人教版高中物理选择性必修第三册2热力学第一定律3能量守恒定律课件（57页PPT）

(共57张PPT)
2　热力学第一定律　
3　能量守恒定律　　
学习任务一　热力学第一定律
学习任务二　能量守恒定律
学习任务三　热力学第一定律与气体实验定律的综合应用
备用习题 随堂巩固 练习册
汽缸内有一定质量的气体，压缩气体的同时给汽缸加热。那么，气体内能的变化会比单一方式（做功或传热）更明显。这是为什么呢？
新课导入
[科学推理]如图所示,快速推动活塞对汽缸内气体做功100 J,气体内能　 ;
若保持气体体积不变,汽缸向外界传递200 J的热量,气体内能　　　　　　　;若推动活塞对汽缸内气体做功100 J的同时,汽缸向外界传递200 J的热量,气体的内能　　　　　　　.
学习任务一
学习任务一　热力学第一定律
　　减少了100 J
增加了100 J
减少了200 J
学习任务一
[教材链接]阅读教材“热力学第一定律”相关内容,完成下列填空:
(1)一个热力学系统的内能变化量等于外界向它传递的　　　　与外界对它　　　　　　的和.这个关系叫作热力学第一定律.
(2)表达式:　　　　　　.
热量
所做的功
ΔU=Q+W
物理量 符号 意义
W + 　　　　　　　做功
- 　　　　　　　做功
Q + 系统　　　　热量
- 系统　　　　热量
ΔU + 内能　　　
- 内能　　　
减少
外界对系统
系统对外界
吸收
放出
增加
(3)定律中各量的正、负号及其意义
学习任务一
[科学思维] 应用热力学第一定律解题的一般步骤:
(1)首先应明确研究对象是哪个物体或者是哪个热力学系统.
(2)写出各已知量(W、Q、ΔU)的正负.
(3)根据热力学第一定律ΔU=Q+W列出方程进行求解,应特别注意的是物理量的正、负号及其物理意义.
学习任务一
例1 一定质量的理想气体在某一过程中,外界对气体做了8×104 J的功,气体的内能减少了1.2×105 J,则根据热力学第一定律,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=2×105 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,故W取正值,即W=8×104 J,气体的内能减少,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 J-8×104 J=-2×105 J,选项B正确.
学习任务一
变式1 [2023·武钢三中月考] 如图所示是封闭的汽缸,内部封有一定质量的理想气体.外力推动活塞P压缩气体,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
[解析]由热力学第一定律ΔU=Q+W得,ΔU=800 J+(-200 J)=600 J,一定质量的理想气体的内能大小只与温度有关,ΔU=600 J>0,故温度升高,选项A正确.
A
学习任务一
【要点总结】
1.几种常见的气体变化的特殊过程
(1)绝热过程:Q=0,W=ΔU,外界对气体做的功等于气体内能的增加量.
(2)等容过程:在该过程中气体不做功,即W=0,则Q=ΔU,气体吸收的热量等于气体内能的增加量.
(3)理想气体的等温过程:在过程的始、末状态,气体的内能不变,即ΔU=0,则W+Q=0或W=-Q,表示气体吸收的热量全部用来对外做功或外界对气体所做的功全部转换为热量放出.
2.判断气体是否做功的方法
一般情况下看气体的体积是否变化.
①若气体体积增大,表明气体对外界做功,W<0.(自由膨胀除外)
②若气体体积减小,表明外界对气体做功,W>0.
学习任务二　能量守恒定律
学习任务二
[教材链接] 阅读教材“能量守恒定律”相关内容,完成下列填空:
(1)能量守恒定律
①内容:能量既不会凭空产生,也不会凭空消失,它只能从一种形式转化为其他形式,或者从一个物体转移到别的物体,在转化或转移的过程中,能量的总量　　　　　　,这就是能量守恒定律.
