2024教科版高中物理选择性必修第三册同步
第三章 热力学定律
1 热力学第一定律 2 能量守恒定律
基础过关练
题组一 焦耳的实验
1.如图所示是焦耳研究热与功之间关系的两个典型实验,从焦耳的这两个实验中可得出的结论是 ( )
A.系统状态的改变只能通过传热来实现
B.机械能守恒
C.各种不同的绝热过程中,系统状态改变与做功方式无关,仅与做功数量有关
D.各种不同的绝热过程中,系统状态改变不仅与做功方式有关,还与做功数量有关
题组二 做功、热量和内能的关系
2.(2023河南焦作期中)关于内能的变化,以下说法正确的是 ( )
A.物体吸收热量,内能一定增大
B.物体对外做功,内能一定减少
C.物体吸收热量,同时对外做功,内能可能不变
D.物体放出热量,同时对外做功,内能可能不变
3.如图为某种椅子与其升降部分的结构图,M、N两筒间密闭了一定质量的气体,M可沿N的内壁上下滑动。设筒内气体不与外界发生热交换,在M向下滑动的过程中 ( )
A.外界对气体做功,气体内能增加
B.外界对气体做功,气体内能减少
C.气体对外界做功,气体内能增加
D.气体对外界做功,气体内能减少
题组三 热力学第一定律的应用
4.(2023山东德州平原月考)一定质量的理想气体,从某一状态开始经过一系列改变后又回到开始状态,用W1表示外界对气体做功,W2表示气体对外界做功,Q1表示气体吸收的热量,Q2表示气体放出的热量,则整个过程一定有 ( )
A.Q1-Q2=W2-W1 B.Q1=Q2
C.W2=W1 D.Q1>Q2
5.(2023江苏南京期中)一定质量的理想气体在某一过程中,外界对气体做了8×104 J的功,气体的内能减少了1.2×105 J,则下列各式正确的是 ( )
A.W=8×104 J,ΔU=1.2×105 J,Q=4×104 J
B.W=8×104 J,ΔU=-1.2×105 J,Q=-2×105 J
C.W=-8×104 J,ΔU=1.2×105 J,Q=2×105 J
D.W=-8×104 J,ΔU=-1.2×105 J,Q=-4×104 J
6.(2023山东青岛期中)美丽的氢气球是很多小孩喜欢的玩具。将一个氢气球释放,它会在空中持续上升,环境温度降低,气球体积变大,在此过程中气球内气体放出热量。若氢气球不漏气,下列说法正确的是 ( )
A.气体分子平均间距减小
B.气体的压强不会发生变化
C.外界将对氢气球内气体做正功
D.气体放出的热量小于内能的减少量
7.(2023四川成都期末)如图所示,某同学将空的玻璃瓶开口向下缓缓压入水中,设水温均匀且恒定,瓶内空气无泄漏,不计气体分子间的相互作用,则被淹没的玻璃瓶在下降过程中,瓶内气体 ( )
A.内能增加 B.向外界放热
C.对外界做正功 D.分子平均动能减小
8.(2022重庆西南大学附属中学期中)膨化食品包装袋内通常会封闭少量空气,包装袋不漏气,且该部分气体可视为理想气体。下列说法中正确的是 ( )
A.用手轻捂包装袋,一段时间后,袋内气体膨胀且吸收热量
B.将包装袋放入冷藏室,一段时间后,所有分子动能减小且内能减小
C.用筷子缓慢拍打包装袋,袋内气压变大且从外界吸热
D.用筷子快速拍打包装袋,单位体积内气体分子数变多,内能增大
9.(2023四川德阳期中)一定质量的理想气体从状态A经过状态B变化到状态C,其V-T图像如图所示。下列说法正确的是 ( )
A.B→C过程中,气体压强不变
B.A→B过程中,气体吸收热量
C.A→B过程中,气体对外界做功
D.A→B→C过程中,气体的内能增加
