6情境命題設(shè)計現(xiàn)代生活與科技中的熱學問題1.命題特點:熱力學問題是與日常生活關(guān)系密切的一類問題,生活中的很多問題可以應(yīng)用高中所學的熱力學問題解釋。如充氣、抽氣問題,液體表面張力、浸潤和不浸潤問題,等等。熱力學知識還經(jīng)常在科學研究、技術(shù)應(yīng)用中涉及。2.解題關(guān)鍵:構(gòu)建我們熟知的物理模型、一定質(zhì)量的理想氣體。應(yīng)用氣體實驗定律、熱力學定律解題。命題情境1生活應(yīng)用典例1中醫(yī)拔罐的物理原理是利用玻璃罐內(nèi)外的氣壓差使罐吸附在人體穴位上,進而治療某些疾病。常見拔罐有兩種,如圖所示,左側(cè)為火罐,下端開口;右側(cè)為抽氣拔罐,下端開口,上端留有抽氣閥門。使用火罐時,先加熱罐中氣體,然后迅速按到皮膚上,自然降溫后火罐內(nèi)部氣壓低于外部大氣壓,使火罐緊緊吸附在皮膚上。抽氣拔罐是先把罐體按在皮膚上,再通過抽氣降低罐內(nèi)氣體壓強。某次使用火罐時,罐內(nèi)氣體初始壓強與外部大氣壓相同,溫度為450K,最終降到300K,因皮膚凸起,內(nèi)部氣體體積變?yōu)楣奕莘e的2021。若換用抽氣拔罐,抽氣后罐內(nèi)剩余氣體體積變?yōu)槌闅獍喂奕莘e的20【解析】設(shè)火罐內(nèi)氣體初始狀態(tài)參量分別為p1、T1、V1,溫度降低后狀態(tài)參量分別為p2、T2、V2,罐的容積為V0,由題意知p1=p0、T1=450K、V1=V0、T2=300K、V2=20V021由理想氣體狀態(tài)方程得p0V0T代入數(shù)據(jù)得p2=0.7p0 ③對于抽氣拔罐,設(shè)初態(tài)氣體狀態(tài)參量分別為p3、V3,末態(tài)氣體狀態(tài)參量分別為p4、V4,罐的容積為V0',由題意知p3=p0、V3=V0'、p4=p2 ④由玻意耳定律得p0V0'=p2V4 ⑤聯(lián)立③⑤式,代入數(shù)據(jù)得V4=107V0' 設(shè)抽出的氣體的體積為ΔV,由題意知ΔV=V4-2021V0' 故應(yīng)抽出氣體的質(zhì)量與抽氣前罐內(nèi)氣體質(zhì)量的比值為Δmm=Δ聯(lián)立⑥⑦⑧式,代入數(shù)據(jù)得Δmm=1答案:1【變式1】桶裝純凈水及壓水裝置原理如圖所示。柱形壓水氣囊體積為V0,柱形水桶體積為70V0,高為35cm,水桶頸部的長度為10cm。當人用力向下壓氣囊時,氣囊中的空氣被壓入桶內(nèi),桶內(nèi)氣體的壓強增大,水通過細出水管流出。已知水桶所在處大氣壓強相當于10m水壓產(chǎn)生的壓強,當桶內(nèi)的水還剩5cm高時,桶內(nèi)氣體的壓強等于大氣壓強,忽略水桶頸部的體積。為能有水從出水管流出,至少需要把氣囊完全壓下的次數(shù)為(不考慮溫度的變化)。()A.2次 B.3次C.4次 D.5次【解析】選B。水剛好流出時,桶內(nèi)氣壓增大的數(shù)值為Δp=(30+10)cmH2O=40cmH2O設(shè)氣囊中氣體的體積為V0,n次壓入水桶的氣體,相當于一次壓入nV0到水桶內(nèi),使桶內(nèi)氣壓增加40cmH2O,只以壓入水桶中的氣體為研究對象,由玻意耳定律有p0×nV0=Δp×V代入數(shù)據(jù)解得n=2.8,所以至少需要壓下3次,故A、C、D錯誤,B正確?！咀兪?】氣墊運動鞋底部材質(zhì)導(dǎo)熱良好,防滑耐用,可以在運動過程中起到很好的緩沖作用。使用過程中,氣墊內(nèi)氣體被反復(fù)壓縮、擴張,下列說法正確的是()A.踩下時,氣墊內(nèi)氣體壓強增大B.踩下時,氣墊內(nèi)氣體平均動能增大C.踩下后抬起腳時,氣墊內(nèi)氣體向外界放熱D.踩下后抬起腳時,氣體對外做功數(shù)值大于氣體吸收的熱量【解析】選A。踩下時,由于導(dǎo)熱良好可認為氣體溫度不變,內(nèi)能保持不變,氣體平均動能不變,另由pVT=C可知氣墊內(nèi)氣體體積減小,氣體壓強增大,A正確,B錯誤;踩下后抬起腳時,氣體體積增大,氣體對外做功W<0,溫度不變則內(nèi)能不變ΔU=0,由ΔU=W+Q知Q命題情境2技術(shù)應(yīng)用類典例2負壓救護車,又被稱為“最強口罩”,是救護車的一種,主要用于危重感染患者的轉(zhuǎn)運與搶救,利用技術(shù)手段,使車內(nèi)氣壓低于外界大氣壓,所以帶病毒的空氣不能由車內(nèi)流向車外,會經(jīng)過無害化處理后再排出,從而限制病毒傳播,最大程度減少交叉感染。