人教版 (2019)选择性必修 第三册2 热力学第一定律授课课件ppt

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1.会分析热力学第一定律与气体图像结合的问题(重点)。2.会分析热力学第一定律和气体实验定律的综合问题(难点)。
一、热力学第一定律与气体图像的结合
二、热力学第一定律和气体实验定律的综合
热力学第一定律与气体图像的结合
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？做了多少功？
答案　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。p－V图像中所围面积表示做功绝对值大小，W＝p1(V2－V1)。
(2)在变化过程中气体吸热还是放热？气体内能如何变化？
答案　由理想气体状态方程结合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。
　(2022·镇江市高二期末)一定质量的理想气体从状态a变化到状态b，其过程如p－T图像上从a到b的线段所示。在此过程中不正确的是A.气体的内能一直增加B.气体一直对外做功C.气体一直从外界吸热D.气体吸收的热量等于其内能的增加量
因从a到b气体温度升高，可知气体内能增加，A正确，不符合题意；因从a到b的p－T图像过原点，由 ＝C可知从a到b气体的体积不变，则从a到b气体不对外做功，B错误，符合题意；
因W＝0，ΔU>0，根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q可知，气体一直从外界吸热，且气体吸收的热量等于内能增加量，C、D正确，不符合题意。
　(2022·江苏卷)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bB.状态a的温度高于状态cC.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
由于a→b的过程为等温过程，即状态a和状态b温度相同，分子平均动能相同，对于理想气体，状态a的内能等于状态b的内能，故A错误；由于状态b和状态c体积相同，且pb定律有 可知Tb　(2022·盐城市高二期中)如图所示为一定质量的理想气体状态变化的V－T图像。已知气体在状态A时的压强为p0，则A.状态C时的压强为2p0B.B→C过程中气体从外界吸热C.A→B过程中外界对气体做功p0V0D.A→B过程中单个分子对容器壁的平均撞击力不变
B→C过程气体体积不变，则W＝0，温度降低，内能减小，即ΔU＜0，根据热力学第一定律可知Q＜0，即气体向外界放热，故B错误；A→B过程中体积减小，则外界对气体做功，由于压强变大，所以外界对气体做的功大于p0V0，故C错误；A→B过程中温度不变，所以单个分子对容器壁的平均撞击力不变，故D正确。
热力学第一定律和气体实验定律的综合
　(2023·南京市高二月考)如图所示一U形玻璃管竖直放置，右端开口，左管用光滑活塞和水银封闭一段空气柱。外界大气压为p0＝1.0×105 Pa，封闭气体的温度t0＝27 ℃，玻璃管的横截面积为S＝5.0 cm2，管内水银柱及空气柱长度如图所示。已知水银的密度为ρ＝13.6×103 kg/m3，重力加速度g＝10 m/s2；封闭气体的温度缓慢降至t1＝－3 ℃。(1)求温度t1＝－3 ℃时空气柱的长度L；
(2)已知该过程中气体向外界放出5.0 J的热量，求气体内能的变化量。(结果保留两位有效数字)
封闭气体的压强p＝p0＋ρgΔh＝1.272×105 Pa外界对气体做功W＝pS(L0－L)≈2.5 J由热力学第一定律ΔU＝W＋Q得ΔU＝－2.5 J，即内能减少了2.5 J。
　(2023·无锡市高二期中)一定质量的理想气体被活塞封闭在汽缸内，如图所示水平放置。活塞的质量m＝20 kg，横截面积S＝100cm2，活塞可沿汽缸壁无摩擦滑动但不漏气，开始时汽缸水平放置，活塞与汽缸底的距离L1＝12 cm，离汽缸口的距离L2＝3 cm。外界气温为27 ℃，大气压强为1.0×105 Pa，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相平，已知g＝10 m/s2，求：(1)此时气体的温度为多少？
