高中物理人教版 (新课标)选修1四、气体学案

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通常说气体膨胀时都认为气体对外做功，实际上，这种理解是有前提的。气体在膨胀时只有受到外界的阻碍作用，如有活塞密闭，活塞外有气体等，即所谓“外界”的存在，才会对外做功，而一旦所谓“外界”没有的话，如活塞无质量，活塞另一侧是真空等情况，气体膨胀时就不对外做功，叫做自由膨胀。在分析题时一定要区分是气体膨胀还是气体的自由膨胀。
下面我们来对比一下两种变化的区别：
例如，如图1绝热汽缸内用绝热活塞封闭两部分理想气体，开始时活塞被固定，左侧a部分气体压强大于右侧b部分气体压强；当活塞固定取消后，a,b部分气体内能怎样变化呢？
活塞固定取消后，Pa>Pb，活塞向右侧移动，左侧气体膨胀，对活塞做功，右侧气体被压缩，活塞对右侧气体做功，左侧气体内能减少，右侧气体内能增加，如果活塞有质量，在活塞移动过程中，根据能量转化与守恒定律，左侧气体内能减少量等于活塞动能增量和右侧气体内能增量之和，若活塞无质量，则两侧气体内能变化量数值相等。当活塞再次静止时，活塞有无质量，两侧气体内能变化量数值一定相等。
a
b
真空
图1 图2
再如，如图2绝热汽缸被绝热活塞分成两部分，左侧装有理想气体，右侧为真空，开始活塞被固定，当活塞固定取消后，左侧气体内能怎样变化呢？
当活塞固定取消后，左侧气体膨胀，右侧为真空，不会阻碍活塞的运动，如果活塞有质量，气体对活塞做功，气体内能减少量等于活塞动能增量，如果活塞没有质量，则气体自由膨胀，不对外做功，内能不变。
例题：如图3所示，两个相通的容器P、Q间装有阀门K， P中充满气体，Q内为真空，整个系统与外界没有热交换。打开阀门K后，P中的气体进入Q中，最终达到平衡，则（ ）
K
Q
P
A．气体体积膨胀，内能增加
B．气体分子势能减少，内能增加
C．气体分子势能增加，压强可能不变 图3
D．Q中气体不可能自发地全部退回到P 中
分析：当打开阀门后，右侧为真空，左侧气体自由膨胀，不对外做功，若气体为理想气体，内能不变，温度不变，压强变小；若气体为一般气体，气体内能不变，体积增大，分子间距离变大，分子势能增大，分子动能减小，温度降低，压强减小，故D选项正确。