②意义
a.它把原来人们认为互不相关的各种现象——力学的、热学的、电学的、磁学的、光学的、化学的、生物学的、地学的联系在一起,把表面上完全不同的各类运动统一在一个自然规律中.这样,它就使不同领域的科学工作者有了一系列的共同语言.
b.能量守恒定律是自然界最普遍、最重要的基本定律之一.
保持不变
学习任务二
(2)永动机不可制成
①永动机:不消耗任何　　　　,却可以源源不断地对外做功,这种机器叫永动机.人们把这种不消耗能量的永动机叫作第一类永动机.
②不能制成的原因:违背了　　　　　　　　.
能量
能量守恒定律
学习任务二
例2 (多选)[2023·长郡中学月考] 一铜块和一铁块质量相等,铜块的温度T1比铁块的温度T2高,当它们接触在一起时,如果不和外界交换热量,则 ( 　)
A.从两者开始接触到热平衡的整个过程中,铜块内能的减少量等于铁块内能的增加量
B.在两者达到热平衡以前的任意一段时间内,铜块内能的减少量不等于铁块内能的增加量
C.在两者达到热平衡以前的任意一段时间内,铜块内能的减少量都等于铁块内能的增加量
D.达到热平衡时,铜块的温度比铁块的低
AC
[解析]热平衡的条件是温度相等,热传递的方向是从温度高的物体自发传向温度低的物体;不和外界交换热量,在热传递过程中高温物体放出的热量等于低温物体吸收的热量,故A、C正确,B、D错误.
变式2 太阳能的光热转化是目前技术最为成熟、应用最广泛的太阳能利用形式,从有关资料获悉,在晴天时,垂直于阳光的地球表面接收到的光辐射为1.2×103 J/(m2·s).如图所示,有一台太阳能热水器,可将接收到的光辐射的50%用来升高水温,如果该热水器接受阳光垂直照射的有效面积始终是2 m2,晴天晒1 h,其水箱中50 kg水的温度能升高多少摄氏度 [水的比热容c=4200 J/(kg·℃)]
学习任务二
[答案] 20.6
[解析]依题意,可求得1 h太阳能热水器可以接收的太阳能为
E太阳=1.2×103×2×3600 J=8.64×106 J
水吸收的热量为Q吸=ηE太阳=50%×8.64×106 J=4.32×106 J
则水箱中50 kg水升高的温度为Δt= ℃≈20.6 ℃
学习任务二
【要点总结】
1.能量的存在形式及相互转化
(1)各种运动形式都有对应的能:机械运动有机械能,分子的热运动有内能,还有电磁能、化学能、核能等.
(2)各种形式的能,通过某种力做功可以相互转化.例如:利用电炉取暖或烧水,电能转化为内能;煤燃烧,化学能转化为内能;列车刹车后,轮子温度升高,机械能转化为内能.
2.能量守恒的核心是总能量不变.利用能量守恒定律解题时,要注意先搞清楚过程中有几种形式的能在转化或转移,分析初、末状态,确定ΔE增、ΔE减各为多少,再由ΔE增=ΔE减列式计算.
3.第一类永动机失败的原因分析:如果没有外界热源供给热量,则系统内能将减小,即U2学习任务三　热力学第一定律与气体实验定律的综合应用
学习任务三
[科学思维] 解决热力学第一定律与气体实验定律的综合问题的基本思路
学习任务三
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=C分析.
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(自由膨胀除外),气体对外做功;气体被压缩,外界对气体做功.
(2)由温度变化判断理想气体内能变化: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=Q+W判断气体是吸热还是放热.
例3 [2023·广州六中月考] 负压救护车被业内称为“移动的N95口罩”.所谓负压,就是通过负压排风净化装置,使车内气压低于车外,空气在自由流动时只能由车外流向车内,而且负压救护车还能将车内的空气进行无害化处理后排出,避免更多的人感染,在救治和转运传染病患者等特殊疾病患者时可以最大限度地减少医务人员交叉感染的几率.若已知某负压救护车内部空间体积V= 12 m3,启用前车内温度t1=-3 ℃,外界大气压强为p0=1.01×105 Pa,启用后,某时刻监测到车内温度
t2=27 ℃、负压为-15 Pa(指车内与外界大气压p0的差值).
