名稱物理學(xué)本次理想氣體狀態(tài)方程及其應(yīng)用能量守恒定律及其應(yīng)用講解

課程名稱：物理學(xué)

本次課程：4.3

理想氣體狀態(tài)方程及其應(yīng)用

4.5能量守恒定律及其應(yīng)用

第三節(jié)理想氣體狀態(tài)方程及其應(yīng)用主題四熱現(xiàn)象及其應(yīng)用知識(shí)目標(biāo)：理解理想氣體的概念掌握理想氣體狀態(tài)方程理解并記憶熱力學(xué)第一定律、能量守恒定律

能力目標(biāo)：培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算、思考能力素質(zhì)目標(biāo)：由能量守恒定律引出“一分耕耘一分收獲”，培養(yǎng)學(xué)生勇于付出、樂于付出的精神自行車的輪胎打氣反映了氣體的壓強(qiáng)、體積等狀態(tài)參量之間存在著關(guān)系。

如圖4-3-1所示，當(dāng)我們給自行車的輪胎打氣時(shí)，總是覺得越打越費(fèi)力，打氣到一定程度的時(shí)候，有種很難再打進(jìn)去的感覺。

你一定有過這樣的生活經(jīng)歷吧，你能解釋這樣的現(xiàn)象嗎？為什么倒過熱水的瓶塞會(huì)跳起來？爆米花為什么在爆米花時(shí)會(huì)發(fā)生爆炸？一、理想氣體和理想氣體狀態(tài)方程理想氣體理想氣體:忽略分子大小及分子間相互作用的氣體。實(shí)際氣體（如氫氣、氧氣、氮?dú)?、空氣）在壓?qiáng)不太大，溫度不太低的條件下，都可以看成理想氣體。探究理想氣體的狀態(tài)方程

理想氣體狀態(tài)方程人們通過大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：一定質(zhì)量的氣體，無論氣體狀態(tài)發(fā)生任何變化，其壓強(qiáng)和體積的乘積與熱力學(xué)溫度的比值，始終保持不變，關(guān)系式如下：理想氣體狀態(tài)方程應(yīng)用解題在化工生產(chǎn)中，一個(gè)密閉反應(yīng)器中裝一定量的氣體，如果體積不變，要使其壓強(qiáng)增大到原來的2倍，須使其溫度由300k升到多少攝氏度？五、理想氣體狀態(tài)方程應(yīng)用解題可得一定質(zhì)量的理想氣體，經(jīng)過一膨脹過程，這一過程可以用下圖中的線段A、B、C來表示，在A、B、C的三個(gè)狀態(tài)下，氣體的溫度TA、TB、TC相比較，大小關(guān)系為A、TA=TB=TCB、TA<TB<TCC、TA>TB>TCD、TA=TC<TB練一練D練一練

四、觀察與體驗(yàn)升高相等增大等壓變化蓋.呂薩克定律…當(dāng)壓強(qiáng)不變時(shí)，體積與溫度成正比。（溫度越高,體積越大,也就是會(huì)熱膨脹）V1/T1=V2/T2等溫變化玻意耳-馬略特定律…P1V1=P2V2當(dāng)溫度不變時(shí)，壓強(qiáng)與體積成反比。（體積越小，壓強(qiáng)越大,也就是成為壓縮了的高壓氣體）等容變化查理定律當(dāng)體積不變時(shí)，壓強(qiáng)與溫度成正比。（溫度越高，壓強(qiáng)越大）P1/T1=P2/T202PART02氣體狀態(tài)方程的應(yīng)用氣體狀態(tài)方程的應(yīng)用氣體的狀態(tài)方程反映了理想氣體狀態(tài)變化時(shí)，氣體的體積、壓強(qiáng)和熱力學(xué)溫度之間的關(guān)系，是熱力學(xué)的基本方程，廣泛應(yīng)用與計(jì)算氣體的壓強(qiáng)、熱力學(xué)溫度、內(nèi)能變化、氣體做功以及氣體狀態(tài)變化時(shí)吸收或放出的熱量等?；どa(chǎn)中很多反應(yīng)物和生成物都是氣體，因此氣體的狀態(tài)方程廣泛應(yīng)用于化工生產(chǎn)中；在機(jī)械行業(yè)，氣體方程常用于計(jì)算熱機(jī)效率和制冷機(jī)的制冷系數(shù)；在醫(yī)學(xué)上氣體方程用于研究氣體栓塞現(xiàn)象；氣體狀態(tài)方程在環(huán)境、氣象等研究中都有重要應(yīng)用?？傊?，氣體的狀態(tài)方程是計(jì)算氣體狀態(tài)變化的基本方程，凡是與氣體狀態(tài)變化有關(guān)的生產(chǎn)或自然過程，都必須要應(yīng)用到氣體的狀態(tài)方程。氣體狀態(tài)方程的應(yīng)用氣體的狀態(tài)方程反映了理想氣體狀態(tài)變化時(shí)，氣體的體積、壓強(qiáng)和熱力學(xué)溫度之間的關(guān)系，是熱力學(xué)的基本方程，廣泛應(yīng)用與計(jì)算氣體的壓強(qiáng)、熱力學(xué)溫度、內(nèi)能變化、氣體做功以及氣體狀態(tài)變化時(shí)吸收或放出的熱量等。我國(guó)科學(xué)家將理想氣體狀態(tài)方程廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。例如，在化學(xué)工業(yè)中，他們利用這一方程來優(yōu)化化學(xué)反應(yīng)過程和氣體分離技術(shù)；在氣象學(xué)和環(huán)境科學(xué)中，科學(xué)家則通過理想氣體狀態(tài)方程來分析和預(yù)測(cè)大氣環(huán)境的變化和趨勢(shì)；在航空航天領(lǐng)域，科學(xué)家利用理想氣體狀態(tài)方程來預(yù)測(cè)和計(jì)算飛行器在高空稀薄大氣中的性能和行為；中國(guó)第一架“從零開始”自主研制的噴氣式干線大飛機(jī)氣體狀態(tài)方程的應(yīng)用