10.(2023江苏盐城期中)如图所示,内壁光滑的绝热汽缸竖直固定在水平面上,用质量为m的绝热活塞把缸内空间分成两部分。两部分中封闭有相同质量和温度的同种理想气体,活塞用销钉K固定,已知P部分的气体体积小于Q部分的气体体积,活塞能上、下自由移动。现拔掉销钉,活塞移动一小段距离后再将其固定。下列说法正确的是 ( )
A.两部分气体的内能之和增大
B.两部分气体的内能之和不变
C.两部分气体的温度都升高
D.两部分气体的温度都降低
题组四 能量守恒定律的理解和应用
11.(2023四川宜宾月考)下列关于第一类永动机的说法正确的是 ( )
A.永动机是不消耗任何能量却能源源不断地对外做功的机器
B.永动机不能制成的原因是违背了热力学第一定律
C.永动机不能制成的原因是技术问题
D.永动机不能制成的原因是违背了能量守恒定律
12.(2023广东中山期中)一种冷暖两用型空调在制热时,每消耗1 J电能,放出约3 J的热量。下列说法正确的是 ( )
A.空调制热过程产生了新能量
B.空调制热时放出的热量全部是由电能转化而来的
C.此过程违反了能量守恒定律
D.空调制热时放出的热量,一部分是由电能转化而来,另一部分则是从外界吸收而来
能力提升练
题组一 热力学第一定律的应用
1.(2023四川绵阳月考)如图所示,水平放置的密封汽缸内的气体被一竖直隔板分隔为左右两部分,隔板可在汽缸内无摩擦滑动,右侧气体内有一电热丝。汽缸壁和隔板均绝热。初始时隔板静止,左右两边气体的温度相等。现给电热丝提供一微弱电流,通电一段时间后切断电源,当缸内气体再次达到平衡时,与初始状态相比 ( )
A.右边气体温度升高,左边气体温度不变
B.左右两边气体温度都升高
C.左边气体压强增大
D.右边气体内能的增加量等于电热丝放出的热量
2.(2023山东聊城期末)如图所示,汽缸内封闭一定质量的理想气体。现缓慢地向活塞上倒一定质量的细沙,忽略环境的温度变化,在此过程中,关于汽缸内气体的状态变化,下列说法正确的是 ( )
A.如果汽缸、活塞导热良好,汽缸内气体的内能必增大
B.如果汽缸、活塞导热良好,汽缸内气体向外放热
C.如果汽缸、活塞绝热良好,汽缸内气体分子的平均动能不变
D.如果汽缸、活塞绝热良好,汽缸内所有气体分子的运动速率都变大
题组二 热力学第一定律的图像问题
3.(2023四川内江模拟)如图所示,一定质量的理想气体从状态a开始,经历过程①、②、③、④到达状态e。对此气体,下列说法正确的是 ( )
A.过程①中气体的压强逐渐减小
B.过程②中气体对外界做正功
C.过程④中气体从外界吸收了热量
D.状态c、d的内能相等
E.状态d的压强比状态b的压强小
4.(2023江西宜春高安月考)如图所示,一定质量的理想气体从状态A依次经过状态B、C和D后再回到状态A。其中,A到B和C到D为等温过程,B到C和D到A为绝热过程。该循环过程中,下列说法正确的是 ( )
A.A到B过程中,气体对外界做功,吸热
B.B到C过程中,气体分子的平均动能增大
C.D到A过程中,气体分子的速率分布曲线发生变化
D.该循环过程中,气体放热
5.(2023山东潍坊模拟)如图所示,一定质量的某种理想气体在状态a时的压强为p0。从状态a到状态c,该气体从外界吸收的热量为Q,在V-T图像中ac的反向延长线过坐标原点O,从状态c到状态b温度不变,则 ( )
A.气体在状态c的体积为1.5V0
B.气体在状态b的压强为p0
C.从状态a到状态c,气体对外界做功为-p0V0
D.从状态a到状态b,气体内能的增加量为Q-p0V0
题组三 热力学第一定律与气体实验定律的综合