当汽缸水平放置时，p0＝1.0×105 Pa，V0＝L1S，T0＝300 K，当汽缸口向上，活塞到达汽缸口时有p1S＝p0S＋mg，则p1＝1.2×105 Pa，V1＝
(2)在对缸内气体加热的过程中，气体膨胀对外做功，同时吸收Q＝370 J的热量，则气体增加的内能ΔU多大？
当汽缸口向上，未加热时，由玻意耳定律得p0L1S＝p1LS，则L＝10 cm，加热后，气体做等压变化，气体对外界做功，W＝－p1(L1＋L2－L)S＝－60 J，根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，得ΔU＝310 J。
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.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A.袋内气体体积减小，内能增大B.袋内气体体积减小，压强减小C.外界对袋内气体做功，内能减小D.袋内气体对外界做正功，压强减小
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，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正确，C错误；内能增大，则温度升高，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。
2.(2022·辽宁卷)一定质量的理想气体从状态a变化到状态b，其体积V和热力学温度T变化图像如图所示，此过程中该系统A.对外界做正功 B.压强保持不变C.向外界放热 D.内能减少
理想气体从状态a变化到状态b，体积增大，则理想气体对外界做正功，A正确；
理想气体从状态a变化到状态b，温度升高，内能增大，D错误；理想气体从状态a变化到状态b，理想气体对外界做正功且内能增大，则根据热力学第一定律可知，气体从外界吸收热量，C错误。
3.(2022·宿迁市高二月考)一定质量的理想气体由状态A到状态B的p－T图线如图所示，可知在由A到B的过程中不正确的是A.气体分子的平均动能增大B.气体分子间的平均距离增大C.气体的压强增大，体积减小D.气体一定吸收热量
由题图知，气体的温度升高，温度是气体分子平均动能的标志，所以气体分子的平均动能增大，A正确；
由题图知，由A到B过程，气体的温度升高，内能增大，体积增大，气体对外做功，根据热力学
第一定律ΔU＝W＋Q可知，气体一定吸收热量，D正确。
4.(2023·南京市高二期末)如图所示，一定质量的理想气体经历A→B的等压过程和B→C的绝热过程(气体与外界无热量交换)，则下列说法正确的是A.A→B过程中，外界对气体做功B.A→B过程中，气体从外界吸收热量C.B→C过程中，气体分子的平均动能变大D.B→C过程中，单位体积内气体分子数目增多
由题意可知，A→B过程为等压过程，气体体积变大，由 ＝C，可知，压强不变，体积变大，则温度升高，气体内能增大，同时气体对外界做功，由热力学第一定律ΔU＝W＋Q，可知ΔU>0，W<0，故Q>0，气体从外界吸收热量，故A错误，B正确；
B→C过程中，气体体积变大，单位体积内气体分子数目减少，气体对外界做功，W<0，绝热过程Q＝0，由ΔU＝W＋Q，可知ΔU<0，气体温度降低，故气体分子的平均动能变小，故C、D错误。
5.(2023·泰州市高二期中)封有理想气体的导热汽缸开口向下被竖直悬挂，活塞下系有钩码P，整个系统处于静止状态，如图所示。若大气压恒定，系统状态变化足够缓慢。下列说法中正确的是A.外界温度升高，气体的压强一定增大B.外界温度升高，外界可能对气体做正功C.保持气体内能不变，增加钩码质量，气体一定吸热D.保持气体内能不变，增加钩码质量，气体体积一定减小
