(共32张PPT)
第3章
第1节 热力学第一定律
课标要求
1.知道热力学第一定律,会利用热力学第一定律进行分析和计算。(物理观念)
2.了解热力学第一定律的发现过程。(物理观念)
3.知道第一类永动机及其不可能制成的原因。(物理观念)
基础落实·必备知识全过关
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
基础落实·必备知识全过关
一、功、热量与内能
1.功和内能的关系:如果一个物体既不吸热也不放热,那么当外界对它做功时,物体内能 ,且增加量等于外界做的功;当物体对外界做功时,物体内能 ,且减少量等于物体做的功。
2.热量和内能的关系:如果一个物体既不对外界做功,外界也不对它做功,当物体从外界 时,物体的内能增加,其增加量等于吸收的热量;当物体向外 时,物体内能减少,其减少量等于放出的热量。
3.热力学第一定律:如果物体和外界之间同时存在做功和热传递的过程,那么物体内能的改变量ΔU等于外界对物体所做的功W和物体从外界吸收的热量Q之和,公式为 。
增加
减少
吸热
放热
ΔU=Q+W
二、第一类永动机
1.第一类永动机:有人幻想设计一种不消耗任何 而能永远对外做功的机器,这类机器通常被称为第一类永动机。
2.第一类永动机是 实现的。
能量
不可能
易错辨析 判一判
(1)做功和热传递都可改变物体的内能,从效果上是等效的。( )
(2)外界对系统做功,系统的内能不一定增加。( )
(3)系统内能增加,一定是系统从外界吸收了热量。( )
(4)系统内能减少,一定是系统对外界做了功。( )
提示 系统内能增加,可能是系统从外界吸收了热量,也可能是外界对系统做了功。
提示 系统内能减少,可能是系统对外界做了功,也可能是系统向外界放热。
√
√
×
×
即学即用 练一练
下列关于做功和传热的说法正确的是( )
A.做功和传热的实质是相同的
B.做功和传热在改变物体内能上是等效的
C.做功和传热是对同一过程中的两种说法
D.做功和传热是不可能同时发生的
B
解析 做功和传热在改变物体内能上是等效的,但本质不同,做功是将其他形式的能量转化为内能或将内能转化为其他形式的能量,传热是内能的转移,且做功和传热可以同时进行,故B选项正确。
重难探究·能力素养全提升
探究一 热力学第一定律
情境探究
打气筒是日常生活中的一种工具,当我们用打气筒给自行车打气时,就是在克服气体压力和摩擦力做功。
打气的过程中,你有没有试着去摸一下打气筒的外壳
有什么感觉 这是怎么回事呢
要点提示 做功的过程是能量转化的过程,做功使得系统的内能增加了,所以温度升高。
知识归纳
1.对公式ΔU=Q+W符号的规定
符号 W Q ΔU
+ 外界对物体做功 物体吸收热量 内能增加
- 物体对外界做功 物体放出热量 内能减少
2.几种特殊情况
(1)绝热过程:Q=0,则ΔU=W,物体内能的增加量等于外界对物体做的功。
(2)等容过程:W=0,则ΔU=Q,物体内能的增加量等于物体从外界吸收的热量。
(3)等温过程:初、末状态物体的内能不变,即ΔU=0,则W=-Q(或Q=-W),外界对物体做的功等于物体放出的热量(或物体吸收的热量等于物体对外界做的功)。
3.判断是否做功的方法
(1)一般若物体体积增大,则表明物体对外界做功,W<0。
(2)一般若物体体积减小,则表明外界对物体做功,W>0。
4.对热力学第一定律的进一步理解
(1)热力学第一定律不仅反映了做功和传热这两种改变内能的方法是等效的,而且给出了内能的变化量与做功和传热之间的定量关系。此定律表达式是标量式,应用时各量的单位应统一为国际单位制中的焦耳。
(2)热力学第一定律是将单纯的绝热过程和单纯的传热过程中内能改变的定量表达推广到一般情况,既有做功又有传热的过程,其中ΔU表示内能改变的数量,W表示做功的数量,Q表示外界与物体间传热的数量。
应用体验
典例1 空气压缩机在一次压缩中,活塞对空气做了2×105 J的功,同时空气的内能增加了1.5×105 J,这一过程中空气向外界传递的热量是多少
答案 5×104 J
解析 选择被压缩的空气为研究对象,根据热力学第一定律有ΔU=W+Q。
由题意可知W=2×105 J,ΔU=1.5×105 J,代入上式得Q=ΔU-W=(1.5×105-2×105)J=-5×104 J。