6.(2023四川攀枝花期中)如图所示是一种演示气体实验定律的仪器——哈勃瓶,它是一个底部开有圆孔、瓶颈很短的平底大烧瓶,在瓶内塞有一气球,气球的吹气口反扣在瓶口上,瓶底的圆孔上配有一个橡皮塞。在一次实验中,瓶内由气球和橡皮塞封闭一定质量的气体,开始时气球自然松弛,气球内气体与外界连通,气体体积为V,瓶内气体体积为2V,用打气筒出气口紧密贴合气球吹气口并向气球内缓慢打入气体,直至气球体积增大到2V。容器和气球导热良好,外界温度不变,气球厚度不计、重力不计,大气压强为p0,在此过程中 ( )
A.瓶内气体内能减小
B.瓶内气体吸热
C.瓶内气体压强由p0变为2p0
D.气球中充入的气体质量等于开始时气球中气体质量
7.(2023湖北黄冈期中)如图甲所示,一高度为H的汽缸直立在水平地面上,汽缸壁和活塞都是绝热的,活塞横截面积为S,在缸的正中间和缸口处有固定卡环,活塞可以在两个卡环之间无摩擦运动。活塞下方封闭有一定质量的理想气体,已知理想气体的内能U与温度T的关系为U=αT,α为正且为常量,重力加速度为g。开始时封闭气体的温度为T0,压强等于外界大气压强p0。现通过电热丝缓慢加热,封闭气体先后经历了如图乙所示的三个状态变化过程,则 ( )
甲
乙
A.活塞质量为
B.从b→c过程,气体对外做功p0SH
C.从a→d全过程,气体内能增加3αT0
D.从a→d全过程,气体吸收的热量小于其内能的增量
8.(2023四川资阳期末)如图为气压升降椅,可升降部分由坐凳和当活塞用的不锈钢圆柱组成,圆柱光滑、横截面积S=10 cm2,圆柱封闭着体积为V=120 cm3的理想气体。当小明坐上升降椅后,气体被压缩,椅子缓慢下降h=10 cm后静止。小明离开椅子后,椅子又缓缓上升到原来的位置。已知大气压为p0=1.0×105 Pa,椅子可移动部分质量m=2 kg,设环境温度不变,重力加速度为g=10 m/s2。求:
(1)小明坐上椅子前封闭气体的压强p1及小明的质量M;
(2)在小明坐上椅子到椅子恢复最初状态过程中,封闭气体放出的热量Q。
答案与分层梯度式解析
第三章 热力学定律
1 热力学第一定律 2 能量守恒定律
基础过关练
1.C 2.C 3.A 4.A 5.B 6.D
7.B 8.A 9.A 10.A 11.ABD 12.D
1.C 焦耳通过多次实验,最后得到的结论是:在各种不同的绝热过程中,系统状态的改变与做功方式无关,仅与做功数量有关,故选项C正确。
2.C 根据热力学第一定律ΔU=Q+W可知,物体内能的变化与做功及传热两个因素有关。物体吸收热量,内能不一定增大,因为物体可能同时对外做功,故内能可能增大、不变或减少,故A、B错误,C正确;物体放出热量,同时对外做功,内能一定减少,D错误。
3.A 因为M、N间被封气体的体积减小,所以外界对气体做功,即W>0;又因为气体不与外界发生热交换,所以ΔU=W,则ΔU>0,气体内能增加,故A正确。
4.A 由于从某一状态开始,经过一系列变化后又回到开始的状态,所以有ΔU=Q+W=0,而由题意可得W=W1-W2,Q=Q1-Q2,联立解得Q1-Q2=W2-W1,故A正确。
5.B 由于外界对气体做正功,W取正值,即W=8×104 J;内能减少,ΔU取负值,即ΔU=-1.2×105 J;根据ΔU=Q+W,可得Q=ΔU-W=-1.2×105 J-8×104 J=-2×105 J,B正确。
