微专题3 热力学第一定律和气体实验定律的综合应用-【创新大课堂系列】2025-2026学年高中物理选择性必修第三册同步辅导与测试(人教版)

第三章 热力学定律 3.至今为止，第一类永动机从来没有成功过，其原：5.如图所示，粗细均匀的玻 A 因是 )· 璃管，长为L、内横截面积 A.机械制造的技术没有过关 为S,将其固定在水平面 B.违反了牛顿运动定律 上并保持平衡状态，A端封闭，B端开口，在B端 C.违反了电荷守恒定律 用厚度不计的轻质活塞进行封闭，用力推活塞缓 D.违反了能量守恒定律 慢向里移动x时停止，该过程推力对活塞做功为 4.(2022·山东等级考)如图所示，内壁光滑的绝热： WF.设整个过程管内气体温度不变，管内气体视 汽缸内用绝热活塞封闭一定质量的理想气体，初： 为理想气体，活塞与玻璃管壁间的摩擦不计，外 始时汽缸开口向上放置，活塞处于静止状态，将 界大气压强为p0.求： 汽缸缓慢转动90过程中，缸内气体 ( (1)活塞移动x时，管内气体压强pz; (2)活塞移动x过程，气体与外界传递的热量Q。 ummmmmimmmmmmam A.内能增加，外界对气体做正功 B.内能减小，所有分子热运动速率都减小 C.温度降低，速率大的分子数占总分子数比例 减少 D.温度升高，速率大的分子数占总分子数比例 增加 温馨提示 请做课时分层检测（十二） 微专题3热力学第一定律和气体实验定律的综合应用 关键能力·合作探究 讲练设计探究重，点 类型1热力学第一定律和热学图像的结合 (3)与外界绝热，则不发生传热，此时Q=0: 探究归纳 (4)如果研究对象是理想气体，则由于理想气体 1.应用气体状态变化图像时要注意以下两点 没有分子势能，所以气体内能的变化主要体现在 (1)点、线的物理意义：求解气体状态变化的图像 分子动能的变化上，从宏观上看就是温度的 问题，应当明确图像上的点表示一定质量的理想 变化。 气体的一个平衡状态，它对应着三个状态参量； [典例1]在如图甲所示的密闭汽缸内装有一定质 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。 量的理想气体，图乙是它从状态A变化到状态 (2)斜率的物理意义：在V-T图像（或-T图 B的V-T图像。己知图线AB的反向延长线 像)中，比较两个状态的压强（或体积）大小，可以 通过坐标原点，气体在A点的压强为p=1.0× 通过比较这两个状态到原点连线的斜率的大小，： 105Pa,在从状态A变化到状态B的过程中，气 判断两个状态的压强（或体积）的大小。 体吸收的热量Q=6.0×10J,求： 2.判定物体内能变化的方法 ↑V/(×10-3m) (1)内能的变化都要利用热力学第一定律进行综 B B A 合分析： 6.0 (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： 3.04.0T1(×102K) 甲 乙 体做功，W为正； 63 物理·选择性必修第三册 (1)气体在状态B的体积VB; 针对训练 (2)此过程中气体内能的增量△U。 [听课记录] 1.一定质量理想气体状态变化 的图像如图所示，处于a状态 的气体，经过程1到达b状 态，也可经过程2到达c状 态，其中ac的延长线过坐标 0 原点，ab和bc分别与T轴和V轴平行。气体在 状态b和状态c的压强分别为p6和p。,在过程1 和2中放出的热量分别为Q和Qc,则（) A.p>Pc,Qab>Qao B.Ph-Pc:Qab<Qac C.Pb<Pc:Qab>Qac D.pp<pc,Qah<Qa 类型2热力学第一定律和气体实验定律的结合 对于底部的高度h=1.2m,室温等于27℃；现将汽 探究归纳 缸置于77℃的热水中，己知大气压强0=1.0× 1.利用体积的变化分析做功问题，气体体积增大，： 105Pa,g取10m/s2。 气体对外界做功，气体体积减小，外界对气体 (1)求平衡时活塞离汽缸底部的距离； 做功。 (2)此过程中内部气体吸收热量28.8J,求气体 2.利用温度的变化分析理想气体内能的变化，一定 内能的变化量。 质量的理想气体的内能仅与温度有关，温度升 [听课记录] 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△U=Q十W,得Q=△U-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。 4.解决热力学定律与气体实验定律的综合问题的 思路 确定研究 定质量的气体 对象 汽缸、活塞、液柱等 初态：P1、Y、T 气体实验 状态参量 末态：P2、V2、T 定律 初、末态之间发生的变化 两类分析 做功情况 热力学定律 吸、放热情况 内能变化情况 选用规律 气体的三个实验定律、理想气体状 列方程求解 态方程、热力学第一定律 [典例2]如图所示，一定质量的理想 气体被活塞封闭在可导热的汽缸 内，活塞可沿汽缸无摩擦地滑动。 