人教版高中物理选择性必修第三册第三章热力学定律专题强化2热力学第一定律与气体实验定律的综合问题课件（45页PPT）

(共45张PPT)
[学习目标]
1.会分析热学图像的物理意义，并结合热力学第一定律分析有关能量问题。
2.会综合分析热力学第一定律和气体实验定律结合的有关问题。
1.处理气体状态变化关系图像与热力学第一定律的综合问题的思路
(1)利用体积的变化分析做功情况：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，内能减少。
(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＝Q＋W，则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。
2.对于气体的p－V图像问题，图像与横坐标轴所围成的图形面积表示气体对外界做的功或外界对气体做的功，即|W|＝S，如图所示。
[例1]　(2024·新课标卷)(多选)如图，一定量理想气体的循环由下面4个过程组成：1→2为绝热过程(过程中气体不与外界交换热量)，2→3为等压过程，3→4为绝热过程，4→1为等容过程。上述四个过程是四冲程柴油机工作循环的主要过程。下列说法正确的是(　　)
AD
A.1→2过程中，气体内能增加
B.2→3过程中，气体向外放热
C.3→4过程中，气体内能不变
D.4→1过程中，气体向外放热
解析　1→2为绝热过程，根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W可知，此时气体体积减小，外界对气体做功，故内能增加，故A正确；2→3为等压过程，根据盖－吕萨克定律可知，气体体积增大时温度升高，内能增加，此时气体体积增大，气体对外界做功W<0，故气体吸收热量，故B错误；3→4为绝热过程，此时气体体积增大，气体对外界做功W<0，根据热力学第一定律可知，气体内能减少，故C错误；4→1为等容过程，根据查理定律可知，压强减小时温度降低，故内能减少，由于体积不变W＝0，故可知气体向外放热，故D正确。
[例2]　(2025·江苏苏州期末)如图所示，一定质量的理想气体在状态A时压强为1.5×105 Pa，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，下列说法正确的是(　　)
A.C→A的过程中外界对气体做功600 J
B.B→C的过程中气体对外界做功600 J
C.整个过程中气体从外界吸收600 J的热量
D.整个过程中气体从外界吸收450 J的热量
C
解析　在C→A过程中，图线为直线，根据理想气体的状态方程可知，压强不变，气体体积减小，外界对气体做功，根据WCA＝p·ΔV，解得WCA＝300 J，故A错误；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900 J，故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900 J，C→A的过程中外界对气体做功300 J，故W＝WCA＋WBC＝－600 J，Q＝ΔU－W＝600 J，则整个过程中气体从外界吸收600 J的热量，故C正确，D错误。
[例3]　(2025·云南昆明期中) “空气充电宝”是一种通过压缩空气实现储能的装置，可在用电低谷时储存能量、用电高峰时释放能量。在“空气充电宝”某个工作过程中，一定质量理想气体的p－T图像如图所示。关于该过程，下列说法正确的是(　　)
B
A.a→b过程气体体积减小
B.a→b过程气体从外界吸收热量
C.b→c过程气体体积不变
D.b→c过程气体对外界做的功等于气体从外界吸收的热量
1.气体实验定律与热力学第一定律的区别和联系
在研究气体状态变化的问题中，气体的实验定律描述了状态参量变化的关系；热力学第一定律描述了状态参量变化的条件。
2.注意三种特殊过程的特点
(1)等温过程：内能不变，ΔU＝0。
(2)等容过程：体积不变，W＝0。
(3)绝热过程：Q＝0。
3.掌握做功、内能变化情况的判断方法
(1)理想气体内能的变化看温度。气体温度升高，内能增加；气体温度降低，内能减少。
(2)气体做功情况看体积。体积膨胀则对外做功；体积减小则外界对气体做功；理想气体向真空膨胀则不做功。
(3)在等压变化中W＝pΔV，其中ΔV为气体体积的变化。
[例4]　 (2025·北京卷)我国古代发明的一种点火器如图所示，推杆插入套筒封闭空气，推杆前端粘着易燃艾绒。猛推推杆压缩筒内气体，艾绒即可点燃。在压缩过程中，筒内气体(　　)
D
A.压强变小
B.对外界不做功
C.内能保持不变
D.分子平均动能增大
[例5]　如图所示，长方体容器体积为V0＝3 L，右上方有一开口与外界相连，活塞将导热容器分成左、右两部分，外界温度为27 ℃时，左、右体积之比为1∶2。当外界温度缓慢上升时，活塞就会缓慢移动。设大气压强为p0＝1.0×105 Pa且保持不变，不计活塞与容器间的摩擦，T＝(t＋273)K，求：
(1)活塞刚好移动到容器的正中央时，外界的温度；