氣體在狀態(tài)變化時(shí)不僅體積、壓強(qiáng)、熱力學(xué)溫度發(fā)生變化，實(shí)際還會(huì)伴隨著氣體做功、氣體吸熱或放熱，因此研究氣體狀態(tài)變化往往與后面將要學(xué)習(xí)的熱力學(xué)第一定律結(jié)合起來進(jìn)行考慮。

例如，當(dāng)一定質(zhì)量氣體要保持壓強(qiáng)不變，體積增大，溫度就一定要升高，當(dāng)然氣體溫度升高，就必須要吸收熱量。又例如，當(dāng)氣體溫度不變體積膨脹時(shí)，由于氣體膨脹要消耗能量，要保持溫度不變，氣體就要吸收熱量。因此要學(xué)會(huì)從能量轉(zhuǎn)化和守恒的角度研究氣體狀態(tài)變化。本節(jié)內(nèi)容小結(jié)1、理想氣體和理想氣體的狀態(tài)方程2、氣體狀態(tài)方程的應(yīng)用第五節(jié)能量守恒定律及其應(yīng)用主題四熱現(xiàn)象及其應(yīng)用主要內(nèi)容熱力學(xué)第一定律能量守恒定律12生活中每天都在消耗能源，生活中應(yīng)該如何節(jié)省能源？【情境與問題】

有了家用電冰箱和空調(diào)器（圖4-5-1），人們就可以在炎熱的夏天吃到冰鎮(zhèn)的西瓜，也可以讓蔬菜、食品長(zhǎng)時(shí)間地保鮮；可以創(chuàng)造出涼爽潔凈的空氣環(huán)境，也可以在嚴(yán)寒的冬季創(chuàng)造出溫暖舒適的生活空間。01PART01熱力學(xué)第一定律一、熱力學(xué)第一定律的內(nèi)容二、熱力學(xué)第一定律中各物理量意義三、應(yīng)用解題應(yīng)用解題解：根據(jù)熱力學(xué)第一定律ΔE=Q+W，得W<0，所以氣體對(duì)外界做功，且做了2×105J的功。練一練容器中有一定量的氣體，其熱力學(xué)能為1000J，放在冰箱中降溫，放出300j的熱量，則其熱力學(xué)能為

J。然后，外界對(duì)該氣體做功500J，則其熱力學(xué)能為

J。在整個(gè)過程中該氣體的熱力學(xué)能共改變了

J。7001200200四、思考與討論五、應(yīng)用與拓展—電冰箱工作原理

電冰箱是利用制冷劑的物態(tài)變化來實(shí)現(xiàn)制冷過程的，現(xiàn)在常用的制冷劑是R600a（異丁烷）。

電冰箱主要由壓縮機(jī)、冷凝器、毛細(xì)管、蒸發(fā)器四個(gè)部分組成，如圖所示，除了蒸發(fā)器和部分毛細(xì)管裝在冷室（冷凍室和冷藏室）內(nèi)部外，其他部件都裝在冷室之外。這四個(gè)部分由管道連接，組成一個(gè)密閉的連通器系統(tǒng)，制冷劑作為工作物質(zhì)，由管道輸送，經(jīng)過這四個(gè)部分，完成工作循環(huán)。應(yīng)用與拓展—電冰箱工作原理①壓縮機(jī)是電冰箱的“心臟”，它消耗電能對(duì)來自蒸發(fā)器的制冷劑做功，將氣態(tài)制冷劑壓縮，使制冷劑的熱力學(xué)能增加，變成高溫高壓的蒸汽。②高溫高壓的制冷劑蒸汽來到冷凝器，由于制冷劑的溫度比外界空氣高，因此通過熱傳遞向空氣放熱，熱力學(xué)能減少，被冷卻而凝結(jié)成常溫高壓的液體。③常溫高壓的液態(tài)制冷劑進(jìn)入毛細(xì)管，由于毛細(xì)管的節(jié)流作用使一部分液態(tài)制冷劑汽化。制冷劑的熱力學(xué)能基本不變，但分子勢(shì)能增加，而分子動(dòng)能減少。最后制冷劑體積膨脹，溫度降低，變成低溫低壓的氣液共存狀態(tài)。④低溫低壓的制冷劑進(jìn)入蒸發(fā)器時(shí)，在低壓條件下迅速汽化和膨脹做功，熱力學(xué)能減少，溫度降到比冷室的溫度還低。然后，制冷劑通過熱傳遞從冷室吸取熱量，使熱力學(xué)能增加。應(yīng)用與拓展—電冰箱工作原理