负号表示空气向外释放热量,即空气向外界传递的热量为5×104 J。
针对训练1
一定量的气体在某一过程中,外界对气体做了8×104 J的功,气体的内能减少了1.2×105 J,则下列各式中正确的是( )
A.W=8×104 J,ΔU=1.2×105 J,Q=4×104 J
B.W=8×104 J,ΔU=-1.2×105 J,Q=-2×105 J
C.W=-8×104 J,ΔU=1.2×105 J,Q=2×104 J
D.W=-8×104 J,ΔU=-1.2×105 J,Q=-4×104 J
B
解析 因为外界对气体做功,W取正值,即W=8×104 J;内能减少,ΔU取负值,即ΔU=-1.2×105 J;根据热力学第一定律ΔU=W+Q,可知Q=ΔU-W=
(-1.2×105-8×104)J=-2×105 J,B选项正确。
探究二 第一类永动机
情境探究
有一种所谓“全自动”的机械手表,既不需要上发条,也不用任何电源,却能不停地走下去。
这是不是一种永动机 如果不是,维持表针走动的能量是从哪里来的
要点提示 这不是永动机。手表戴在手腕上,通过手臂的运动,机械手表获得能量,供手表指针走动。若将此手表长时间放置不动,它就会停下来。
知识归纳
第一类永动机是不可能实现的,第一类永动机本质上都是认为能量能无中生有地创造出来,违背了热力学第一定律,因而是不可能实现的。
如果没有外界供给热量而对外做功,由ΔU=W+Q知,系统内能将减小。若想源源不断地做功,在无外界能量供给的情况下是不可能的。
应用体验
典例2 如图所示,一演示用的“永动机”转轮由5根轻杆和转轴构成,轻杆的末端装有用形状记忆合金制成的叶片。轻推转轮后,进入热水的叶片因伸展而“划水”,推动转轮转动。离开热水后,叶片形状迅速恢复,转轮因此能转动较长时间,下列说法正确的是( )
A.转轮依靠自身惯性转动,不需要消耗外界能量
B.转轮转动所需的能量来自形状记忆合金自身
C.转动的叶片不断搅动热水,水温升高
D.叶片在热水中吸收的热量一定大于在空气中释放的热量
D
解析 形状记忆合金进入水中后受热,形状发生改变而搅动热水,能量来源于热水,热水温度会降低,故A、B、C错误;由能量守恒知,叶片吸收的能量一部分转化成叶片的动能,一部分释放于空气中,故D正确。
针对训练2
(多选)下列关于第一类永动机的说法正确的是( )
A.第一类永动机是不消耗任何能量却能源源不断对外做功的机器
B.第一类永动机可以制成
C.第一类永动机不可能制成的原因是技术问题
D.第一类永动机不可能制成的原因是违背了热力学第一定律
AD
解析 第一类永动机是不消耗任何能量却能源源不断对外做功的机器,这是人们的美好愿望,但它违背了热力学第一定律,这也是它不可能制成的原因。故A、D正确,B、C错误。
探究三 热力学第一定律和气体实验定律的综合应用
情境探究
如图所示,一定质量的理想气体由a状态变化到b状态,请在图像基础上思考以下问题:
(1)在变化过程中是气体对外界做功还是外界对气体
做功
要点提示 由a状态变化到b状态,气体体积变大,因此气体对外界做功,即W<0。
(2)在变化过程中气体吸热,还是向外放热 气体内能增加了还是减少了
要点提示 由p-V图像知从a状态变化到b状态,温度升高,故ΔU>0。由ΔU=W+Q得Q>0,即气体吸热,内能增加。
知识归纳
热力学第一定律与气体实验定律的结合点是气体的体积和温度,常见的分析思路如下:
(1)利用体积的变化分析做功问题。气体体积增大,气体对外界做功;气体体积减小,外界对气体做功。
(2)利用温度的变化分析理想气体内能的变化。一定质量的理想气体的内能仅与温度有关,温度升高,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ΔU=W+Q,得Q=ΔU-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是吸热过程还是放热过程。
应用体验
典例3 如图所示,倒悬的导热气缸中封闭着一定质量的理想气体,轻质活塞可无摩擦地上下移动,活塞的横截面积为S,活塞的下面吊着一个重为G的物体,大气压强恒为p0,起初环境的热力学温度为T0时,活塞到气缸底面的距离为L。当环境温度逐渐升高时,活塞缓慢下降,该过程中活塞下降了0.1L,气缸中的气体吸收的热量为Q。求:
(1)气缸内气体内能的增量ΔU;
