2019-2020學(xué)年高中物理 第十章 熱力學(xué)定律 3 熱力學(xué)第一定律 能量守恒定律練習(xí)（含解析）新人教版選修3-3.docx

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3　熱力學(xué)第一定律　能量守恒定律 課后篇鞏固提升 基礎(chǔ)鞏固 1.(多選)下列設(shè)想符合能的轉(zhuǎn)化和守恒的有(　　) A.利用永磁鐵和軟鐵的作用,做一架永遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)下去的機(jī)器 B.制造一架飛機(jī),不帶燃料,利用太陽(yáng)能就能飛行 C.做成一只船,利用水的流動(dòng),逆水行駛,不用其他力 D.制造一架火箭,利用核動(dòng)力駛離太陽(yáng)系 解析根據(jù)能量轉(zhuǎn)化與守恒定律可知B、D兩項(xiàng)正確。 答案BD 2.一定量的氣體吸收熱量,體積膨脹并對(duì)外做功,則此過(guò)程的末態(tài)與初態(tài)相比(　　) 　　　　　　　　　　　　　　　　 A.氣體內(nèi)能一定增加 B.氣體內(nèi)能一定減少 C.氣體內(nèi)能一定不變 D.氣體內(nèi)能的增減不能確定 解析由熱力學(xué)第一定律ΔU=Q+W,氣體吸收熱量,Q>0,體積膨脹對(duì)外做功W<0,但不能確定Q與W值的大小,所以不能判斷ΔU的正負(fù),則氣體內(nèi)能的增減也就不能確定,選項(xiàng)D正確。 答案D 3.下列說(shuō)法正確的是(　　) A.物體放出熱量,其內(nèi)能一定減小 B.物體對(duì)外做功,其內(nèi)能一定減小 C.物體吸收熱量,同時(shí)對(duì)外做功,其內(nèi)能可能增加 D.物體放出熱量,同時(shí)對(duì)外做功,其內(nèi)能可能不變 解析據(jù)熱力學(xué)第一定律可知,改變物體內(nèi)能有兩種方法:做功和熱傳遞,僅僅根據(jù)單一做功或熱傳遞均無(wú)法判斷內(nèi)能的變化情況,故A、B錯(cuò)誤;物體吸收熱量,內(nèi)能增加,對(duì)外做功,內(nèi)能減少;如果吸收熱量比對(duì)外做功更多,則物體內(nèi)能增加,故選項(xiàng)C正確;物體放出熱量和對(duì)外做功均會(huì)使內(nèi)能減少,故內(nèi)能一定減少,選項(xiàng)D錯(cuò)誤。 答案C 4.一定質(zhì)量的氣體,從狀態(tài)A變化到另一個(gè)狀態(tài)B的過(guò)程中,內(nèi)能增加了160 J,則下列關(guān)于內(nèi)能變化的可能原因的說(shuō)法中不可能的是(　　) A.從A到B的絕熱過(guò)程中,外界對(duì)氣體做功160 J B.從A到B的單純熱傳遞過(guò)程中,外界對(duì)氣體傳遞了160 J的熱量 C.從A到B過(guò)程中吸熱280 J,并對(duì)外做功120 J D.從A到B過(guò)程中放熱280 J,外界對(duì)氣體做功120 J 解析由熱力學(xué)第一定律ΔU=W+Q可知,A、B、C對(duì),D錯(cuò)。 答案D 5.(多選)一定量的理想氣體從狀態(tài)a開始,經(jīng)歷三個(gè)過(guò)程ab、bc、ca回到原狀態(tài),其p-T圖象如圖所示。下列判斷正確的是(　　) A.過(guò)程ab中氣體一定吸熱 B.過(guò)程bc中氣體既不吸熱也不放熱 C.