用微專題突破氣體實驗定律和熱力學第一定律的有關問題

◇ 江蘇 張志娟

微專題是指立足具體的學情、教情、考情,選擇一些切口小、針對強、挖掘深、角度新的“微型”專題,力求解決復習中的難點問題．現介紹在二輪復習的過程中,用微專題的形式復習氣體實驗定律和熱力學第一定律的有關問題,為新高考對相關問題的研究打下基礎．該微專題安排兩課時,一練一教．選題結合高考、以往練習和書本中的熱點、難點和可增分點,教學時需根據學生的完成情況有針對性地進行復習．

1 區分理想氣體和實際氣體,規范應用氣體實驗定律解決問題

1.1 區分理想氣體和實際氣體

例1氣體實驗定律的研究對象是一定質量的理想氣體,下列對理想氣體的理解正確的有( )．

A．理想氣體實際上并不存在,只是一種理想模型

B．只要氣體壓強不是很高就可視為理想氣體

C．一定質量的某種理想氣體的內能與溫度、體積都有關

D．在任何溫度、任何壓強下,理想氣體都遵循氣體實驗定律

分析本題同學們基本上都知道選A,但是大部分同學漏掉了選項D．可以通過回歸課本的方式解決這一問題,讓同學們明白選項A是建立在選項D的基礎之上,并做到正確區分理想氣體和實際氣體．在任何溫度、任何壓強下,都遵循氣體實驗定律的氣體稱為理想氣體；實際氣體在溫度不太低、壓強不太高時可視為理想氣體．選項D如果把“理想”二字去掉就不能選．

1.2 氣體實驗定律的應用

1)明確研究對象

應用氣體實驗定律解決問題時首先要找到一定質量的理想氣體．

例2一個足球的容積是2.5L,用打氣筒給這個足球加氣,每打一次都把體積為125m L、壓強與大氣壓相同的氣體打進球內．如果在打氣前足球就已經是球形并且里面的壓強與大氣壓相同,打了20次后,足球內部空氣的壓強是大氣壓的多少倍?(不考慮打氣過程中溫度的變化)

圖1

分析畫圖有助于學生理解打完氣后足球中的氣體來自兩部分．初狀態時足球中原有氣體和通過氣筒20次打進的氣體是分離的；末狀態兩部分氣體都打入足球．足球中原有氣體和通過氣筒20次打進的氣體的總和才是一定質量的理想氣體．

2)確定初末狀態

應用氣體實驗定律解決問題還要準確找到初、末狀態下的溫度T、體積V和壓強p．

變式打氣前足球內壓強是大氣壓的2倍,求打完氣后足球內部空氣的壓強是大氣壓的多少倍?

分析這時初狀態下兩部分氣體的壓強是不同的,必須首先通過等溫變化將它們轉化為壓強相同的氣體才能把體積相加．

3)難點突破

對于一個熱力學系統,它的溫度、體積是顯而易見的,而壓強在有些問題中是難以確定的．另外,玻璃管模型和氣缸模型也是教學中的難點．

例3在做托里拆利實驗時,玻璃管有些殘存的空氣,此時玻璃管豎直放置,如圖2所示．假如把玻璃管豎直向上提起一段距離,玻璃管下端仍浸在水銀中,則管內水銀柱長度________,管內空氣壓強________(填“變大”“變小”或“不變”)．

圖2

分析先把玻璃管豎直向上提起一段距離的示意圖畫出來,請做對的同學來講解．設玻璃管的橫截面積為S,大氣壓為p0,水銀柱上方密閉氣體的壓強為p,對液面上方的水銀柱受力分析如圖3．運用分類討論法：如果水銀柱長度不變,mg不變,管內空氣的溫度不變,p V＝C,體積增大,壓強p減小,水銀柱無法平衡；如果水銀柱長度變小,mg變小,管內空氣體積增大,壓強p減小,水銀柱也無法平衡．所以水銀柱的長度變大,管內空氣壓強變小．

圖3

教師總結：應用氣體實驗定律解決問題需注意：1)研究對象為一定質量的理想氣體；2)明確初、末狀態下的T、V、p．玻璃管、氣缸模型要選取合適的研究對象進行受力分析．

2 理解并應用熱力學第一定律解決問題

1)適用條件

例4熱力學第一定律的內容為：一個熱力學系統的內能增量等于外界向它傳遞的熱量與外界對它所做的功的和．它并不是只適用于一定質量的理想氣體．關于物體的內能、溫度和分子的平均動能,下列說法正確的是( )．

A．溫度低的物體內能一定小

B．溫度低的物體分子運動的平均動能一定小

C．外界對物體做功時,物體的內能一定增加

D．做加速運動的物體,由于速度越來越大,因此物體分子的平均動能越來越大

分析物體的內能和物質的量、溫度、體積、物態都是有關系的,選項A錯誤．對于選項B,學生都能很快選出．主要是通過這個問題讓學生回憶熱力學第一定律的適用條件．

2)挖掘隱含條件

應用熱力學第一定律解決問題的過程中,有時學生不是不會應用熱力學第一定律,而是不能挖掘題目中的隱含條件．

例5在裝有食品的包裝袋中充入氮氣,然后密封進行加壓測試,測試時,對包裝袋緩慢地施加壓力．將袋內的氮氣視為理想氣體,則加壓測試過程中,包裝袋內壁單位面積上所受氣體分子撞擊的作用力________(填“增大”“減小”或“不變”),包裝袋內氮氣的內能________(填“增大”“減小”或“不變”)．

分析對于一定質量的理想氣體：內能只和T有關,非加熱情況下“緩慢地改變體積”“導熱性良好”等意味著與外界始終處于熱平衡,溫度不變,內能不變．

3)明確各項正負

應用熱力學第一定律解決問題的過程中,學生經常會出現弄不清正負或不注意正負的問題．空氣的內能減少,ΔU為負,但是問減少多少應回答正值．同理,空氣放出熱量,Q為負,但是問放出的總熱量為多少應回答正值．

氣體實驗定律和熱力學第一定律可以通過一些紐帶聯系起來,因而試題經常對它們的綜合應用進行考查,同學們需要特別注意．