6.D 气球在上升的过程中,环境温度降低,气球体积变大,球内气体的分子数不变,气体分子平均间距增大;由理想气体状态方程=C知,气体压强减小,故A、B错误。气球体积变大,外界对气体做负功,即W<0,C错误。根据ΔU=W+Q,气体放出热量,Q<0,外界对气体做负功,W<0,故放出的热量小于内能的减少量,D正确。
7.B 被淹没的玻璃瓶在下降过程中,瓶内气体的温度不变,气体分子的平均动能不变,内能不变;压强变大,可知气体的体积减小,外界对气体做正功;根据热力学第一定律ΔU=Q+W可知,气体向外界放热。综上可知B正确,A、C、D错误。
8.A 用手轻捂包装袋,一段时间后,袋内气体温度升高,内能增加,压强增大,袋内气体膨胀,对外做功,根据热力学第一定律可知,袋内气体吸收热量,A正确;将包装袋放入冷藏室,一段时间后,袋内气体温度降低,分子的平均动能减小,内能减小,但并不是每个气体分子动能都减小,B错误;用筷子缓慢拍打包装袋,外界对袋内气体做功,但由于过程缓慢,气体温度始终与外界相同,故内能不变,根据热力学第一定律可知,袋内气体对外界放热,C错误;用筷子快速拍打包装袋,导致袋内气体温度升高,内能增大,气体压强增大,包装袋膨胀,则单位体积内的气体分子数变少,D错误。
9.A 由题图可知,B→C过程,V-T图线是过原点的直线,可知为等线,该过程气体的压强不变,A正确;A→B过程,气体的温度不变,而体积减小,可知气体的内能不变,外界对气体做功,即ΔU=0,W>0,根据热力学第一定律ΔU=W+Q,可知Q<0,即气体放出热量,故B、C错误;A→B→C过程,气体的温度降低,故气体的内能减小,D错误。
10.A 根据=C可知,初态时P部分的气体压强大于Q部分的气体压强,又由于活塞受到竖直向下的重力,则拔掉销钉时,活塞将向下移动,其重力势能减小,由能量守恒定律可知,两部分气体的内能之和增大,故A正确,B错误。活塞下移,P部分的气体对外界做功,同时外界对Q部分的气体做功,根据热力学第一定律ΔU=W+Q,由于汽缸及活塞绝热,可得Q=0,易知P部分气体的内能减小,温度降低,Q部分气体的内能增加,温度升高,故C、D错误。
11.ABD 第一类永动机是指不消耗任何能量却能源源不断对外做功的机器,这是人们的美好愿望,但它违背了热力学第一定律和能量守恒定律,这也是它不能制成的原因,故A、B、D正确,C错误。
12.D 该空调放出的热量,一部分是通过电流做功,消耗电能转化而来,另一部分则是从外界吸收而来,因此并不违反能量守恒定律,D正确,A、B、C错误。
能力提升练
1.BC 2.B 3.BDE 4.AC 5.BD 6.C 7.AC
1.BC 右边气体吸收热量后,温度升高,压强增大,隔板不再静止,向左移动,隔板对左边气体做功。对于左边的气体,根据热力学第一定律ΔU=W+Q,由于外界对左边气体做功,W>0;隔板和汽缸均绝热,Q=0,则ΔU>0,即左边的气体的内能增加,温度升高,A错误,B正确。左边气体体积减小,温度升高,由=C可知压强增大,C正确。右边气体推动隔板向左移动,对外做了功,根据热力学第一定律ΔU=Q+W,可知右边气体内能的增加量小于电热丝放出的热量,D错误。
2.B 若汽缸、活塞导热良好,缓慢加入细沙,气体在被压缩的过程中,与环境进行充分热交换,温度保持不变,则其内能不变;压缩气体,外界对气体做功,由热力学第一定律可知,气体将放出热量,A错误,B正确。若汽缸、活塞绝热良好,与外界没有热交换,压缩气体时,外界对气体做功,气体的内能增加,温度升高,气体分子的平均动能增大,但并不是所有分子速率都增大,C、D错误。