学习任务三
(1)试估算负压排风净化系统启用后,负压救护车内部空间减少的气体质量与启用前内部空间气体总质量的比值;
学习任务三
[答案] 　
[解析] 气体状态参量:T1=(273.15-3) K=270.15 K，T2=(273.15+27) K=300.15 K
p1=p0，p2=p0-15 Pa，V=12 m3
以车内剩余气体为研究对象,由理想气体状态方程得
得ΔV=1.2 m3
车内减少的气体质量与启用前车内气体总质量之比
代入数据解得
(2)判断在负压排风净化系统启用过程中剩余气体是吸热还是放热,并简述原因.
学习任务三
[答案] 吸热,原因见解析
[解析] 抽气过程剩余气体的温度升高,内能增加,ΔU>0
剩余气体体积增大对外做功,W<0,由热力学第一定律ΔU=W+Q
可知Q=ΔU-W>0
气体从外界吸收热量.
变式3 [2023·南宁三中月考] 如图所示,一定质量的理想气体从状态a经过等容、等温、等压三个过程,先后达到状态b、c,再回到状态a.下列说法正确的是(　)
A.在状态a到状态b的过程中气体对外做功
B.在状态a到状态b的过程中气体的内能减少
C.在状态b到状态c的过程中气体对外界放热
D.在状态c到状态a的过程中气体的温度降低
学习任务三
D
学习任务三
[解析]在状态a到状态b的过程中气体体积不变,气体不对外界做功,外界也不对气体做功,选项A错误;
在状态a到状态b的过程中气体的体积不变,压强变大,则温度升高,气体的内能增加,选项B错误;
在状态b到状态c的过程中气体温度不变,内能不变,体积变大,对外做功,则气体吸热,选项C错误;
在状态c到状态a的过程中气体的压强不变,体积减小,
则温度降低,选项D正确.
学习任务三
变式4 A、B汽缸的水平长度均为20 cm,截面积均为10 cm2,C是可在汽缸内无摩擦滑动、体积不计的活塞,K为阀门,整个装置均由导热材料制成且环境温度恒定,开始阀门关闭,A内有压强pA= 4.0 × 105 Pa的氮气,B内有压强pB= 2.0 × 105 Pa的氧气,阀门打开后,活塞C向右移动,最后达到平衡,连通A、B的导管体积不计.下列说法正确的有 (　)
A.平衡后A汽缸内气体的压强为3.0 × 105 Pa
B.活塞C向右移动了10 cm
C.A汽缸内气体要对外做功,同时放出热量
D.若B汽缸抽成真空,打开阀门K,A汽缸中气体要对外做功,要从外界吸热
　A
学习任务三
[解析]设阀门打开后,活塞C向右移动了x,最后达到平衡时A、B内气体的压强均为p,A、B内气体初始体积均为V0,则对A、B内气体由玻意耳定律可得pAV0=p(V0+Sx),pBV0=p(V0-Sx),解得x= cm≈6.7 cm,
p=3.0×105 Pa,A正确,B错误;
因为整个装置均由导热材料制成且环境温度恒定,所以气体温度保持不变,即气体内能不变,即ΔU=0,又因为A内气体膨胀,对外做功,即W<0,所以由热力学第一定律ΔU=W+Q得Q>0,即A内气体要从外界吸热,C错误;
若B汽缸抽成真空,打开阀门K后,A汽缸中气体膨胀过程对外不做功,又因为气体内能不变,所以A内气体既不需要从外界吸热也不向外界放热,D错误.
学习任务三
【要点总结】
1.气体的状态变化情况可以由图像直接判断或者结合三个气体实验定律和理想气体状态方程进行分析.
2.气体的做功情况、内能变化以及吸、放热关系的分析方法:
(1)利用体积的变化分析做功情况.一般情况下,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,内能增大;温度降低,内能减小.
