2024年人教版高中物理选择性必修第三册习题课二气体实验定律和热力学定律的综合应用.docxVIP

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习题课二气体实验定律和热力学定律的综合应用

合作探究——提升素养

一由图像分析气体内能问题

【核心归纳】

1.气体的状态变化可由图像直接判断或结合理想气体状态方程pVT=C

2.气体的做功情况、内能变化及吸、放热关系可由热力学第一定律分析。

(1)由体积变化分析气体做功的情况:体积膨胀,气体对外做功;气体被压缩,外界对气体做功。

(2)由温度变化判断气体内能变化:温度升高,气体内能增大;温度降低,气体内能减小。

(3)由热力学第一定律ΔU=W+Q判断气体是吸热还是放热。

(4)在p-V图像中,图像与横轴所围面积表示对外或外界对气体整个过程中所做的功。

【典题例析】

【典例1】一定质量的理想气体,当它发生如图所示的状态变化时,哪一个状态变化过程中,气体吸收的热量全部用来对外界做功()

A.由A至B状态变化过程

B.由B至C状态变化过程

C.由C至D状态变化过程

D.由D至A状态变化过程

【解题探究】(1)气体吸收的热量全部用来对外界做功的条件是什么?

提示:内能不变。

(2)什么情况下,气体对外界做功?

提示:体积增大。

【解析】选D。由A到B过程气体发生等容变化,体积不变而温度升高,气体内能增加,外界对气体不做功,气体从外界吸收热量,故A错误;由B到C过程气体发生等温变化,温度不变而体积减小,气体内能不变,外界对气体做功,由热力学第一定律可知,气体放出热量,气体放出的热量等于外界对气体做的功,故B错误;由C到D过程气体发生等容变化,体积不变而温度降低,外界对气体不做功,气体内能减少,气体对外放出热量,内能的减少量等于气体放出的热量,故C错误;由D到A过程气体发生等温变化,气体温度不变而体积增大,气体内能不变,气体对外界做功,由热力学第一定律可知,气体要从外界吸收热量,吸收的热量等于气体对外界做的功,故D正确。故选D。

【变式训练】(多选)如图所示,一定质量的理想气体在状态A时压强为1.5×105Pa,经历A→B→C→A的过程,已知B→C过程中气体做功绝对值是C→A过程中气体做功绝对值的3倍,下列说法中正确的是()

A.C→A的过程中外界对气体做功300J

B.B→C的过程中气体对外界做功600J

C.整个过程中气体从外界吸收600J的热量

D.整个过程中气体从外界吸收450J的热量

【解析】选A、C。在C→A过程中,气体体积减小,外界对气体做功,根据WCA=p·ΔV,得WCA=300J,A正确;由题知B→C过程中气体做功绝对值是C→A过程中气体做功绝对值的3倍,则B→C的过程中气体对外界做功900J,B错误;A→B→C→A,温度不变,则内能变化量ΔU=0,A→B过程,气体体积不变,做功为零;B→C的过程中气体对外界做功900J;C→A的过程中外界对气体做功300J,故W=WCA+WBC=-600J,Q=ΔU-W=600J,则整个过程中气体从外界吸收600J的热量,C正确,D错误。

二汽缸中理想气体内能变化

【核心归纳】

汽缸问题分析方法

(1)首先判断封闭在汽缸中的气体是等温变化还是等压变化。

(2)如果是等温变化,活塞和汽缸导热性能良好;若活塞和汽缸是绝热的,说明系统隔绝热传递,汽缸中的气体不进行吸、放热过程。

(3)对于理想气体来说,温度和内能成正比。体积增大,气体对外做功;体积减小,外界对气体做功。气体是吸热还是放热可以结合热力学第一定律来判断。

【典题例析】

【典例2】如图所示,横截面积S=10cm2的活塞,将一定质量的理想气体封闭在竖直放置的圆柱形导热汽缸内,开始活塞与汽缸底部距离H=30cm。在活塞上放一重物,待整个系统稳定后。测得活塞与汽缸底部距离变为h=25cm。已知外界大气压强始终为p0=1×105Pa,不计活塞质量及其与汽缸之间的摩擦,取g=10m/s2。求:

(1)所放重物的质量;

(2)在此过程中被封闭气体与外界交换的热量。

[思维导引]

【解析】(1)封闭气体发生等温变化

气体初状态的压强为p1=p0=1×105Pa①

气体末状态的压强为p2=p0+mgS

根据玻意耳定律得p1HS=p2hS ③

联立①②③式,解得m=2kg。

(2)外界对气体做功W=(p0S+mg)(H-h) ④

根据热力学第一定律知ΔU=Q+W=0 ⑤

联立④⑤式,解得Q=-6J,即放出6J热量。

答案:(1)2kg(2)放出6J热量

【变式训练】

如图所示,水平放置的汽缸内封闭一定质量的理想气体,活塞的质量m=10kg,横截面积S=100cm2,活塞可沿汽缸壁无摩擦滑动且不漏气,活塞到汽缸底部的距离L1=11cm,到汽缸口的距离L2=4cm。现将汽缸缓慢地转到开口向上的竖直位置,待稳定后对缸内气体逐渐加热,使活塞上表面刚好与汽缸口