通過蒸發(fā)器后的制冷劑全部蒸發(fā)變?yōu)闅怏w，再被吸入壓縮機(jī)，進(jìn)入下一個(gè)工作循環(huán)。

這樣，只要壓縮機(jī)工作，制冷劑就會(huì)循環(huán)流動(dòng)，不斷地從低溫?zé)嵩矗ɡ涫遥┪崃?，向高溫?zé)嵩矗諝猓┓懦鰺崃浚估涫冶３州^低的溫度。

從整體上審視制冷劑的循環(huán)過程，其能量轉(zhuǎn)化滿足如下的關(guān)系：從低溫?zé)嵩次盏臒崃考由贤饨缢龅墓Γ▔嚎s機(jī)做功）等于向高溫?zé)嵩捶懦龅臒崃俊?2PART02能量守恒定律一、生活中能量轉(zhuǎn)化和守恒現(xiàn)象

不同的物質(zhì)有不同的運(yùn)動(dòng)形式，每種運(yùn)動(dòng)形式都有一種對(duì)應(yīng)的能量，跟機(jī)械運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)的是機(jī)械能，跟熱運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)的是熱力學(xué)能，跟其他運(yùn)動(dòng)形式對(duì)應(yīng)的還有電能、磁能、光能、核能、化學(xué)能等。

通過對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的研究，人們發(fā)現(xiàn)物體的動(dòng)能和勢(shì)能可以互相轉(zhuǎn)化，在一定的條件下，機(jī)械能守恒；通過對(duì)熱現(xiàn)象的研究，人們發(fā)現(xiàn)機(jī)械能可以和熱力學(xué)能互相轉(zhuǎn)化，如外界對(duì)物體做功會(huì)增加物體的熱力學(xué)能，物體對(duì)外界做功會(huì)減少物體的熱力學(xué)能；通過對(duì)其他運(yùn)動(dòng)形式的研究，人們發(fā)現(xiàn)其他形式的能也可以互相轉(zhuǎn)化，如：通電導(dǎo)線發(fā)熱，電能轉(zhuǎn)化為熱力學(xué)能；燃料燃燒生熱，化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱力學(xué)能；利用發(fā)電機(jī)發(fā)電，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。二、能量守恒定律

在19世紀(jì)中葉，邁耶、焦耳和亥姆霍茲等科學(xué)家經(jīng)過長(zhǎng)期的實(shí)驗(yàn)探索，共同歸納出一個(gè)規(guī)律：

能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生，也不會(huì)憑空消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或者從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體，在轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的過程中其總量保持不變。這就是能量守恒定律。這是自然界中具有普遍意義的定律之一，也是各種自然現(xiàn)象都遵循的普遍規(guī)律。想一想1、把一塊冰放在房間里，過了一會(huì)，冰融化了，冰的熱力學(xué)能改變了沒有？符合能量守恒定律嗎？2、煤和石油的能量來自于哪里？三、能量守恒定律與永動(dòng)機(jī)

人們?cè)?jīng)設(shè)計(jì)過很多種永動(dòng)機(jī)，如圖4-5-3所示的機(jī)構(gòu)就是其中的一種：在一個(gè)輪子的齒形邊緣等距地安裝12個(gè)活動(dòng)的短桿。在桿端安上重球。設(shè)計(jì)者認(rèn)為，輪子右邊的球比左邊的球離軸遠(yuǎn)些，因此右邊球產(chǎn)生的力矩比左邊球的大。這樣，輪子就會(huì)永無休止地沿著順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)下去，并可以帶動(dòng)機(jī)器對(duì)外做功。四、思考與討論五、應(yīng)用與拓展減肥容易嗎？要減一公斤的脂肪，要上多上層樓？要減少1公斤的脂肪，就醫(yī)學(xué)觀點(diǎn)來計(jì)算，就必須消耗7700大卡能量。1大卡=1000卡路里1卡路里約等于4.186焦耳1公斤脂肪的能量為：7700*1000*4.186=32,232,200J取g=10m/s2

體重m=75kg樓層=3m需上樓14325層食物熱量表要健康地減肥來