况用气体实验定律或理想气体状态方程分析,涉及内能变化、做功和吸放热情况用热力学第一定律分析。 典例剖析 【例题2】 (多选)一定质量的理想气体被质量为m的绝热活塞封闭在竖直放置的绝热汽缸中,活塞的面积为S,与汽缸底部相距L,温度为T0。现接通电热丝给气体缓慢加热,活塞缓慢向上移动距离L后停止加热,整个过程中,气体吸收的热量为Q,大气压强为p0,重力加速度为g。则(　　) A.初始时,气体压强p1=p0 B.停止加热时,气体的温度T=2T0 C.该过程中,气体内能增加量ΔU=Q-mgL D.该过程中,气体内能增加量ΔU=Q-mgL-p0SL BD 对点演练 4.(2025湖北随州高二期末)载人潜水器是进入“无人区”的科考利器。某科技小组深受启发,自己动手制作了潜水器模型。如图所示,高压气瓶通过细管与压载水箱连接,压载水箱通过通海口(细管)通向外界,连接各部分的细管容积不计。压载水箱中有一厚度忽略不计的轻活塞,在地面先将高压空气充入高压气瓶中,关闭阀门K,此时活塞在压载水箱最右端。压载水箱通过通海口装满水后,潜水器下沉到水下h=10 m处悬停,通过遥控器将阀门K打开,高压气瓶中的气体缓慢膨胀推动活塞,刚好能够将压载水箱中的水全部排出,已知高压气瓶的容积为1 L,压载水箱的容积为4 L,大气压强p0=1.0×105 Pa,水的密度ρ=1.0×103 kg/m3,g取10 m/s2。若气体温度不变,活塞与水箱间的摩擦力忽略不计,求: (1)高压气瓶中气体的初始压强为大气压的多少倍; (2)气体膨胀过程吸收的热量。 答案 (1)10倍　(2)800 J 解析 (1)对封闭的气体,经历等温过程由玻意耳定律,有p1V1=p2V2 其中V1=1 L,V2=5 L,p2=p0+ρgh=2×105 Pa 代入数据得p1=1.0×106 Pa=10p0。 (2)根据ΔU=W+Q 由于等温变化ΔU=0,Q=-W 气体对外做功W=-p2ΔV=-2×105×4×10-3 J=-800 J 所以Q=800 J,即气体膨胀过程吸收800 J的热量。 学以致用·随堂检测全达标 1 2 3 C 1.(热力学第一定律和气体实验定律的综合问题)飘在空气中的氢气球,在缓慢上升变大的过程中,不考虑气温的变化,以下说法正确的是(　　) A.外界对气体做功,同时向外界放出热量 B.气球内气体对外做功,同时向外界放出热量 C.气球内气体对外做功,同时从外界吸收热量 D.气球内气体压强增大 4 5 6 1 2 3 AD 2.(热力学第一定律与气体图像结合的问题)(多选)(2025辽宁鞍山高二期末)物质的量为n的理想单原子气体初始状态压强为2p0,体积为V0,对应图中的a点。现在这部分气体经过等压膨胀,体积变为2V0,对应图中的b点,气体在状态b经等温膨胀至状态c,压强变为p0,又经等压压缩至状态d,最后等温压缩回到状态a。已知理想气体的体积V、压强p和温度T满足方程pV=nRT;内能U满足关系U=nRT。其中R为常数,n为物质的量,根据以上信息可以判断(　　) A.气体在状态a时的内能为3p0V0 B.气体在状态b时温度为 C.由c到d的过程外界对气体做功为4p0V0 D.由c到d的过程气体向外界放热 4 5 6 1 2 3 3.(热力学第一定律和气体实验定律的综合问题)(2025安徽卷)在恒温容器内的水中,让一个导热良好的气球缓慢上升。若气球无漏气,球内气体(可视为理想气体)温度不变,则气球上升过程中,球内气体(　　) A.对外做功,内能不变 B.向外放热,内能减少 C.分子的平均动能变小 D.吸收的热量等于内能的增加量 A 4 5 6 1 2 3 4.(热力学第一定律和气体实验定律的综合问题)(2025福建卷)如图所示,洗衣机水箱旁的管道内存有一定质量空气(视为理想气体),空气柱长度为L1,压强为p1,水位下降后,空气柱内压强为p2,则空气柱长度L2=　　　　　,该过程中内部气体对外界　　　 　(选填“做正功”“做负功”或“不做功”)。(设温度不变)  做正功 4 5 6 1 2 3 5.(热力学第一定律与气体图像结合的问题)(2025陕晋青宁卷)某种卡车轮胎的标准胎压范围为 2.8×105~3.5×105 Pa。卡车行驶过程中,一般胎内气体的温度会升高,体积及压强也会增大。若某一行驶过程中胎内气体压强p随体积V线性变化如图所示,温度T1为300 K时,体积V1和压强p1分别为0.528 m3、3.0×105 Pa;当胎内气体温度升高到T2为350 K时,体积增大到V2=0.560 m3,胎内气体可视为理想气体。 (1)求此时胎内气体的压强p2; (2)若该过程中胎内气体吸收的热量Q为7.608×104 J, 求胎内气体的内能增加量ΔU。 4 5 6 1 2 3 答案 (1)3.3×105 Pa　(2)6.6×104 J 解析 (1)由理想气体状态方程有,解得p2=3.3×105 Pa。 (2)p-V图像面积表示外界对气体所做的功,由于该过程气体膨胀 外界对气体做的功W=-(V2-V1)=-1.008×104 J 由热力学第一定律有ΔU=W+Q=-1.008×104+7.608×104 J=6.6×104 J。 4 5 6 1 2 3 6.(热力学第一定律和气体实验定律的综合问题)(2024广东高二开学考试)图甲所示的空气炸锅是一种新型的烹饪工具,图乙为某型号空气炸锅的简化模型图,空气炸锅中有一气密性良好的内胆,内胆内的气体可视为质量不变的理想气体,已知内胆内初始气体压强为p0=1.0×105 Pa,温度为T0=300 K,现启动加热模式使气体温度升高到T=450 K,此过程中气体吸收的热量为Q=8.0×103 J,内胆中气体的体积不变,求: (1)此时内胆中气体的压强p; (2)此过程内胆中气体的内能增加量ΔU。 4 5 6 1 2 3 答案 (1)1.5×105 Pa　(2)8.0×103 J 解析 (1)根据题意可知,气体体积不变,气体为等容变化,根据查理定律可得 解得p=1.5×105 Pa。 (2)根据热力学第一定律有ΔU=W+Q 由于气体的体积不变,所以W=0 又因Q=8.0×103 J 所以ΔU=8.0×103 J。 4 5 6 本 课 结 束 变化,有 D.W2=W1 W1=V0=p0V0,气体从状态b变化到状态c的过程中W2=V0=p0V0,因此W2=W1,故B错误,符合题意,D正确,不符合题意; 解析 对处于平衡状态的活塞进行受力分析,受到大气压力、重力和气体向上的压力,则有mg+p0S-p1S=0,解得p1=+p0,故A错误;活塞缓慢上升过程中气体压强不变,根据盖-吕萨克定律有,解得T=2T0,故B正确;气体对外做功W=p1SL=mgL+p0SL,根据热力学第一定律有ΔU=Q-mgL-p0SL,故D正确,C错误。 $