高中物理人教版 (2019)选择性必修 第三册2 热力学第一定律复习练习题

第三章　热力学定律

2　热力学第一定律

3　能量守恒定律

基础过关练

题组一　热力学第一定律的理解和应用

1.(2020江苏徐州一中高二下月考)密闭有空气的薄塑料瓶因降温而变扁,此过程中瓶内空气(不计分子势能)(　　)

A.内能增大,放出热量   B.内能减小,吸收热量

C.内能增大,对外界做功  D.内能减小,外界对其做功

2.(多选)下列过程可能发生的是(　　)

A.物体吸收热量,同时对外做功,内能增加

B.物体吸收热量,同时对外做功,内能减少

C.外界对物体做功,同时物体吸热,内能减少

D.外界对物体做功,同时物体放热,内能增加

3.(2019山东安丘一中高二下月考)一定量的气体在某一过程中,外界对气体做了8×104 J的功,气体的内能减少了1.2×105 J,则下列各式中正确的是(　　)

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

题组二　能量守恒定律的理解和应用

4.(多选)下列设想符合能量守恒定律的是(　　)

A.利用永久磁铁间的作用力造一台永远转动的机器

B.做成一条船利用河水的能量逆水航行

C.通过太阳照射飞机使飞机起飞

D.不用任何燃料使河水升温

5.(多选)如图所示,汽缸放置在水平地面上,质量为m的活塞将汽缸分成甲、乙两气室,两气室中均充有气体,汽缸、活塞是绝热的且不漏气。开始活塞被销钉固定,现将销钉拔掉,活塞最终静止在原位置下方h处,设活塞移动前后甲气室中气体内能的变化量为ΔE,不计气体重心改变的影响,重力加速度为g,下列说法正确的是(　　)

A.甲气室中气体体积减小,温度升高

B.ΔE>mgh

C.ΔE<mgh

D.ΔE=mgh

题组三　热力学第一定律与气体实验定律的综合

6.(2019山东济南部分重点中学高二下检测)(多选)如图所示,绝热的容器内密闭一定质量的理想气体(不考虑分子间的作用力),用电阻丝缓慢对其加热时,绝热活塞无摩擦地上升,下列说法正确的是(　　)

A.单位时间内气体分子对活塞碰撞的次数减少

B.电流对气体做功,气体对外做功,气体内能可能减少

C.电流对气体做功,气体又对外做功,其内能可能不变

D.电流对气体做的功一定大于气体对外做的功

7.(2019四川宜宾叙州二中高三上期末)(多选)如图所示,一定质量的理想气体从状态a变化到状态b,其过程如p-T图中从a到b的直线所示。在此过程中(　　)

A.气体的体积减小

B.气体对外界做功

C.气体的内能不变

D.气体先从外界吸收热量,后向外界放出热量

8.(2020江西临川一中高三上月考)如图,汽缸内封闭一定质量的某种理想气体,活塞通过滑轮和一重物连接并保持平衡,活塞距缸口0.2 m,活塞面积为10 cm2,大气压强为1.0×105 Pa,物重50 N,活塞质量及一切摩擦不计,缓慢升高环境温度,使活塞刚好升到缸口,封闭气体吸收了60 J的热量,那么封闭气体的压强将　　　　(填“增加”“减小”或“不变”),气体内能的变化量为　　　　J。 

能力提升练

题组一　热力学第一定律的理解和应用

1.(2020江苏徐州一中高二下月考,)固定的水平汽缸内由活塞B封闭着一定质量的理想气体。假设汽缸壁的导热性能良好,环境的温度保持不变。若用外力F将活塞B缓慢地向右拉动,如图所示,则在拉动活塞的过程中,关于汽缸内气体的下列结论,其中正确的是(　　)

A.气体对外做功,气体内能不变

B.气体对外做功,气体内能减小

C.外界对气体做功,气体内能不变

D.气体从外界吸热,气体内能减小

2.(2019浙江金华三校高二下检测,)如图所示,给旱区送水的消防车停于水平地面。在缓慢放水过程中,若车胎不漏气,胎内气体温度不变,不计分子间势能,则胎内气体(　　)

A.从外界吸热     B.对外界做负功

C.分子平均动能减小    D.内能增加

题组二　能量守恒定律的理解和应用

3.(2020河南林州一中高二下调研,)如图所示,直立容器内部有被隔板隔开的A、B两部分气体,A的密度小,B的密度大,抽去隔板,加热气体,使两部分气体均匀混合,设在此过程中气体吸热Q,气体内能增量为ΔU,则(　　)