(3)若已知气体的做功情况和内能的变化情况,利用热力学第一定律ΔU=W+Q,Q=ΔU-W,可判断气体状态变化是吸热过程还是放热过程.
备用习题
1.一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]理想气体的初态和末态相同,则理想气体的内能变化为零.由热力学第一定律得ΔU=W总+Q总=(W1-W2)+(Q1-Q2)=0,所以W2-W1=Q1-Q2,选项A正确.
2.在阳光的照射下,太阳能小风扇快速转动.这说明 (　 　)
A.动能可以凭空产生
B.可以制造出不消耗能量的永动机
C.太阳能可以转化为其他形式的能
D.太阳可以提供无穷无尽的能量,不需要节约能源
备用习题
C
[解析]在阳光的照射下,太阳能小风扇快速转动,是太阳能转化成机械能,故A错误,C正确;
不消耗能量的永动机违背能量守恒定律,不可能制造出来,故B错误;
能量不是取之不尽的,并且有些能量目前我们还无法利用,故需要节约能源,故D错误.
3. (多选)景颇族的祖先发明的点火器如图所示,用牛角做套筒,木制推杆前端粘着艾绒,猛推推杆,艾绒即可点燃.对筒内封闭的气体,在此压缩过程中,下列说法中正确的是 (　 　)
A.气体温度升高,压强变大
B.气体温度不变,压强变大
C.外界对气体做正功,气体内能增加
D.气体对外界做正功,气体内能减少
备用习题
AC
备用习题
[解析]由于套筒内封闭着一定质量的气体,当猛推推杆时推杆迅速压缩气体,外界对气体做正功.由于这一过程进行得很快,可以看成是一个近似的绝热过程,即整个系统来不及向外界传递热量,由公式ΔU=W+Q,在瞬间Q=0、W>0,所以内能增加,则温度升高,气体体积减小,压强增大,故选A、C.
4. (多选)一定质量的理想气体,经过一个压缩过程后,体积减小为原来的一半,这个过程可以是等温的、绝热的或等压的过程,如图所示,在这三个过程中 (　 　)
A.绝热过程不做功
B.a、b、c、d中d的温度最高
C.等压过程内能减小
D.等温过程要吸热
备用习题
BC
备用习题
[解析]由p-V图像知ab是等压过程,ac过程压强与体积乘积为一个定值2pV,即ac是等温过程,则ad是绝热过程.p-V图像中面积表示气体做功,由图像知Wab根据理想气体状态方程=C可知热力学温度Tb理想气体的内能取决于温度和分子个数,等压ab过程,温度降低,内能减小,C正确;
等温ac过程内能不变,根据热力学第一定律有ΔU=W+Q,体积减小,外界对气体做功,则气体放热,D错误.
备用习题
5.一定质量的理想气体从状态A经状态B变化到状态C,其p-图像如图所示,求该过程中气体吸收的热量Q.
[答案] 2×105 J
[解析] A→B过程,外界对气体做的功W1=p(VA-VB)
B→C过程,W2=0
根据热力学第一定律得ΔU=(W1+W2)+Q
状态A和状态C的温度相等,ΔU=0
代入数据解得Q=2×105 J
随堂巩固
1. (能量守恒定律)(多选)下面设想符合能量守恒定律的是 ( 　)
A.利用永久磁铁间的作用力,造一台永远转动的机械
B.做一条船,利用流水的能量逆水行舟
C.通过太阳照射飞机,即使飞机不带燃料也能飞行
D.利用核动力,驾驶地球离开太阳系
BCD
随堂巩固
[解析]利用磁铁间的作用力可以使磁铁所具有的磁场能转化为动能,但由于摩擦不可避免,动能最终转化为内能使转动停止,故A不符合能量守恒定律.