(2)活塞移动到容器正中央的过程中，若左侧容器中气体的内能
增加ΔU＝10 J，左边容器内气体吸收的热量。
答案　(1)450 K　(2)60 J
[总结提升]
热力学第一定律和气体实验定律的综合问题的解题思路
1.(热力学第一定律和热学图像的综合)如图所示，一定质量的理想气体分别经历a→b和a→c两个过程，其中a→b为等温过程，状态b、c的体积相同，则(　　)

A.状态a的内能大于状态b B.状态a的温度高于状态c
C.a→c过程中气体吸收热量 D.a→c过程中外界对气体做正功
C
2. (热力学第一定律与热学图像的综合)如图为某理想气体的p－T图像，下列说法正确的是(　　)
B
A.由A到B的过程，气体对外做功，内能增加
B.由A到B是等容过程，B到C是等压过程，气体在C状态时的体积比在B状态时的体积大
C.由B到C的过程，外界对气体做功，放出热量
D.由B到C的过程，气体温度升高，所有气体分子的动能都增大
解析　由A到B的过程为等容升温的过程，因体积不变，故W＝0，而温度升高了，则内能增加，故A错误；由B到C的过程是等压升温的过程，比较B点、C点与坐标原点连线的斜率可知，C点的斜率小，则气体的体积大，故B正确；B到C的过程，体积变大，则气体对外界做功(W<0)，而温度升高说明内能增加(ΔU>0)，由热力学第一定律ΔU＝Q＋W，可得Q>0，即气体要吸热，故C错误；由B到C的过程气体温度升高，则气体分子的平均动能增大，但并不是所有气体分子的动能都增大，故D错误。
3.(热力学第一定律和气体实验定律的综合)水枪是孩子们喜爱的玩具，常见的气压式水枪储水罐示意如图。从储水罐充气口充入气体，达到一定压强后，关闭充气口。扣动扳机将阀门M打开，水即从枪口喷出。若在水不断喷出的过程中，罐内气体温度始终保持不变，则气体(　　)
B
A.压强变大 B.对外界做功
C.对外界放热 D.分子平均动能变大
解析　在水向外不断喷出的过程中，罐内气体体积增大，根据玻意耳定律可知，罐内气体的压强减小，选项A错误；由于罐内气体温度不变，则内能不变，由于体积增大，气体对外做功，根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W可知，气体吸热，选项B正确，C错误；根据温度是分子平均动能的标志可知，温度不变，分子平均动能不变，选项D错误。
4.(热力学第一定律和气体实验定律的综合)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，缸内有一光滑的绝热活塞，封闭一定质量的理想气体，活塞下吊着一重力为G的重物，活塞重力为G0，活塞的横截面积为S，开始时封闭气柱的高为h，气体的温度为T1，大气压强为p0。现给电热丝缓慢加热，若气体吸收热量Q时，活塞下降了h。求：
(1)气体的温度升高多少；
(2)气体的内能增加多少。
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[基础巩固练]
1.(多选)健身球是一个充满气体(球内气体视为理想气体)的大皮球。现把健身球放在水平地面上，若在人体压向健身球的过程中球内气体温度保持不变，则(　　)
A.气体分子的平均动能增大 B.气体的密度增大
C.气体的内能增加 D.外界对气体做功
解析　在人压向健身球的过程中，外界对球做功，气体所占的体积减小，故气体的密度增大，又由于气体温度不变，故气体分子的平均动能不变；外界对气体做功，但气体温度不变，因此内能不变，故选BD。
BD
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2.(2025·云南昭通期末)一定质量的理想气体按a→b→c→a 的顺序经历一系列状态变化，其p－t图像如图所示。图中bc线段与纵轴平行，ab线段与纵轴垂直。气体在状态变化过程中，下列叙述正确的是(　　)
D
A.b→c 过程气体不放热也不吸热
B.a→b 过程气体分子在单位时间内撞击单位面积容器壁的
次数增加
C.a→b 过程气体对外界做的功等于b→c 过程外界对气体
做的功
D.b→c 过程气体体积减小
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解析　由题图可知b→c过程为等温变化，气体内能不变，根据玻意耳定律pV＝C可知，当压强p增大时，体积V减小，可知外界对气体做功，根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W，由于内能不变，可知b→c过程气体放出热量，故A错误，D正确；由题图可知，a→b过程气体压强不变，气体温度升高，则气体分子平均动能增大，根据压强微观意义可知，气体分子在单位时间内撞击单位面积容器壁的次数减少，故B错误；由题图可知，c→a过程为等容变化，即a、c两个状态体积相同，则a→b过程气体体积的变化量大小与b→c过程气体体积的变化量大小相等，而a→b过程气体压强不变，b→c过程气体压强增大，根据W＝pΔV可知，a→b过程气体对外界做的功小于b→c过程外界对气体做的功，故C错误。