A.ΔU=Q　　　　　　　　B.ΔU<Q

C.ΔU>Q　　　　　　　　D.无法比较

4.(2019陕西榆林二中高二下期末,)如图所示的容器中,A、B各有一个可自由移动的活塞,活塞下面是水,上面是大气,大气压恒定,A、B的底部由带阀门K的管道相连,整个装置与外界绝热,原先A中水面比B中高,打开阀门,使A中的水逐渐向B中流,最后达到平衡,在这个过程中(　　)

A.大气压力对水做功,水的内能增加

B.水克服大气压力做功,水的内能减少

C.大气压力对水不做功,水的内能不变

D.大气压力对水不做功,水的内能增加

题组三　热力学第一定律与气体实验定律的综合

5.(2020吉林长春二中高二下月考,)(多选)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→B和C→D为等温过程,B→C和D→A为绝热过程。该循环过程中,下列说法正确的是(　　)

A.A→B过程中,气体对外界做功,吸热

B.B→C过程中,气体分子的平均动能减小

C.C→D过程中,单位时间内碰撞单位面积器壁的分子数减少

D.D→A过程中,外界对气体做功,气体内能增加

6.(2020江苏南京中华中学高二下段考,)带有活塞的汽缸内封闭一定质量的理想气体。气体开始处于状态a,然后经过过程ab到达状态b或经过过程ac到达状态c,b、c状态温度相同,V-T图像如图所示。设气体在状态b和状态c时压强分别为pb和pc,在过程ab和ac中吸收的热量分别为Qab和Qac,则(深度解析)

A.pb>pc,Qab>Qac　　　　　　　　B.pb>pc,Qab<Qac

C.pb<pc,Qab>Qac　　　　　　　　D.pb<pc,Qab<Qac

7.(2019湖南雅礼中学高考模拟,)绝热汽缸倒扣在水平地面上(底部没有密封),缸内装有一电热丝,光滑的绝热活塞上方封闭了一定质量的理想气体,活塞下吊着一重为G的重物,活塞重为G0,活塞的横截面积为S,开始汽缸内封闭气柱的高为h,气体的温度为T1,大气压强为p0。现通过电热丝给气体加热,活塞缓慢下降(物体始终未碰到地面),当气体吸收热量为Q时,活塞下降了h。

(1)气体的温度升高了多少?

(2)气体的内能增加了多少?

答案全解全析

基础过关练

1.D　不计分子势能时,气体的内能由温度决定,当温度降低时,内能减小。塑料瓶变扁,内部气体体积减小,外界对它做了功,根据热力学第一定律ΔU=W+Q,它会放出热量,故D正确。

2.ABD　当物体吸收的热量多于对外做的功时,物体的内能增加,故A正确;当物体吸收的热量少于对外做的功时,物体的内能减少,故B正确;外界对物体做功,同时物体吸热,则物体的内能增加,故C错误;当物体放出的热量少于外界对物体做的功时,物体的内能增加,故D正确。

3.B　外界对气体做功,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。

4.BCD　利用磁场可能使磁铁所具有的磁场能转化为机器的动能,但机器不可能永远转动,故A错。让船先静止在水中,设计一台水力发电机获得足够电能,然后把电能转化为船的动能使船逆水航行;同理可使太阳能转化为飞机的动能,实现飞机起飞,故B、C正确。设计水坝利用河水的重力势能发电,电能可转化为内能使水升温,另外,重力势能还可以通过水轮机叶片转化为水的内能使水升温,故D正确。

5.AB　在绝热过程中,甲气室中气体体积减小,外界对它做正功,内能增加,温度升高,故A正确。乙气室中气体体积增加,它对外界做功,内能减少;活塞下落,重力势能减少,设乙气室中气体对活塞的力做功为W乙,且为正功,由能量守恒定律可以得出ΔE=mgh+W乙,故C、D错误,B正确。

6.AD　由题意知,气体压强不变,活塞上升,气体体积增大,由理想气体状态方程知,气体温度升高,气体内能增加,电流对气体做的功一定大于气体对外做的功,故B、C错误,D正确;由气体压强的微观解释知,温度升高,气体分子对活塞的作用力增大,而压强不变,因此单位时间内气体分子对活塞的碰撞次数减少,故A正确。