(2)最终的环境温度T。
答案 (1)Q-0.1p0SL+0.1LG (2)1.1T0
解析 (1)密封气体的压强p=p0-
密封气体对外做功大小W=pS×0.1L
由热力学第一定律得
ΔU=W+Q=Q-0.1p0SL+0.1LG
(2)该过程是等压变化,由盖—吕萨克定律有
针对训练3
(多选)一定质量的理想气体从状态A经过状态B变化到状态C,其V-T图像如图所示。下列说法正确的有( )
A.A→B的过程中,气体对外界做功
B.A→B的过程中,气体放出热量
C.B→C的过程中,气体压强不变
D.A→B→C的过程中,气体内能增加
BC
解析 A→B的过程中,气体做等温变化,体积变小,外界对气体做功,由ΔU=W+Q知气体放出热量,A项错误,B项正确;B→C的过程中,为等压变化,气体压强不变,C项正确;A→B→C的过程中,气体温度降低,气体内能减少,D项错误。
学以致用·随堂检测全达标
1
2
3
1.(多选)在下述各种现象中,不是由做功引起系统温度变化的是( )
A.在阳光照射下,水的温度升高
B.用铁锤不断锤打铅块,铅块温度会升高
C.在炉火上烧水,水的温度升高
D.电视机工作一段时间,其内部元件温度升高
AC
解析 阳光照射下水温升高是热辐射使水的温度升高,在炉火上烧水是热传递使水的温度升高,用铁锤锤打铅块的过程,是做功的过程,铅块温度升高,是由于外界做功引起的,电视机工作时,电流通过各元件,电流做功使其温度升高。可见A、C不是由做功引起温度变化的,故选A、C。
1
2
3
2.如图所示,一密闭的气缸静置在水平地面上,外力推动活塞P压缩一定质量的理想气体,对缸内气体做功800 J,同时气体向外界放热200 J,则缸内气体的( )
A.温度升高,内能增加600 J
B.温度升高,内能减少200 J
C.温度降低,内能增加600 J
D.温度降低,内能减少200 J
A
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2
3
解析 对一定质量的气体,由热力学第一定律ΔU=W+Q可知,
ΔU=[800+(-200)]J=600 J,ΔU为正,表示内能增加了600 J,内能增加,气体分子的平均动能增加,温度升高,选项A正确。
1
2
3
3.(多选)一定质量的理想气体状态变化时气体的压强随着温度变化的p-t关系图像如图所示,气体从a状态开始,经历三个过程ab、bc、ca最后回到a状态,图中ba的延长线过原点O,bc平行于t轴,ca的延长线过点(-273.15,0)。下列说法正确的是( )
A.三个状态的体积关系为Va=Vc>Vb
B.过程bc中外界对气体做功,气体从外界吸热
C.过程ab中气体对外界不做功,气体从外界吸热
D.b状态与c状态相比,b状态时容器壁单位面积单位时间内受到气体分子撞击的次数较多
AD
1
2
3
解析 根据 =C,Vc>Vb,ca的延长线过点(-273.15,0),则Va=Vc,所以Va=Vc>Vb,故A正确;过程bc中气体体积增大,气体对外界做功,即W<0,温度升高,内能增大,即ΔU>0,根据ΔU=W+Q,则Q>0,即气体从外界吸热,故B错误;过程ab中气体体积减小,气体对外界做负功,故C错误;b和c两个状态,压强相同,但c状态时气体温度较高,即c状态分子运动的平均速率较大,分子对容器壁的平均撞击力较大,可判断b状态时单位时间内单位面积容器壁受到分子撞击的次数较多,故D正确。第1节 热力学第一定律
A级 必备知识基础练
1.(多选)下列关于系统的内能的说法正确的是( )
A.系统的内能是由系统的状态决定的
B.分子动理论中引入的系统内能和热力学中引入的系统内能是一致的
C.做功可以改变系统的内能,但单纯地对系统传热不能改变系统的内能
D.气体在大气中做绝热膨胀时做了功,但气体的内能不变
2.(多选)下列实例属于做功来增加物体内能的是( )
A.铁棒放在炉子里被烧红
B.锯条锯木头时会发热
C.古时候的人钻木取火
D.冬天在阳光下取暖
3.(多选)如图所示为简易测温装置,玻璃管中一小段水银封闭了烧瓶内一定质量的气体,当温度升高时( )
A.瓶内气体的密度增大
B.瓶内气体分子的平均动能增加
C.外界对瓶内气体做正功
D.热传递使瓶内气体的内能增加