让船先静止在水中,设计一台水力发电机使船获得足够电能,然后把电能转化为船的动能使船逆水航行;同理可利用光能的可转化性和电能的可收集性,使光能转化为飞机的动能,实现飞机不带燃料也能飞行,故B、C符合能量守恒定律;
利用反冲理论,以核动力为能源,使地球获得足够大的能量,挣脱太阳引力的束缚而离开太阳系,故D符合能量守恒定律.
2. (热力学第一定律与气体实验定律的综合应用)一定质量的理想气体由状态a变为状态b,再变为状态c,其p-V图像如图所示.下列说法正确的是 (　)
A.由状态a沿图像变化到状态b气体温度升高
B.由状态b沿图像变化到状态c气体温度升高
C.由状态a沿图像变化到状态b气体要从外界吸热
D.气体在状态c的内能大于在状态a的内能
随堂巩固
B
随堂巩固
[解析]由状态a沿图像变化到状态b,属于等容变化,根据查理定律可得,由状态a沿图像变化到状态b,压强减小,则温度降低,内能减小,气体需要放热,A、C错误;
由状态b沿图像变化到状态c,属于等压变化,由盖-吕萨克定律可得,由状态b沿图像变化到状态c,体积增大,温度升高,B正确;
对于一定量的气体而言,则有,结合图像代入数据
可得Ta=Tc,理想气体的内能只与温度有关,因此,气体在状态c
的内能等于在状态a的内能,D错误.
3. (热力学第一定律与气体实验定律的综合应用)[2023·重庆八中月考] 如图甲所示,在竖直放置的圆柱形容器内用横截面积S=100 cm2的质量不计且光滑的活塞密封一定质量的理想气体,活塞上静止一质量为m的重物.图乙是密闭气体从状态A变化到状态B的V-T图像,密闭气体在A点的压强pA=1.03×105 Pa,从状态A变化到状态B的过程中吸收热量Q=500 J.已知外界大气压强p0=1.01×105 Pa,g取10 m/s2,下列说法正确的是(　)
A.重物质量m=1 kg
B.气体在状态B时的体积为8.0×10-2 m3
C.从状态A变化到状态B的过程,气体对外界做功202 J
D.从状态A变化到状态B的过程,气体的内能增加294 J
随堂巩固
D
随堂巩固
[解析]在A状态,根据题意有mg+p0S=pAS,解得m=2 kg,故A错误;
根据图像可知=C,所以气体做等压变化,有,解得VB=8.0×10-3 m3,故B错误;
从状态A变化到状态B的过程,气体对外界做功W=pAΔV=206 J,故C错误;
根据热力学第一定律得ΔU=Q-W=294 J,故D正确.
4. (热力学第一定律与气体实验定律的综合应用)某容器中的空气被光滑活塞封住,容器和活塞绝热性能良好,空气可视为理想气体.初始时容器中空气的温度与外界相同,压强大于外界.现使活塞缓慢移动,直至容器中的空气压强与外界相同.此时,容器中空气的温度　　　　(选填“高于”“低于”或“等于”)外界温度.
随堂巩固
低于
[解析]整个过程容器中空气绝热膨胀,对外做功,根据热力学第一定律ΔU=Q+W,可知由于Q=0,W<0,故内能减小,温度降低.
课堂小结
练 习 册
1.某理想气体膨胀对外做功为100 J,同时从外界吸收了120 J的热量,则它的内能变化是 (　 )　　　　　　　　　　　
A.减少20 J B.增加20 J
C.减少220 J D.增加220 J
B
[解析]研究对象为气体,外界对气体做功W=-100 J,吸收热量Q=120 J,由热力学第一定律可得ΔU=W+Q=-100 J+120 J=20 J,ΔU>0,说明气体的内能增加,B正确.