因为系统状态变化足够缓慢，所以活塞可视为始终受力平衡，外界温度升高，但大气压强和钩码质量不变，所以气体的压强不变，故A错误；气体经历等压变化，根据盖－吕萨克定律可知气体温度升高，体积增大，外界一定对气体做负功，故B错误；
保持气体内能不变，增加钩码质量，气体压强减小，根据玻意耳定律可知气体体积增大，对外做功，又根据热力学第一定律可知气体一定吸热，故C正确，D错误。
6.(2023·泰州市高二期中)一定质量的理想气体从状态A依次经过状态B、C和D后又回到状态A，其中C→D→A为等温过程。该循环过程如图所示，下列说法正确的是A.A→B过程中，气体对外做功大于从外界吸收的热量B.B→C过程中，单位时间内单位面积气体撞击器壁的 分子数减少C.气体状态A时内能大于状态C时内能D.从状态A经一个循环又回到A的全过程中，气体吸收的热量小于放出的 热量
A→B过程中，气体压强不变，体积变大，则温度升高，气体对外做功，内能增加，根据ΔU＝W＋Q可知，气体从外界吸收的热量大于对外做功，选项A错误；B→C过程中，气体体积不变，压强减小，温度
降低，气体的平均速率减小，单位时间内单位面积气体撞击器壁的分子数减少，选项B正确；状态A和状态C，气体的温度相同，则气体在A、C状态的内能相同，选项C错误；
从状态A经一个循环又回到A的全过程中，气体内能不变，整个过程气体对外做功(大小等于图像ABCDA围成的面积)，则整个过程气体吸收热量，即气体吸收的热量大于放出的热量，选项D错误。
7.一定质量的理想气体从状态a开始，经历ab、bc、ca三个过程回到原状态，其V－T图像如图所示，pa、pb、pc分别表示状态a、b、c的压强，下列说法正确的是A.状态a、b、c的压强大小满足pb＝pc＝9paB.a到b过程中气体内能减小C.b到c过程中气体放出热量D.c到a过程中每一个分子的速率都不变
a到b过程中，温度升高，内能增大，故B错误；b到c过程中，温度降低，内能减小，即ΔU<0，体积减小，外界对气体做功，W>0，由热力学第一定律可知Q<0，即气体放出热量，故C正确；温度是分子平均动能的标志，是大量分子运动的统计结果，对单个分子没有意义，故D错误。
8.(2022·镇江市大港中学高二校考期末)如图所示，ABCA表示一定质量的理想气体的一个循环过程，下列说法正确的是A.在A→B过程中，气体对外做了功B.B→C过程中，气体内能不变C.C→A过程中，气体内能减少D.A→B→C过程中，气体放热
由题图可知，A→B过程中，气体发生等压变化，温度降低，由盖－吕萨克定律可知，气体体积减小，外界对气体做功，A错误；由题图可知，B→C过程中，p－T图像过原点，
气体发生等容变化，气体温度升高，内能增加，B错误；由题图可知，C→A过程中，气体温度保持不变，气体内能不变，该过程气体压强减小，C错误；
由图像可知，A→B过程压强不变而温度降低，内能减少，体积减小，根据热力学第一定律可知ΔUAB＝Q放＋W，W>0B→C过程为等容变化，温度升高，内能增加，
根据热力学第一定律可知ΔUBC＝Q吸＋W，W＝0B→C过程和A→B过程温度的变化相等，则内能的变化相等，所以A→B过程中气体放出的热量大于B→C过程中吸收的热量，A→B→C过程中，气体放热，D正确。
9.(2022·苏州市高二期末)如图所示，一定质量的理想气体由状态A经状态B变化到状态C的p－V图像如图所示，已知气体从状态A变化到状态B的过程中吸收的热量为Q1，气体对外做功W1；从状态B变化到状态C过程中吸收的热量为Q2，气体对外做功W2，N1、N2分别表示A、B两个状态下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，则下列说法正确的是A.Q1根据图像可知，A、B、C状态对应的pV乘积分别为3p0L、4p0L、3p0L，所以TA＝TC由A至B，根据热力学第一定律知ΔU1＝Q1－W1>0，Q1>W1＝2.5p0L，由B至C，ΔU2＝Q2－W2<0，Q2<1.5p0L，所以Q1>Q2，故A错误；
假设A至B温度不变，分子平均速率不变，则分子每次碰撞器壁的平均作用力不变，气体体积增大，分子数密度减小，所以，单位时间内撞击容器壁上单位面积的平均次数减小，压强减小，实际上，气体