4.学校用如图所示的压缩式喷雾器对教室走廊等场所进行消杀工作。给储液罐打足气,打开开关就可以让药液喷撒出来。若罐内气体温度保持不变,随着药液的不断喷出,则罐内气体内能 (选填“不断增大”“不断减小”或“保持不变”),气体 (选填“吸收”或“放出”)热量。
5.(2023河南郑州高三期中)如图所示,一系统由状态a沿acb到达状态b的过程中,有350 J热量传入系统,而系统做功126 J。
(1)若沿adb到达状态b,系统做功42 J,则有多少热量传入系统
(2)若系统由状态b沿曲线ba返回状态a时,外界对系统做功为84 J,则系统是吸热还是放热 热量传递是多少
6.如图所示,导热材料制成的横截面积相等、长度均为45 cm的气缸A、B通过带有阀门的管道连接。初始时阀门关闭,厚度不计的光滑活塞C位于B内左侧,在A内充满压强pA=2.8×105 Pa的理想气体,B内充满压强pB=1.4×105 Pa的理想气体,忽略连接气缸的管道体积,室温不变,现打开阀门,则:
(1)求平衡后活塞向右移动的距离和B内气体的压强;
(2)自打开阀门到平衡,判断B内气体是吸热还是放热(简要说明理由)。
7.如图所示,在绝热气缸内,有一绝热活塞封闭一定质量的气体,开始时缸内气体温度为27 ℃,封闭气柱长为9 cm,活塞横截面积S=50 cm2。现通过气缸底部电热丝给气体加热一段时间,此过程中气体吸热22 J,稳定后气体温度变为127 ℃。已知大气压强等于1×105 Pa,活塞与气缸间无摩擦,不计活塞重力。求:
(1)加热后活塞到气缸底部的距离;
(2)此过程中气体内能的改变量。
B级 关键能力提升练
8.一定质量的理想气体,从某一状态开始,经过一系列变化后又回到开始的状态,用W1表示外界对气体做的功,W2表示气体对外界做的功,Q1表示气体吸收的热量,Q2表示气体放出的热量,则在整个过程中一定有( )
A.Q1-Q2=W2-W1
B.Q1=Q2
C.W1=W2
D.Q1>Q2
9.(多选)如图所示,用绝热活塞把绝热容器分隔成容积相同的两部分,先用销子把活塞锁住,将质量和温度都相同的理想气体氢气和氧气分别充入容器的两部分,然后提起销子,使活塞可以无摩擦地滑动,当活塞平衡时( )
A.氢气的温度不变 B.氢气的压强减小
C.氢气的体积增大 D.氧气的温度升高
10.(多选)用密封性好、充满气体的塑料袋包裹易碎品,如图所示,充气袋四周被挤压时,假设袋内气体与外界无热交换,则袋内气体( )
A.体积减小,内能增大
B.体积减小,压强减小
C.对外界做负功,内能增大
D.对外界做正功,压强减小
11.(多选)如图所示,在p-T图像中,一定质量的理想气体经历了从状态A到状态B再到状态C,最后回到状态A的过程,在该过程中,下列说法正确的是( )
A.从A到B过程中,气体对外做功
B.从B到C过程中,气体放出热量
C.从C到A过程中,气体分子密度减小
D.从A到B过程和从C到A过程,气体做功的绝对值相等
12.如图所示,一定质量的理想气体从状态A经绝热过程到达状态B,再经等容过程到达状态C,此过程的p-V图像如图所示,图中虚线为等温线。在B→C的过程中,气体吸收热量为12 J。
(1)试比较气体在A和B状态的内能EA、EB的大小;
(2)求气体从A→B过程中气体对外界做的功。
13.(2023浙江1月选考)某探究小组设计了一个报警装置,其原理如图所示。在竖直放置的圆柱形容器内用面积S=100 cm2、质量m=1 kg的活塞密封一定质量的理想气体,活塞能无摩擦滑动。开始时气体处于温度TA=300 K、活塞与容器底的距离h0=30 cm的状态A。环境温度升高时容器内气体被加热,活塞缓慢上升d=3 cm恰好到达容器内的卡口处,此时气体达到状态B。活塞保持不动,气体被继续加热至温度TC=363 K的状态C时触动报警器。从状态A到状态C的过程中气体内能增加了ΔU=158 J。取大气压p0=0.99×105 Pa,求气体:
(1)在状态B的温度;
(2)在状态C的压强;
(3)由状态A到状态C过程中从外界吸收的热量Q。
第1节 热力学第一定律
1.AB 系统的内能是一个只依赖于系统自身状态的物理量,所以是由系统的状态决定的,A正确。内能是由系统的状态决定的,所以分子动理论中引入的内能和热力学中引入的内能是一致的,B正确。做功和传热都可以改变系统的内能,C错误。气体做绝热膨胀时对外界做了功,又与外界没有发生热交换,所以系统的内能要减小,D错误。