3.BDE 过程①是等容升温过程,由=可知压强逐渐增大,A项错误。过程②中气体膨胀,故气体对外界做正功,B项正确。过程④为等容降温过程,气体向外放出热量,C项错误。一定质量的理想气体的内能只与温度有关,而Tc=Td,所以状态c、d的内能相等,D项正确。由理想气体状态方程=C得p=C,由题图可知>,则pb>pd,E项正确。
4.AC A→B过程等温膨胀,气体的体积增大,气体对外界做功,温度不变,内能不变,根据ΔU=Q+W可知气体吸热,A正确;B→C过程绝热膨胀,气体对外做功,内能减小,温度降低,气体分子的平均动能减小,B错误;D→A过程绝热压缩,外界对气体做功,内能增加,温度升高,分子的平均动能增大,气体分子的速率分布曲线发生变化,C正确;整个循环过程中,根据W=pΔV及题图可知气体对外做功大于外界对气体做功,即W<0,而气体的内能不变,根据ΔU=Q+W可知气体吸热,D错误。
方法技巧 处理热力学第一定律与气体图像的综合问题的思路
(1)根据气体图像的特点判断气体的温度、体积的变化情况,从而判断气体与外界的吸、放热关系及做功关系。
(2)在p-V图像中,图线与V轴围成的面积表示气体对外界或外界对气体做的功。
(3)结合热力学第一定律判断有关问题。
5.BD 在V-T图像中,由于ac反向延长线过坐标原点O,可知a到c为等压过程,有=,解得Vc=2V0,A错误;从状态c到状态b为等温过程,有pb·3V0=p0·2V0,解得pb=p0,B正确;从状态a到状态c,气体对外界做功为W=p0·2V0-p0V0=p0V0,C错误;由题意知,从状态a到状态c,该气体从外界吸收的热量为Q,可知内能增加量为ΔU=Q-W,而从状态c到状态b为等温过程,内能不变,故从状态a到状态b的气体内能的增加量等于从状态a到状态c的内能增加量,为ΔU=Q-p0V0,D正确。
6.C 瓶内气体做等温变化,内能不变,故A错误;瓶内气体的体积减小,则外界对气体做功,根据热力学第一定律ΔU=Q+W可知,瓶内气体向外界放热,故B错误;对瓶内气体,根据等温变化规律有p0·2V=pV,解得p=2p0,故C正确;对气球中的气体,初状态压强和体积分别为p0、V,充气后的压强和体积分别为2p0、2V,则气球中原来气体与充入气球中气体的质量之比为=,D错误。
7.AC 在b→c过程中,气体等压升温膨胀,活塞受力平衡,有1.5p0S=p0S+Mg,解得活塞质量为M=,A正确;根据理想气体状态方程=C得p=C,p-T图线斜率不变时,体积不变,可知只有在b→c过程中气体对外做功,W=1.5p0S·=p0SH,B错误;在a→d全过程中,由理想气体状态方程有=,解得Td=4T0,可知气体内能的变化量ΔU=α(Td-T0)=3αT0,C正确;从a→d全过程,气体对外做功,根据热力学第一定律可知,气体吸收的热量大于其内能的增加量,D错误。
8.答案 (1)1.2×105 Pa 60 kg (2)60 J
解析 (1)初始状态时,以椅子可移动部分为研究对象,根据平衡条件得mg+p0S=p1S,
解得p1=p0+=1.2×105 Pa,
当小明坐上升降椅后,气体被压缩,椅子缓慢下降10 cm后静止,对小明与椅子可移动部分,有(m+M)g+p0S=p2S,
根据等温变化规律可得p1LS=p2(L-h)S,其中L=,
解得M=60 kg。
(2)环境温度不变,则气体内能不变,根据热力学第一定律可知W1-W2=Q,
其中W1=p2Sh,W2=p1Sh,解得Q=60 J。
方法技巧 流程法解决热力学第一定律问题
精品试卷·第 2 页 （共 2 页）
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