7.AC　由图示图线可知,由a到b过程气体温度保持不变而气体压强p增大,由玻意耳定律pV=C可知,气体体积V减小,故A正确;气体体积减小,外界对气体做功,W>0,故B错误;由图示图线可知,从a到b过程气体温度不变,气体内能不变,ΔU=0,故C正确;由热力学第一定律ΔU=W+Q可知,Q=ΔU-W=-W<0,气体向外界放出热量,故D错误。

8.答案　不变　50

解析　设大气压强为p0,封闭气体的压强为p,物体受到的重力为G,活塞的面积为S,对活塞,由平衡条件得p0S=pS+G。活塞缓慢升到缸口过程中,p0、S、G均不变,则封闭气体的压强p不变。活塞向上移动,气体对外做功,W取负值,W=-pSh=-(p0S-G)h=-10 J,气体吸收的热量为Q=60 J,由热力学第一定律可以知道,气体内能的变化量ΔU=Q+W=50 J。

能力提升练

1.A　气体体积变大,气体对外做功,又汽缸壁的导热性能良好,环境的温度保持不变,则气体做等温变化,内能不变。气体内能不变,又对外做功,由热力学第一定律得气体从外界吸热,故A正确,B、C、D错误。

2.A　缓慢放水过程中,车胎体积增大,胎内气体压强减小,气体膨胀对外界做正功,选项B错;胎内气体温度不变,故分子平均动能不变,选项C错;由于不计分子间势能,气体内能只与温度有关,温度不变,内能不变,选项D错;由ΔU=W+Q知ΔU=0,W<0,故Q>0,气体从外界吸热,选项A正确。

3.B　因为A的密度小,B的密度大,两部分气体混合均匀后整体的重心升高,重力势能增加,吸收的热量一部分用来增加气体内能,一部分用来增加系统的重力势能,根据能量守恒定律可知ΔU<Q,故选项B正确。

4.D　根据连通器原理,打开阀门K后,最终A、B中的水面将相平,如图所示

A中水面下降,B中水面上升,设A的横截面积为S1,水面下降距离为h1,B的横截面积为S2,水面上升距离为h2,由于水的总体积保持不变,则有S1h1=S2h2,A中大气压力对水做的功W1=p0S1h1,B中大气压力对水做的功W2=-p0S2h2,大气压力对水做的总功W=W1+W2=p0S1h1-p0S2h2,因为S1h1=S2h2,所以W=0,即大气压力对水不做功;由于水的重心降低,重力势能减小,由能量守恒定律知水的内能增加。故D正确,A、B、C错误。

5.ABD　A→B过程中,气体体积增大,气体对外界做功,温度不变,内能不变,气体吸热,故选项A正确。B→C过程中,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,故选项B正确。C→D过程中,等温压缩,体积变小,分子的数密度变大,单位时间内碰撞单位面积器壁的分子数增多,故选项C错误;D→A过程中,绝热压缩,外界对气体做功,气体内能增加,故选项D正确。

6.C　根据理想气体状态方程=C,得V=T,所以图像中与O点连线的斜率越大,表示压强越小,即pb<pc;经过过程ab到达状态b或经过过程ac到达状态c,温度变化情况相同,所以ΔU相等,又因经过过程ab到达状态b,气体体积增大,对外做功,W为负值,而经过过程ac到达状态c,气体体积不变,对外不做功,W为零,由热力学第一定律ΔU=W+Q,可知Qab>Qac,故C正确。

名师点睛

本题综合考查了理想气体状态方程的应用,内能的概念,热力学第一定律的应用。图线反映了气体体积的变化情况,由此可以知道外界与气体之间做功的情况。

7.答案　(1)T1　(2)Q+(G+G0)h-p0Sh

解析　(1)活塞下降的过程,缸内封闭气体发生的是等压膨胀

根据盖-吕萨克定律有=,即=,

解得T2=2T1

所以气体的温度升高了ΔT=T2-T1=T1。

(2)汽缸内封闭气体的压强为p=p0-

活塞向下运动的过程中,气体对外做功,W取负值

W=-pSh=(G+G0)h-p0Sh

根据热力学第一定律可知气体内能的增加量为

ΔU=Q+W=Q+(G+G0)h-p0Sh。