2.BC A、D属于热传递,锯条锯木头与钻木取火时都是做功,从而使物体的内能增加。
3.BD 由题图可知,当温度升高时,烧瓶内气体的变化为等压膨胀,故瓶内气体的密度减小,气体分子的平均动能增加,瓶内气体对外做正功,选项B正确,A、C错误;由热力学第一定律ΔU=W+Q可知,瓶内气体内能增加是由于气体从外界吸收了热量,选项D正确。
4.答案 保持不变 吸收
解析 由于罐内气体温度保持不变,故内能保持不变;随着药液的不断喷出,气体的体积增大,气体对外做功,由于气体内能不变,根据热力学第一定律ΔU=W+Q可知,气体吸收热量。
5.答案 (1)266 J (2)放热 308 J
解析 (1)根据题意,由热力学第一定律可知,系统在状态b和状态a的内能差为ΔE=350J-126J=224J
若沿adb到达状态b,系统做功42J,由热力学第一定律有ΔU=Q+W
解得传入系统的热量为Q=224J+42J=266J。
(2)若系统由状态b沿曲线ba返回状态a时,内能减小224J,由热力学第一定律有ΔU=Q+W
解得Q=-308J
系统放热。
6.答案 (1)15 cm 2.1×105 Pa (2)放热,理由见解析
解析 (1)设平衡后活塞向右移动的距离为x,活塞向右移动达到稳定后,对A中气体,由玻意耳定律pALS=p(L+x)S
对B中气体,有pBLS=p(L-x)S
得x=15cm
p=2.1×105Pa。
(2)活塞C向右移动,对B内气体做功,而气体做等温变化,内能不变,由热力学第一定律可知B内气体放热。
7.答案 (1)12 cm (2)7 J
解析 (1)取封闭的气体为研究对象,开始时气体的体积为L1S
温度为T1=(273+27)K=300K
末状态的体积为L2S,温度为T2=(273+127)K=400K
气体做等压变化,则
解得L2=12cm。
(2)在该过程中,气体对活塞做功
W=p0S(L2-L1)
由热力学第一定律有ΔU=Q-W
解得ΔU=7J。
8.A 因为该气体从某一状态开始,经过一系列变化后又回到开始的状态,所以内能没有变化,ΔU=0。根据热力学第一定律可知W1-W2+Q1-Q2=ΔU=0,即Q1-Q2=W2-W1,故A正确。
9.BCD 氢气和氧气的质量虽然相同,但氢气的摩尔质量小,故氢气物质的量多,又因为初始状态下氢气和氧气体积和温度相同,所以氢气产生的压强大,当提起销子后,活塞将向氧气一方移动,这时氢气对活塞做功,又无热传递,由ΔU=W+Q可知,氢气内能减少,温度降低,对氧气而言,活塞对它做功,体积减小,由ΔU=W+Q,无热传递的情况下,氧气内能增加,温度升高。
10.AC 实际气体在温度不太低、压强不太大时可看作理想气体,充气袋被挤压,气体体积减小,外界对气体做正功,则W>0,即气体对外界做负功,由于袋内气体与外界无热交换,即Q=0,根据热力学第一定律ΔU=W+Q知,内能增大,选项A、C正确;根据理想气体状态方程=C可判断压强一定增大,选项B、D错误。
11.AB 根据=C可知,从A到B过程中,体积增大,因此气体对外做功,A正确;从B到C过程中,直线通过原点,故体积不变,而温度降低,气体内能减少,根据热力学第一定律可知气体放出热量,B正确;从C到A过程中,气体温度不变,压强增大,根据理想气体状态方程可知,气体体积减小,气体分子密度增大,C错误;从A到B过程和从C到A过程,气体体积变化相等,但两个过程气体压强的平均值不同,因此两个过程气体做功绝对值不相等,D错误。
12.答案 (1)EA>EB (2)12 J
解析 (1)A→B过程绝热,Q=0,体积V增大,对外做功,由ΔU=W+Q知内能减小,EA>EB。
(2)A→B→C过程中有ΔU=WAB+WBC+QAB+QBC
A、C温度相等,内能不变ΔU=0
A、B绝热过程QAB=0
B、C等容变化不做功WBC=0
在B→C的过程中,气体吸收热量为12J,即QBC=12J
故WAB=-12J
即从A→B过程中气体对外做功12J。
13.答案 (1)330 K
(2)1.1×105 Pa
(3)188 J
解析 (1)根据题意可知,气体由状态A变化到状态B的过程中,封闭气体的压强不变,则有
解得TB=TA=330K。
(2)从状态A到状态B的过程中,活塞缓慢上升,则pBS=p0S+mg
解得pB=1×105Pa
根据题意可知,气体由状态B变化到状态C的过程中,气体的体积不变,则有