過(guò)程ca中外界對(duì)氣體所做的功等于氣體所放的熱 D.a、b和c三個(gè)狀態(tài)中,狀態(tài)a分子的平均動(dòng)能最小 E.b和c兩個(gè)狀態(tài)中,容器壁單位面積單位時(shí)間內(nèi)受到氣體分子撞擊的次數(shù)不同 解析由p-T圖象可知過(guò)程ab是等容變化,溫度升高,內(nèi)能增加,體積不變,由熱力學(xué)第一定律可知過(guò)程ab一定吸熱,選項(xiàng)A正確;過(guò)程bc溫度不變,即內(nèi)能不變,由于過(guò)程bc體積增大,所以氣體對(duì)外做功,由熱力學(xué)第一定律可知,氣體一定吸收熱量,選項(xiàng)B錯(cuò)誤;過(guò)程ca壓強(qiáng)不變,溫度降低,內(nèi)能減少,體積減小,外界對(duì)氣體做功,由熱力學(xué)第一定律可知,放出的熱量一定大于外界對(duì)氣體做的功,選項(xiàng)C錯(cuò)誤;溫度是分子平均動(dòng)能的標(biāo)志,由p-T圖象可知,a狀態(tài)氣體溫度最低,則平均動(dòng)能最小,選項(xiàng)D正確;b、c兩狀態(tài)溫度相等,分子平均動(dòng)能相等,由于壓強(qiáng)不相等,所以單位面積單位時(shí)間內(nèi)受到氣體分子撞擊的次數(shù)不同,選項(xiàng)E正確。 答案ADE 6.如圖所示,A、B是兩個(gè)完全相同熱脹冷縮明顯的金屬球,初溫相同。A放在絕熱板上,B用絕熱繩懸掛。現(xiàn)只讓它們吸熱,當(dāng)它們升高相同的溫度時(shí),吸熱分別為QA、QB,則(　　) A.QA=QB B.QAQB D.無(wú)法確定 解析A、B升高相同的溫度,根據(jù)Q=cmΔt可知,升溫需要的能量是相同的。由于受熱膨脹,A的重心升高,重力勢(shì)能增加,吸熱QA一部分用于升溫,一部分用于增加重力勢(shì)能ΔEp,即QA=Q+ΔEp;B的重心降低,重力勢(shì)能減小,吸熱QB和減少的重力勢(shì)能ΔEp共同用于升溫,即Q=QB+ΔEp;顯然QA>QB。故選項(xiàng)C正確。 答案C 7.(1)空氣壓縮機(jī)在一次壓縮過(guò)程中,活塞對(duì)汽缸中的氣體做功為2.0105 J,同時(shí)氣體的內(nèi)能增加了1.5105 J。試問(wèn):此壓縮過(guò)程中,氣體　　　　　(選填“吸收”或“放出”)的熱量等于　　　　　J。 (2)若一定質(zhì)量的理想氣體分別按如圖所示的三種不同過(guò)程變化,其中表示等壓變化的是　　　　　(選填“A”“B”或“C”)。該過(guò)程中氣體的內(nèi)能　　　　　(選填“增加”“減少”或“不變”)。 解析(1)由熱力學(xué)第一定律W+Q=ΔU得Q=ΔU-W=-5104 J,說(shuō)明氣體放出熱量5104 J。 (2)由氣態(tài)方程pVT=C(常量)易判斷出C過(guò)程是等壓變化,該過(guò)程溫度升高,理想氣體的內(nèi)能增加。 答案(1)放出　5104　(2)C　增加 能力提升 1. (多選)如圖,A、B兩點(diǎn)表示一定質(zhì)量的某種理想氣體的兩個(gè)狀態(tài),當(dāng)氣體自狀態(tài)A變化到狀態(tài)B時(shí)(　　) A.體積必然變大 B.有可能經(jīng)過(guò)體積減小的過(guò)程 C.外界必然對(duì)氣體做功 D.氣體必然從外界吸熱 解析 根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程pVT=C(常數(shù)),得p=CVT,如圖所示可知A、B與O點(diǎn)的連線表示等容變化,直線AO的斜率大,CV大,則其體積小。所以圖象中狀態(tài)A的體積小于狀態(tài)B的體積,所以氣體自狀態(tài)A變化到狀態(tài)B的過(guò)程中,體積必然變大,故選項(xiàng)A正確。由于氣體變化的過(guò)程未知,可能經(jīng)過(guò)體積減小的過(guò)程,故選項(xiàng)B正確。根據(jù)熱力學(xué)第一定律ΔU=W+Q,氣體體積增大,所以氣體對(duì)外做正功,W為負(fù)值,從題圖中看出氣體溫度升高,即ΔU為正數(shù),所以Q必須為正數(shù),即氣體必須從外界吸熱。故選項(xiàng)C錯(cuò)誤,D正確。 答案ABD 2.如圖所示,給旱區(qū)送水的消防車停于水平地面。在緩慢放水過(guò)程中,若車胎不漏氣,胎內(nèi)氣體溫度不變,不計(jì)分子間勢(shì)能,則胎內(nèi)氣體(　　) A.從外界吸熱 B.對(duì)外界做負(fù)功 C.分子平均動(dòng)能減小 D.