温度升高，气体分子平均速率增大，每次碰撞的平均作用力增大，单位时间内撞击容器壁上单位面积的平均次数更小，所以N1>N2，故B错误；由于ΔU1＝Q1－W1>0ΔU2＝Q2－W2<0，ΔU1＝－ΔU2，所以Q1－W1＝W2－Q2变形得Q1＋Q2＝W1＋W2＝4p0L，故C正确，D错误。
10.(2022·盐城市高二期中)如图所示，一定质量的理想气体被活塞封闭在圆柱形汽缸内，质量m＝20 kg、横截面积S＝100 cm2的活塞，可沿汽缸壁无摩擦滑动并保持良好的气密性，整个装置与外界绝热。初始时气体的温度t＝27 ℃，活塞距离汽缸底部的高度h1＝0.8 m，大气压强p0＝1.0
×105 Pa。现用电热丝对气体缓慢加热，使活塞上升高度h2＝0.2 m，此过程中气体吸收的热量为500 J，取重力加速度g＝10 m/s2，求：(1)活塞上升h2＝0.2 m时，气体的温度为多少摄氏度；
设气体压强为p，根据活塞受力平衡得
则t2＝102 ℃，故气体的温度102 ℃。
(2)此过程中气体内能的增加量。
根据热力学第一定律，有ΔU＝W＋Q，其中W＝－pSh2＝－240 J，则有ΔU＝260 J，故此过程中气体内能的增加量为260 J。
11.(2022·徐州市高二期中)如图所示为某同学设计的减震器原理图。导热性能良好的密闭汽缸深度为h，横截面积为S，托盘、连杆及活塞总质量为M，将物体轻轻放在托盘上，汽缸内的活塞会下沉。为保证减震效果，活塞与缸底间距不得小于0.1h。开始时环境温度为T0，托盘上未放置物体，活塞处于缸体的中间位置。已知气体内能和温度的关系式为U＝kT(k为常数)，外界大气压强为p0，重力加速度为g。(1)求缸内气体的压强p1；
对活塞受力分析，由平衡条件得p1S＝Mg＋p0S
(2)若环境温度保持不变，求在托盘上放置物体的最大质量mmax；
由玻意耳定律，有p1(0.5hS)＝p2(0.1hS)
(3)现在托盘上放上质量为第(2)中所述的物体，稳定后，再对汽缸缓慢加热一段时间，使活塞又回到缸体正中间。求加热过程中气体从外界吸收的热量Q。
答案　4kT0＋2(Mg＋p0S)h
且ΔU＝kΔT＝k(T1－T0)，W＝－p2ΔV由热力学第一定律ΔU＝Q＋W解得Q＝4kT0＋2(Mg＋p0S)h故加热过程中气体从外界吸收的热量为4kT0＋2(Mg＋p0S)h。
12.(2022·南通市高二期中)一定质量的理想气体从状态a开始，经历等温或等压过程ab、bc、cd、da回到原状态，其p－T图像如图所示。其中对角线ac的延长线过原点O。下列判断正确的是A.气体在状态a时的体积大于它在状态c时的体积B.在过程cd中气体向外界放出的热量大于外界对 气体做的功C.在过程da中气体从外界吸收的热量小于气体对外界做的功D.在过程da中气体对外界做的功等于过程bc中外界对气体做的功
根据p＝ 状态a与状态c在同一条过原点的倾斜直线上，故气体在状态a时的体积等于它在状态c时的体积，故A错误；在过程cd中温度不变，内能不变ΔU＝0，根据玻意
耳定律可知，从c到d体积减小，外界对气体做正功W>0，根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，所以W＝|Q|，所以在过程cd中气体向外界放出的热量等于外界对气体做的功，故B错误；在过程da中，气体发生等压变化，温度升高，内能增大ΔU>0，气体体积变大，外界对气体做负功即W<0，根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，Q＞|W|，所以在过程da中气体从外界吸收的热量大于气体对外界做的功，故C错误；
在过程bc中，气体发生等压变化，温度降低，内能减小，ΔU<0，气体体积减小，外界对气体做功，根据 ＝C，即pV＝CT，Wbc＝pΔVbc＝CΔTbc，da过程中，气体对外界做功|Wda|＝
|p′ΔVda|＝|CΔTda|，因为|ΔTbc|＝|ΔTda|，所以|Wbc|＝|Wda|，在过程bc中外界对气体做的功等于在过程da中气体对外界做的功，故D正确。