解得pC=pB=1.1×105Pa。
(3)根据题意可知,从状态A到状态C的过程中气体对外做功为W0=pBSΔh=30J
由热力学第一定律有ΔU=W+Q
解得Q=ΔU+W0=188J。(共25张PPT)
第3章
第1节 热力学第一定律
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A 级 必备知识基础练
1.(多选)下列关于系统的内能的说法正确的是( )
A.系统的内能是由系统的状态决定的
B.分子动理论中引入的系统内能和热力学中引入的系统内能是一致的
C.做功可以改变系统的内能,但单纯地对系统传热不能改变系统的内能
D.气体在大气中做绝热膨胀时做了功,但气体的内能不变
AB
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解析 系统的内能是一个只依赖于系统自身状态的物理量,所以是由系统的状态决定的,A正确。内能是由系统的状态决定的,所以分子动理论中引入的内能和热力学中引入的内能是一致的,B正确。做功和传热都可以改变系统的内能,C错误。气体做绝热膨胀时对外界做了功,又与外界没有发生热交换,所以系统的内能要减小,D错误。
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2.(多选)下列实例属于做功来增加物体内能的是( )
A.铁棒放在炉子里被烧红
B.锯条锯木头时会发热
C.古时候的人钻木取火
D.冬天在阳光下取暖
BC
解析 A、D属于热传递,锯条锯木头与钻木取火时都是做功,从而使物体的内能增加。
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3.(多选)如图所示为简易测温装置,玻璃管中一小段水银封闭了烧瓶内一定质量的气体,当温度升高时( )
A.瓶内气体的密度增大
B.瓶内气体分子的平均动能增加
C.外界对瓶内气体做正功
D.热传递使瓶内气体的内能增加
BD
解析 由题图可知,当温度升高时,烧瓶内气体的变化为等压膨胀,故瓶内气体的密度减小,气体分子的平均动能增加,瓶内气体对外做正功,选项B正确,A、C错误;由热力学第一定律ΔU=W+Q可知,瓶内气体内能增加是由于气体从外界吸收了热量,选项D正确。
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4.学校用如图所示的压缩式喷雾器对教室走廊等场所进行消杀工作。给储液罐打足气,打开开关就可以让药液喷撒出来。若罐内气体温度保持不变,随着药液的不断喷出,则罐内气体内能 (选填“不断增大”“不断减小”或“保持不变”),气体 (选填“吸收”或“放出”)热量。
保持不变
吸收
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解析 由于罐内气体温度保持不变,故内能保持不变;随着药液的不断喷出,气体的体积增大,气体对外做功,由于气体内能不变,根据热力学第一定律ΔU=W+Q可知,气体吸收热量。
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5.(2023河南郑州高三期中)如图所示,一系统由状态a沿acb到达状态b的过程中,有350 J热量传入系统,而系统做功126 J。
(1)若沿adb到达状态b,系统做功42 J,则有多少热量传入系统
(2)若系统由状态b沿曲线ba返回状态a时,外界对系统做功为84 J,则系统是吸热还是放热 热量传递是多少
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答案 (1)266 J (2)放热 308 J
解析 (1)根据题意,由热力学第一定律可知,系统在状态b和状态a的内能差为ΔE=350 J-126 J=224 J
若沿adb到达状态b,系统做功42 J,由热力学第一定律有ΔU=Q+W
解得传入系统的热量为Q=224 J+42 J=266 J。
(2)若系统由状态b沿曲线ba返回状态a时,内能减小224 J,由热力学第一定律有ΔU=Q+W
解得Q=-308 J
系统放热。