一般負壓值(車外與車內(nèi)氣壓差)為20~40Pa時效果比較理想。假設(shè)有一負壓救護車,開放狀態(tài)時,車內(nèi)外的氣壓均為p0,溫度均為T0;正常工作時,車內(nèi)溫度為65T0(1)若車在處于開放狀態(tài)時,使車內(nèi)密閉,將車內(nèi)溫度升高到65T0(2)車內(nèi)由開放狀態(tài)變?yōu)檎９ぷ鳡顟B(tài),需抽取出的氣體質(zhì)量與原來氣體質(zhì)量的百分比η為多少?(保留三位有效數(shù)字)【解析】(1)對車內(nèi)氣體,由查理定律得p0T0=p165T(2)對于車內(nèi)氣體,設(shè)正常工作狀態(tài)下抽取出的氣體體積為ΔV,由理想氣體的狀態(tài)方程得p0V需抽取的氣體質(zhì)量與原來氣體質(zhì)量的百分比η=ΔVV0+ΔV×100%答案:(1)65p0(2)16.【變式1】(多選·2022·湖南選擇考改編)利用“渦流效應(yīng)”可實現(xiàn)冷熱氣體的分離。如圖,一冷熱氣體分離裝置由噴嘴、渦流室、環(huán)形管、分離擋板和冷熱兩端管等構(gòu)成。高壓氮氣由噴嘴切向流入渦流室中,然后以螺旋方式在環(huán)形管中向右旋轉(zhuǎn)前進,分子熱運動速率較小的氣體分子將聚集到環(huán)形管中心部位,而分子熱運動速率較大的氣體分子將聚集到環(huán)形管邊緣部位。氣流到達分離擋板處時,中心部位氣流與分離擋板碰撞后反向,從A端流出,邊緣部位氣流從B端流出。下列說法正確的是()A.A端為冷端,B端為熱端B.A端流出的氣體分子熱運動平均速率一定小于B端流出的C.A端流出的氣體內(nèi)能一定大于B端流出的D.該裝置氣體進出的過程既滿足能量守恒定律,也滿足熱力學第二定律【解析】選A、B、D。依題意,中心部位為熱運動速率較低的氣體,與擋板相作用后反彈,從A端流出,而邊緣部分熱運動速率較高的氣體從B端流出;同種氣體分子平均熱運動速率較大,其對應(yīng)的溫度也就較高,所以A端為冷端、B端為熱端,故A正確;依題意,A端流出的氣體分子熱運動速率較小,B端流出的氣體分子熱運動速率較大,所以從A端流出的氣體分子熱運動平均速率小于從B端流出的,故B正確;A端流出的氣體分子熱運動速率較小,B端流出的氣體分子熱運動速率較大,則從A端流出的氣體分子平均動能小于從B端流出的氣體分子平均動能,內(nèi)能的多少還與分子數(shù)有關(guān),依題意,不能得出從A端流出的氣體內(nèi)能一定大于從B端流出的氣體內(nèi)能,故C錯誤;該裝置將冷熱不均的氣體進行分離,噴嘴處有高壓,即通過外界做功而實現(xiàn)的,并非是自發(fā)進行的,沒有違背熱力學第二定律;溫度較低的從A端出、較高的從B端出,也符合能量守恒定律,故D正確?！咀兪?】如圖所示為某學習小組制作的“水火箭”,其主體是一個容積為0.5L的飲料瓶,現(xiàn)裝入0.25L體積的水,再倒放安裝在發(fā)射架上,用打氣筒通過軟管向飲料瓶內(nèi)充氣,打氣筒每次能將50mL、壓強為p0=1.0×105Pa的外界空氣壓入瓶內(nèi),當瓶內(nèi)氣體壓強達到3p0時,“水火箭”可發(fā)射升空。已知大氣壓強為p0=1.0×105Pa,整個裝置氣密性良好,忽略飲料瓶體積的變化和飲料瓶內(nèi)、外空氣溫度的變化,求:(1)為了使“水火箭”能夠發(fā)射,需要打氣的次數(shù);(2)“水火箭”發(fā)射過程中,當水剛好全部被噴出前瞬間,瓶內(nèi)氣體壓強的大小?！窘馕觥?1)設(shè)至少需要打n次氣,打氣前飲料瓶內(nèi)空氣體積為V0=0.25L打氣前飲料瓶內(nèi)空氣壓強為p0,末狀態(tài)氣體的壓強為p=3p0根據(jù)玻意耳定律可得p0(V0+nΔV)=pV0解得n=10所以至少需要打氣10次才能使“水火箭”發(fā)射。(2)對“水火箭”加壓到發(fā)射,在水剛好全部被噴出時氣體的體積為V=0.5L根據(jù)玻意耳定律可得3p0V0=p'V解得p'=1.5×105Pa答案:(1)10次(2)1.5×105Pa【變式3】在高空飛行的客機上某乘客喝完一瓶礦泉水后,把瓶蓋擰緊。下飛機后發(fā)現(xiàn)礦泉水瓶變癟了,機場地面溫度與高空客艙內(nèi)溫度相同。由此可判斷,高