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练 习 册
2. (多选)学校在校庆时,同学们释放了氢气球以渲染会场气氛,气球上升到一定高度时,气球爆裂,假设环境的温度恒定不变,且气体可视为理想气体,则下列说法正确的是 ( 　 )
A.上升过程中气球内气体内能增大
B.上升过程中,单位时间、单位面积上碰撞的分子数减少
C.上升过程中,气球内气体对外做功
D.上升过程中,气球内气体从外界吸收热量
BCD
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练 习 册
[解析]由于温度不变,则分子的平均动能不变,又因为是理想气体,所以气体的内能不变,A错误;
气球爆裂,说明气球上升的过程中体积增大,单位体积内分子的个数减少,单位时间内撞到单位面积器壁上的分子数减少,B正确;
由于气体体积增大,气体对外做功,C正确;
气体内能不变,气体对外做功,由热力学第一定律,气体从外界吸收热量,D正确.
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练 习 册
3.文艺复兴时期,意大利的达·芬奇曾设计过一种转轮,利用隔板的特殊形状,使一边重球滚到另一边距离轮心远些的地方,并认为这样可以使轮子不停地转动,如图所示.下列说法正确的是 (　 )
A.该设计可以使转轮在无外力作用下顺时针转动变快
B.该设计可以使转轮在无外力作用下逆时针转动变快
C.该设计可以在不消耗能源的情况下不断地对外做功
D.该设计中使转轮成为永动机的设想是不可能实现的
D
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练 习 册
[解析]不管转轮是顺时针转动还是逆时针转动,在无外力作用下,只能是转动变慢,最终停下来,A、B错误;
由能量守恒定律可知,该设计在不消耗能源的情况下不断地对外做功是不可能的,这种设想不可能实现,C错误,D正确.
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练 习 册
4.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,进入热水的叶片因缓慢伸展而“划水”,推动转轮转动.离开热水后,叶片形状迅速恢复,转轮因此能较长时间转动.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]叶片进入水中后吸收热量而伸展划水,推动转轮转动,离开水面后向空气中放热,叶片形状迅速恢复,所以使转轮转动的能量来自热水,由于不断向空气中释放热量,所以水温逐渐降低,选项A、B、C错误,选项D正确.
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练 习 册
5. [2023·唐山一中月考] 如图所示是一种演示气体实验定律的仪器——哈勃瓶,它是一个底部开有圆孔、瓶颈很短的平底大烧瓶,在瓶内塞有一气球,气球的吹气口反扣在瓶口上,瓶底的圆孔上配有一个橡皮塞.在一次实验中,瓶内由气球和橡皮塞封闭一定质量的气体,用打气筒向气球内缓慢打入气体,在此过程中 (　 )
A.瓶内气体内能减小
B.瓶内气体压强不变
C.瓶内气体向外放热
D.瓶内气体对外做功
C
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练 习 册
[解析] 用打气筒向气球内缓慢打入气体,气球对瓶内气体做功,瓶内气体内能增大,A、D错误;
瓶内气体发生等温变化,由p1V1=p2V2,瓶内气体体积减小,压强增大,B错误;
瓶内气体温度不变,内能不变,根据ΔU=Q+W可知,瓶内气体向外放热,C正确.
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练 习 册
6. (多选)采用涡轮增压技术可提高汽车发动机效率,如图.将涡轮增压简化为以下两个过程,一定质量的理想气体首先经过绝热过程被压缩,然后经过等压过程回到初始温度,则 (　 )
A.绝热过程中,气体分子平均动能增加
B.绝热过程中,外界对气体做负功
C.等压过程中,外界对气体做正功
D.等压过程中,气体内能不变
AC
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练 习 册
[解析]一定质量的理想气体经过绝热过程被压缩,可知气体体积减小,外界对气体做正功,根据热力学第一定律可知,气体内能增加,则气体温度升高,气体分子平均动能增加,故A正确,B错误;
一定质量的理想气体经过等压过程回到初始温度,可知气体温度降低,气体内能减少,根据=C可知气体体积减小,外界对气体做正功,故C正确,D错误.