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6.如图所示,导热材料制成的横截面积相等、长度均为45 cm的气缸A、B通过带有阀门的管道连接。初始时阀门关闭,厚度不计的光滑活塞C位于B内左侧,在A内充满压强pA=2.8×105 Pa的理想气体,B内充满压强pB=1.4×105 Pa的理想气体,忽略连接气缸的管道体积,室温不变,现打开阀门,则:
(1)求平衡后活塞向右移动的距离和B内气体的压强;
(2)自打开阀门到平衡,判断B内气体是吸热还是放热(简要说明理由)。
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答案 (1)15 cm 2.1×105 Pa (2)放热,理由见解析
解析 (1)设平衡后活塞向右移动的距离为x,活塞向右移动达到稳定后,对A中气体,由玻意耳定律pALS=p(L+x)S
对B中气体,有pBLS=p(L-x)S
得x=15 cm
p=2.1×105 Pa。
(2)活塞C向右移动,对B内气体做功,而气体做等温变化,内能不变,由热力学第一定律可知B内气体放热。
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7.如图所示,在绝热气缸内,有一绝热活塞封闭一定质量的气体,开始时缸内气体温度为27 ℃,封闭气柱长为9 cm,活塞横截面积S=50 cm2。现通过气缸底部电热丝给气体加热一段时间,此过程中气体吸热22 J,稳定后气体温度变为127 ℃。已知大气压强等于1×105 Pa,活塞与气缸间无摩擦,不计活塞重力。求:
(1)加热后活塞到气缸底部的距离;
(2)此过程中气体内能的改变量。
答案 (1)12 cm (2)7 J
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解析 (1)取封闭的气体为研究对象,开始时气体的体积为L1S
温度为T1=(273+27)K=300 K
末状态的体积为L2S,温度为T2=(273+127)K=400 K
解得L2=12 cm。
(2)在该过程中,气体对活塞做功
W=p0S(L2-L1)
由热力学第一定律有ΔU=Q-W
解得ΔU=7 J。
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B 级 关键能力提升练
8.一定质量的理想气体,从某一状态开始,经过一系列变化后又回到开始的状态,用W1表示外界对气体做的功,W2表示气体对外界做的功,Q1表示气体吸收的热量,Q2表示气体放出的热量,则在整个过程中一定有( )
A.Q1-Q2=W2-W1 B.Q1=Q2
C.W1=W2 D.Q1>Q2
A
解析 因为该气体从某一状态开始,经过一系列变化后又回到开始的状态,所以内能没有变化,ΔU=0。根据热力学第一定律可知W1-W2+Q1-Q2 =ΔU=0,即Q1-Q2=W2-W1,故A正确。
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9.(多选)如图所示,用绝热活塞把绝热容器分隔成容积相同的两部分,先用销子把活塞锁住,将质量和温度都相同的理想气体氢气和氧气分别充入容器的两部分,然后提起销子,使活塞可以无摩擦地滑动,当活塞平衡时( )
A.氢气的温度不变 B.氢气的压强减小
C.氢气的体积增大 D.氧气的温度升高
BCD
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解析 氢气和氧气的质量虽然相同,但氢气的摩尔质量小,故氢气物质的量多,又因为初始状态下氢气和氧气体积和温度相同,所以氢气产生的压强大,当提起销子后,活塞将向氧气一方移动,这时氢气对活塞做功,又无热传递,由ΔU=W+Q可知,氢气内能减少,温度降低,对氧气而言,活塞对它做功,体积减小,由ΔU=W+Q,无热传递的情况下,氧气内能增加,温度升高。
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10.(多选)用密封性好、充满气体的塑料袋包裹易碎品,如图所示,充气袋四周被挤压时,假设袋内气体与外界无热交换,则袋内气体( )
A.体积减小,内能增大
B.体积减小,压强减小
C.对外界做负功,内能增大
D.对外界做正功,压强减小
AC