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3. (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，压强增大 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，内能减小
AC
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4. (多选)如图所示，一定质量的理想气体从状态a开始，经历过程①、②、③到达状态d。对此气体，下列说法正确的是(　　)
ACD
A.过程①中，气体体积不断增大
B.过程②中，气体从外界吸收热量
C.过程③中，气体分子在单位时间内撞击容器壁上单位面积的平均次数增加
D.气体在状态a的体积大于在状态d的体积
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5. (多选)一定质量的理想气体状态变化过程如图所示，第1种变化是从状态A 到状态B，第2种变化是从状态A 到状态C。比较这两种变化过程，则(　　)
A.从状态A 到状态C 过程中，气体吸收热量较多
B.从状态A 到状态B 过程中，气体吸收热量较多
C.两个过程中，气体吸收热量一样
D.两个过程中，气体内能增加量相同
解析　在p－T图中，等容线是过原点的倾斜直线，由题图可知，VC>VA>VB，故A→C过程中，气体对外做功，A→B过程中，外界对气体做功，由TB＝TC可知，两过程中气体内能增加量相同，根据ΔU＝Q＋W可知，A→C过程中，气体吸收热量较多，故选AD。
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[能力提升练]
6. (多选)如图所示，汽缸和活塞与外界均绝热，中间有一个固定的导热性良好的隔板，封闭着两部分气体，分别是A和B，活塞处于平衡状态。现通过电热丝对气体A加热一段时间，后来活塞达到新的平衡状态，不计气体分子势能，不计活塞与汽缸壁间的摩擦，大气压强保持不变，则下列判断正确的是(　　)
AD
A.气体A吸热，内能增加
B.气体B吸热，对外做正功，内能不变
C.气体A和气体B内每个分子的动能都增大
D.气体B分子单位时间内对器壁单位面积碰撞的次数减少
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解析　气体A做等容变化，所以对气体A加热时，气体A的温度升高，由于理想气体的内能由温度决定，则气体A吸热，内能增加，故A正确；根据B气体做等压变化，温度升高，体积增大，则气体B吸热，对外做正功，内能增大，故B错误；气体A和气体B内分子的平均动能增大，但每个分子的动能不一定都增大，故C错误；由于气体B的体积增大，压强不变，温度升高，则气体B分子单位时间内对器壁单位面积碰撞的次数减少，故D正确。
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7.如图甲所示，固定在水平地面上的汽缸内用活塞封闭一定质量的理想气体，已知在环境温度变化时大气压强p0 不变。现对活塞施加一作用力F，使汽缸内气体分别经历图乙所示的①②③三个过程，缓慢地从状态A变化到状态B，状态A、B 压强相等，不计活塞与汽缸壁间的摩擦，则下列说法错误的是(　　)
C
A.过程①F 一定对活塞做负功
B.过程②F 为零
C.过程③F 先对活塞做正功，后对活塞做
负功
D.过程①比过程②③缸内气体吸热多
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解析　过程①气体温度升高，初、末状态压强不变，则体积变大，活塞向右运动。以活塞为研究对象，水平方向活塞受三个力，气体初、末状态压强均等于大气压强p0，此时F＝0。过程①缸内气体压强p 先增大后减小，则F 向左，且先增大后减小，一直对活塞做负功，故A正确，不符合题意；过程②缸内气体压强p 不变且等于p0，F＝0，故B正确，不符合题意；过程③缸内气体压强p 先减小后增大，则F向右，且先增大后减小，一直对活塞做正功，故C错误，符合题意；由热力学第一定律ΔU＝Q＋W，且W＝－p0ΔV＋WF，所以Q＝ΔU－WF＋p0ΔV，理想气体的温度变化相同时，内能变化量ΔU 相同，又体积变化量ΔV 相同，则WF 为负时Q 变大，因此过程①比过程②③缸内气体吸热多，故D正确，不符合题意。故选C。
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8.(2025·陕晋青宁卷)某种卡车轮胎的标准胎压范围为2.8×105Pa～3.5×105Pa 。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 为0.560 m3，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。
答案　(1)3.3×105 Pa　(2)6.6×104 J
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