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7.如图所示为某窑炉的温控原理示意图.质量为M的窑炉开口向下挂在一根轻杆上,用质量为m、横截面积为S的活塞封闭一定质量的理想气体在炉内.活塞下面连接一根弹簧,弹簧下端连接质量为m0的物体,物体与地面间有一压力传感器.当炉内温度为T0时,压力传感器的示数等于m0g(g为重力加速度),停止加热,当炉内温度降为T时,压力传感器的示数等于0,加热设备就会立即重新启动.不计一切摩擦,活塞处密封性良好.则在炉内温度从T0变为T的过程中,下列说法正确的是 (　 )
A.气体的体积增大,每个分子对器壁的撞击力均减小
B.气体的压强减小,单位体积的分子数增多
C.气体的温度降低,吸收热量
D.外界对气体做功,封闭气体的内能增大
B
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[解析] 弹簧由原长变为伸长,活塞向上运动了,说明温度降低后,气体的体积减小,分子平均动能减小,分子对器壁的平均撞击力减小,故A错误;
对活塞受力分析,当气体的温度为T0时,有p1S=p0S-mg,解得p1=p0-,当气体的温度为T时,有p2S=p0S-(m+m0)g,解得p2=p0-,可知压强减小,又因为气体的体积减小,所以单位体积的分子数增多,故B正确;
理想气体的温度降低,内能减少,且外界对气体做功,由热力学第一
定律ΔU=W+Q可知,放出热量,故C、D错误.
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8. [2023·抚顺一中月考] 1 mol的某种理想气体,沿如图所示p-V图像中箭头所示方向,从状态A变化到状态B,再变化到状态C,再回到状态A.已知气体处于状态A时的温度为T0,1 mol的该种理想气体内能为U=RT(其中R为普适气体常数,T为气体的热力学温度),大气压1 atm=1.0×105 Pa,下列判断正确的是 (　 )
A.该气体处于状态B时的温度是2T0
B.从状态A变化到状态B,该气体一定向外界放出热量
C.从状态B变化到状态C,该气体向外界放出的热量为3RT0
D.A→B→C→A的过程中,外界对该气体做功200 J
C
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[解析] 根据理想气体状态方程=,解得TB=3T0,故A错误;
从状态A变化到状态B,体积膨胀,气体对外界做功,温度升高,内
能增大,根据热力学第一定律可知,气体一定吸收热量,故B错误;
根据理想气体状态方程=,解得TC=T0,从状态B变化到状态C过程,温度降低,气体不做功,则放出的热量Q=ΔU=R(3T0-T0)=3RT0,故C正确;
A→B→C→A的过程中,外界对气体做功W=WAB+WBC+WCA=-(3×105×2×10-3) J+0+ J=-200 J,故D错误.
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9.如图所示,在标准大气压强p0=1.0×105 Pa的低温实验室中有一竖直放置的圆柱形容器,用质量为m=10 kg的活塞密封一部分理想气体,活塞与容器壁间能无摩擦滑动,容器的横截面积为S=200 cm2,活塞与容器底的距离为h0=20 cm.将整个装置静置于标准大气压下温度为T1=300 K的空气中,气体从外界吸收热量Q=180 J,活塞缓慢上升d=5 cm后再次达到平衡.
(1)低温实验室的温度T0是多少
[答案] 240 K
[解析]由盖-吕萨克定律得=
解得实验室温度T0=T1=240 K
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(2)在此过程中密闭气体的内能增加了多少
[答案] 75 J
[解析]活塞上升的过程,密闭气体克服大气压力和活塞的重力做功,所以外界对系统做的功
W=-(mg+p0S)d=-105 J
根据热力学第一定律得密闭气体增加的内能ΔU=Q+W
解得ΔU=Q-(mg+p0S)d=(180-105) J=75 J
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10. [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;
[答案] 330 K
[解析]等压过程有=
解得TB=330 K
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(2)在状态C的压强;
[答案] 1.1×105 Pa
[解析]活塞平衡有mg+p0S=pBS
等容过程有=
解得pC=1.1×105 Pa
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(3)由状态A到状态C过程中从外界吸收热量Q.
[答案] 188 J
[解析]外界对气体做功W=-pBSd
根据热力学第一定律ΔU=Q+W
解得Q=188 J
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