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解析 实际气体在温度不太低、压强不太大时可看作理想气体,充气袋被挤压,气体体积减小,外界对气体做正功,则W>0,即气体对外界做负功,由于袋内气体与外界无热交换,即Q=0,根据热力学第一定律ΔU=W+Q知,内能增大,选项A、C正确;根据理想气体状态方程 =C可判断压强一定增大,选项B、D错误。
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11.(多选)如图所示,在p-T图像中,一定质量的理想气体经历了从状态A到状态B再到状态C,最后回到状态A的过程,在该过程中,下列说法正确的是
( )
A.从A到B过程中,气体对外做功
B.从B到C过程中,气体放出热量
C.从C到A过程中,气体分子密度减小
D.从A到B过程和从C到A过程,气体做功的绝对值相等
AB
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解析 根据 =C可知,从A到B过程中,体积增大,因此气体对外做功,A正确;从B到C过程中,直线通过原点,故体积不变,而温度降低,气体内能减少,根据热力学第一定律可知气体放出热量,B正确;从C到A过程中,气体温度不变,压强增大,根据理想气体状态方程可知,气体体积减小,气体分子密度增大,C错误;从A到B过程和从C到A过程,气体体积变化相等,但两个过程气体压强的平均值不同,因此两个过程气体做功绝对值不相等,D错误。
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12.如图所示,一定质量的理想气体从状态A经绝热过程到达状态B,再经等容过程到达状态C,此过程的p-V图像如图所示,图中虚线为等温线。在B→C的过程中,气体吸收热量为12 J。
(1)试比较气体在A和B状态的内能EA、EB的大小;
(2)求气体从A→B过程中气体对外界做的功。
答案 (1)EA>EB (2)12 J
解析 (1)A→B过程绝热,Q=0,体积V增大,对外做功,由ΔU=W+Q知内能减小,EA>EB。
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(2)A→B→C过程中有ΔU=WAB+WBC+QAB+QBC
A、C温度相等,内能不变ΔU=0
A、B绝热过程QAB=0
B、C等容变化不做功WBC=0
在B→C的过程中,气体吸收热量为12 J,即QBC=12 J
故WAB=-12 J
即从A→B过程中气体对外做功12 J。
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13.(2023浙江1月选考)某探究小组设计了一个报警装置,其原理如图所示。在竖直放置的圆柱形容器内用面积S=100 cm2、质量m=1 kg的活塞密封一定质量的理想气体,活塞能无摩擦滑动。开始时气体处于温度TA=300 K、活塞与容器底的距离h0=30 cm的状态A。环境温度升高时容器内气体被加热,活塞缓慢上升d=3 cm恰好到达容器内的卡口处,此时气体达到状态B。活塞保持不动,气体被继续加热至温度TC=363 K的状态C时触动报警器。从状态A到状态C的过程中气体内能增加了ΔU=158 J。取大气压p0=0.99×105 Pa,求气体:
(1)在状态B的温度;
(2)在状态C的压强;
(3)由状态A到状态C过程中从外界吸收的热量Q。
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答案 (1)330 K
(2)1.1×105 Pa
(3)188 J
解析 (1)根据题意可知,气体由状态A变化到状态B的过程中,封闭气体的压
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(2)从状态A到状态B的过程中,活塞缓慢上升,则pBS=p0S+mg
解得pB=1×105 Pa
根据题意可知,气体由状态B变化到状态C的过程中,气体的体积不变,则有
(3)根据题意可知,从状态A到状态C的过程中气体对外做功为W0=pBSΔh=30 J
由热力学第一定律有ΔU=W+Q
解得Q=ΔU+W0=188 J。
