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6.3 气体做功

热力学第一定律与热力学第二定律 · 高二
先确认一下:这一关能不能学
上面这几节是它的地基 —— 没通的话,补完再回来,比硬啃快得多。
讲清楚它是什么

定义 气体体积变化时,气体对外界或外界对气体所做的功,数值上等于压强与体积变化量的乘积。

从哪来 建立在1.3 压强(p)、1.1 体积(V)以及5.2 状态方程之上。压强提供了作用力的大小,体积变化提供了位移,状态方程则描述了这些状态量在过程中的约束关系。

为什么 从微观角度看,气体做功本质是气体分子撞击容器壁(活塞)并推动其移动的过程。宏观上,根据功的定义 $W = F \cdot L$,气体对活塞的压力 $F = pS$($S$为活塞面积),活塞移动距离为 $L$,则 $W = pSL$。由于体积变化量 $\Delta V = SL$,故 $W = p\Delta V$。若体积增大,气体对外做功,内能倾向于减少;若体积减小,外界对气体做功,内能倾向于增加。这是能量守恒在热力学系统中的具体体现。

适合类型:形象思维强、喜欢直观演示的学生** **讲法:活塞模型法** 1. **构建模型
想象一个水平放置的气缸,里面有一个光滑活塞。 2. 受力分析:告诉学生,气体分子像无数个小弹珠,疯狂撞击活塞。压强 $p$ 就是这些撞击的平均效果,它给活塞一个推力 $F=pS$。 3. 做功过程:当活塞向外移动距离 $L$ 时,气体“推”着活塞走了。这就好比人推车,力乘以距离就是功。 4. 公式推导:$W = F \cdot L = (pS) \cdot L = p(SL) = p\Delta V$。 5. 关键点:强调只有体积变化($\Delta V \neq 0$)才有功。如果体积不变(等容过程),活塞没动,虽然有力,但没有位移,所以 $W=0$。
适合类型:逻辑推理能力强、偏好数学推导的学生** **讲法:微元积分法(定性理解)** 1. **引入变量
指出在压缩或膨胀过程中,压强 $p$ 往往不是常数,而是随体积 $V$ 变化的。 2. 微元思想:将整个过程切成无数个极小的片段。在每个微小片段内,认为压强 $p$ 近似不变,体积变化为 $dV$。 3. 微元做功:微小功 $dW = p \, dV$。 4. 累积求和:总功就是所有微小功的累加,即 $W = \int p \, dV$。 5. 简化应用:在高二阶段,通常只处理压强恒定的情况(等压过程),此时积分简化为 $W = p(V_2 - V_1)$。让学生理解,$p-V$ 图线下方的面积就代表了功的大小,这为后续学习打下几何直观基础。
适合类型:喜欢生活类比、记忆点清晰的学生** **讲法:弹簧类比法** 1. **类比对象
把气体想象成一根被压缩的弹簧。 2. 做功对应: * 膨胀(体积变大):就像松开弹簧,弹簧推开手指。弹簧对外做功,自身储存的弹性势能(类比内能)减少。 * 压缩(体积变小):就像用手压弹簧,手对弹簧做功,弹簧储存的弹性势能(类比内能)增加。 3. 核心逻辑:做功是能量转移的方式。气体做功,能量流出;外界做功,能量流入。 4. 警示:弹簧的力随长度变化,气体的压强也随体积变化。但在简单计算中,我们常假设压强恒定,就像假设弹簧力恒定一样,方便计算。
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练一道
基础题
一定质量的理想气体,在压强保持 $2 \times 10^5 \, \text{Pa}$ 不变的情况下,体积从 $1 \, \text{m}^3$ 膨胀到 $3 \, \text{m}^3$。求气体对外界做的功。
变式
一定质量的理想气体,从状态A($p_A=1 \times 10^5 \, \text{Pa}, V_A=2 \, \text{m}^3$)变化到状态B($p_B=2 \times 10^5 \, \text{Pa}, V_B=1 \, \text{m}^3$)。若该过程在 $p-V$ 图上是一条直线,求外界对气体做的功。
试试手自己判
检测题
一定质量的理想气体,在压强恒为 $3 \times 10^5 \, \text{Pa}$ 的条件下,体积由 $0.5 \, \text{m}^3$ 压缩至 $0.2 \, \text{m}^3$。求此过程中外界对气体做的功。
看答案和判分标准
答案:$9 \times 10^4 \, \text{J}$
判对标准:
1. 正确识别为等压压缩过程(1分)。
2. 正确列出公式 $W = p |V_1 - V_2|$ 或 $W = p \Delta V$(注意取绝对值或明确是外界做功)(1分)。
3. 代入数据正确:$3 \times 10^5 \times (0.5 - 0.2)$(1分)。
4. 计算结果正确:$9 \times 10^4 \, \text{J}$(1分)。
5. 若学生写成负值但说明是气体对外做功,且数值正确,可酌情给分,但需指出题目问的是“外界对气体”。
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