活塞面积S=1.0×103m2,质量 m=2kg,汽缸竖直放置时，活塞相 64 第三章热力学定律 空气温度为27℃，大气压为1.0×105Pa,不计 针对训练 充气过程的漏气和气球内原有气体，下列说法正 2.(多选)在某中学春季运动会上释放的气球是充： 确的是 有氦气的可降解气球。释放前工作人员用容积： A.用一个氦气罐可以充出500个符合要求的气球 为30L、压强为1.0×107Pa的氦气罐给气球充 B.用氦气罐给气球充气过程中，氦气从外界吸收 气（充气过程温度不变），要求充气后气球体积为 热量 6L、压强为1.0×105Pa;气球释放后飘向高空， C.当气球发生爆裂时，气球离地面的高度为 当气球体积膨胀到9L时就会爆裂落回地面。 3448m 已知高度每升高1000m,大气温度下降6℃，高 D.要降低气球发生爆裂时的高度，在地面充气时 度每升高1m,大气压减小11Pa,庆祝现场地面： 可使充气后的气球体积适当减小 素养演练·提升技能 达标训练素养提高 1.一定质量的理想气体从状态a变化到状态b,其： A.初始时，气体压强1=o 体积V和热力学温度T变化图像如图所示，此： B.停止加热时，气体的温度T=2To 过程中该系统 ( C.该过程中，气体内能增加量△U=Q-mgL V D.该过程中，气体内能增加量△U=Q一poSL 4.绝热汽缸倒扣在水平地面上 (汽缸侧壁有一小口)，缸内装 有一电热丝，缸内有一光滑的 T 绝热活塞，封闭一定质量的理 A.对外界做正功 B.压强保持不变 想气体，活塞下吊着一重力为 C.向外界放热 D.内能减少 G的重物，活塞重力为G0,活 4447444 2.如图所示是一定质量的理想气体从状态A经状： 塞的截面积为S,开始时封闭气柱的高为h,气体 态B至状态C的力-图线，则在此过程中 的温度为T1,大气压强为0。现给电热丝缓慢 加热，若气体吸收热量Q时，活塞下降了，问： (1)气体的温度升高多少？ (2)气体的内能增加多少？ ·C B A 1 A.气体的内能改变 B.气体的体积增大 C.气体向外界放热 D.气体对外界做功 3.一定质量的理想气体被质量为 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T。现接 通电热丝给气体缓慢加热，活塞 电热丝 缓慢向上移动距离L后停止加 热，整个过程中，活塞与汽缸摩擦 忽略不计，气体吸收的热量为Q,大气压强为0， 重力加速度为g。则 ) 温馨提示 请做课时分层检测（十三） 65PoL 联立方程解得力一一工 ;由ABC,亡在增大，则体积V在变小，故外界对气体微功，W> (2)在整个过程中，外界对气体做功W=xS十WF,气体温度不变 0,B、D错误；由热力学第一定律△U=Q十W可知Q0,故气体向 △U=0,由热力学第一定律有△U=W十Q,联立方程解得Q= 外界放热，C正确。 (PoxS+WF) 答案C :3.解析对处于平衡快态的活塞进行受力分析，受到大气压力、重力 答案片 (2)-(poxS+WE) 和气体向上的压力，则有mg十pS-p1S=0,解得p1="十p,故 微专题3热力学第一定律和气体实验定律的 A错误：活塞缓慢上升过程中气体压强不变，根据盖一吕萨克定律 综合应用 有三二，解得T=2T,故B正确，气体对外做功W三1SL月 关键能力·合作探究 类型1 mgL十p,SL,根据热力学第一定律△U=Q-mgL-pSL,故C、D [典例1]解析(1)由V一T图像中图线AB的反向延长线通过坐： 错误。 标原点，可知从A到B理想气体发生等压变化。 答案B V B 4.解析 (1)活塞下降的过程，气体发生的是等压膨胀。 由盖一吕萨克定律得T 解得VB一TA 4.0×102 VA=3.0×102×6.0×103m=8.0×10-m。 (2)从A到B气体对外界做功，则 即气空未得1=21 W=-p(VB-V4)=-1.0×105×(8.0×10-3-6.0×10-3)J= 气体的温度升高了△T=T2一T1=T1。 -2.0×102J 根据热力学第一定律△U=Q十W (②)汽缸内气体的压强为力=p。G十C 解得△U=6.0×102J-2.0×10J 活塞向下运动的过程中，对外做功 =4.0×102J=400J。 W=pSh=po Sh-(G+Go)h 答案(1)8.0×10-3m3(2)400J 根据热力学第一定律可知，气体的内能增加量为△U=Q一W=Q十 针对训练 (G+十Go)h-pSh=Q-(poS-G-Go)h。 1解析报据一定质量理想气体的状态方程'=C可知原点与图像 答案(1)T1(2)Q-(oS-G-G0)h 4 热力学第二定律 某点连线的斜率代表压强的倒数，所以6<卫：过程]属于等容变·必备知识·自主梳理 化，W=0,根据热力学第一定律可知气体放出的热量等于内能减少 、特定自发不可逆 王1「行口正·z王「世巴亚g亚的·工二，￥胜9甲彩通与、「华的中G孝碧 于内能减少量，过程1、2内能减少量相同，所以Q<Q,故D 、1.升温做功2.(1)储能物质(2)品质 正确。 :自主评价 答案D 11.(1)×,(2)×(3)/ 类型2 :2提示：不能。“自发地”是指没有第三者影响，例如空调、冰箱等制冷 [典例2]解析(1)设平衡时活塞距汽缸底部的距离为2，取封闭！ 机就是把热量从低温物体传到了高温物体，但是产生了其他影响， 即外界做了功。 气体为研究对象，气体发生等压变化，由盖一吕萨克定律有气=关键能力·合作探究 ·要点1 h2S To ,解得h2=1.4mo ·探究导入提示：不会降低室内的平均温度。若将一台正在工作的电 (2)在此过程中气体对外界做的功 冰箱的门打开，尽管可以不断向室内释放冷气，但同时冰箱的箱体 向室内散热，就整个房间来说，由于外界通过导线不断有能昼输入， w=p△V=pSh2-h1)其中b="竖+p 室内的乎均温度会不断升高。 ![典例1]解析热力学第一定律适用于所有的热学过程，C正确： 由热力学第一定律有△U=Q一W 热力学第二定律可知，A、D错误，B正确。 联立解得△U=4.8J。 ! 答案BC 答案(1)1.4m(2)4.8J 针对训练 针对训练 :1.解析在一与外界绝热的房间内，将一台正在工作的电冰箱的门打 2,解析全部充气完毕，罐内气体压强也变为®，设充出的气体总体 开，消耗了电能，产生了焦耳热，所以房间温度不仅不能降低还会升 积为V,则根据理想气体状态变化规律pV1一pV 高，故A不可能发生：蒸汽机不可能把蒸汽的内能全部转化为机械 将p1=1.0×10Pa,V1=30L,po=1.0×105Pa,代入可解得V= 能，转化过程中必然存在能量耗散，故B不可能发生： ·个在粗糙的 3000L 水平地面上运动的物体最终要停下来，物体的动能全部转化为内 设总共充气n个符合要求的气体，则V=V1十nVo,V。=6L 能，C可能发生：在热传导中，热量可以自发地从高温物体传向低温 代入可得n一495，故A错误：对充入气球内的氦气，从氦气罐内到！ 物体，D可能发生。 气球内的过程，体积增大，对外做功，不计温度变化，将气视为理 答案AB 想气体，则内能不变，根据热力学第一定律△U三Q十W,△U二0，W!要点2 为负位，则Q为正值，气体吸热，故B正确；当气球发生爆裂时，气球探究导入提示：(1)热机从高温热库吸收热量，推动活塞做功，然后 体积膨胀到9L,设此时气球离地面高度为h,则爆裂时气体的压强 向低温热库放出热量。 6h (2)汽车发动机工作时低温热库就是汽缸外界空间中的大气。 和温度分别是2=p,-11h,T2=T0一1000 (3)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 代入理想气体状态方程0V=V2 引起其他变化，进一步揭示了任何宏观自然过程都具有方向性，告 T。T, 诚人们：第二类永动机不可能制成。 解得h=3448m,故C正确；由C中分析可以推导出h与V。的函数！[典例2] 解析 发电站的发电效率约为90%×40%×99% 105 关系式为h= 9一，可见，V。越小，h越大，D错误。 35,64%,A错误：提高输送电压并不能提高发电站的发电效率， B错误：1kg标准煤完全燃烧能输送到用户端的电能约为2.93× 10J×35.64%×90%≈9.4×105J,C正确：由于1kW·h=3.6× 答案BC 3.6X10】≈0.38kg,用户瑞消耗1kW·h的电能，发电 10Jg.4×10J/kg 素养演练·提升技能 站需要烧约0.38kg的标准煤，D错误 1,解析根据图像可知，气体的体积变大，说明气体对外界做正功，故！ 答案C 据一定质量的理想气体公式丁=C方结合图像可知，图！2解析开尔文表迷没有排除热受可以完金转化为功， 线的斜率表示压强的倒数，从状态变化到状态b的过程中，斜率不 其他影响，A错误：开尔文表述指出，热机不可能只有单一热库，但 断减小，压强不断变大，故B错误：根据图像可知，气体的体积变大， Q1一Q2 说明气体对外界做功，而因为温度升高，理想气体不考虑分子势能，· 未必就是两个热库，可以具有两个以上热库，B错误：由7= Q 则气体的内能增大，根据热力学第一定律△U=Q十W可知，这个过} 可知，当Q2≠0时，≠1，如果Q2=0,则低温热库不存在，违背了开 程中Q>0,即此过程中气体从外界吸热，故C、D错误。 尔文表述，故C错误，D正确。 答案A 答案 D 2.解析由题图知图线斜率飞=pV,而斜率不变，说明pV不变，根据！3.解析第一类求动机违背了能量守恒定律，第二类求动机违背了热 理想气体状态方程Ψ =C可知，气体温度不变，内能不变，A错误； 力学第二定律，故选项A正确，B错误：热力学第一定律与热力学第 二定律相铺相成，互相独立，选项C正确：热力学第二定律的两种表 212