內(nèi)能增加 解析緩慢放水過(guò)程中,胎內(nèi)氣體壓強(qiáng)減小,氣體膨脹對(duì)外界做正功,選項(xiàng)B錯(cuò);胎內(nèi)氣體溫度不變,故分子平均動(dòng)能不變,選項(xiàng)C錯(cuò);由于不計(jì)分子間勢(shì)能,氣體內(nèi)能只與溫度有關(guān),溫度不變,內(nèi)能不變,選項(xiàng)D錯(cuò);由ΔU=W+Q知,ΔU=0,W<0,故Q>0,氣體從外界吸熱,選項(xiàng)A正確。 答案A 3. 固定的水平汽缸內(nèi)由活塞B封閉著一定量的理想氣體,氣體分子之間的相互作用可以忽略。假設(shè)汽缸的導(dǎo)熱性能很好,環(huán)境的溫度保持不變。若用外力F將活塞B緩慢地向右拉動(dòng),如圖所示,則在拉動(dòng)活塞的過(guò)程中,關(guān)于汽缸內(nèi)氣體的下列結(jié)論,其中正確的是(　　) A.氣體對(duì)外做功,氣體內(nèi)能減小 B.氣體對(duì)外做功,氣體內(nèi)能不變 C.外界對(duì)氣體做功,氣體內(nèi)能不變 D.氣體向外界放熱,氣體內(nèi)能不變 解析用力F緩慢拉活塞時(shí),氣體膨脹,對(duì)外做功,但由于汽缸的導(dǎo)熱性能很好,環(huán)境溫度又不變,汽缸會(huì)從外界吸收熱量而保持與環(huán)境溫度相同,因而氣體的內(nèi)能不變,故B選項(xiàng)正確。 答案B 4. 如圖,活塞將一定質(zhì)量的理想氣體封閉于導(dǎo)熱汽缸中,活塞可沿汽缸內(nèi)壁無(wú)摩擦滑動(dòng)。通過(guò)加熱使氣體溫度從T1升高到T2,此過(guò)程中氣體吸熱12 J,氣體膨脹對(duì)外做功8 J,則氣體的內(nèi)能增加了　　　　 J;若將活塞固定,仍使氣體溫度從T1升高到T2,則氣體吸收的熱量為　　　　 J。 解析根據(jù)ΔU=W+Q,則ΔU=(-8+12) J=4 J;若將活塞固定,仍使氣體溫度從T1升高到T2,則氣體既不對(duì)外做功,外界也不對(duì)氣體做功,則氣體吸收的熱量為Q=ΔU=4 J。 答案4　4 5.(1)一定質(zhì)量的理想氣體從狀態(tài)A經(jīng)過(guò)圖示中的B、C、D狀態(tài)回到狀態(tài)A,則由A變化到B,氣體內(nèi)能　　　　　(選填“增加”“減少”或“不變”);由D到A的過(guò)程中,氣體　　　　　(選填“吸收”或“放出”)熱量。 (2)在(1)中若氣體狀態(tài)C的體積VC=44.8 L,狀態(tài)D的體積VD=22.4 L,狀態(tài)D的溫度t0=0 ℃。 ①求氣體在狀態(tài)C的溫度。 ②若狀態(tài)D時(shí)的壓強(qiáng)為1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓,則狀態(tài)D時(shí)氣體分子間的平均距離是多少?(結(jié)果保留一位有效數(shù)字) 解析(1)從A到B,溫度升高,內(nèi)能增加。從D到A,是等容降溫,根據(jù)熱力學(xué)第一定律,W=0,ΔU<0,所以Q<0。 (2)①因?yàn)镃到D的過(guò)程是一個(gè)等壓變化, 因此VCTC=VDtD+273 代入數(shù)據(jù)得TC=546 K(或273 ℃也對(duì)) ②因?yàn)镈狀態(tài)是標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài),1 mol理想氣體的體積是22.4 L,因此每一個(gè)氣體分子占據(jù)的空間為VDNA=22.410-36.021023 m3=d3,解得d≈310-9 m。 答案(1)增加　放出 (2)①546 K　②310-9 m 6. 如圖所示,倒懸的導(dǎo)熱汽缸中封閉著一定質(zhì)量的理想氣體。輕質(zhì)活塞可無(wú)摩擦地上下移動(dòng),活塞的橫截面積為S,活塞的下面吊著一個(gè)重力為G的物體,大氣壓強(qiáng)恒為p0。起初環(huán)境的熱力學(xué)溫度為T0時(shí),活塞到汽缸底面的距離為L(zhǎng)。當(dāng)環(huán)境溫度逐漸升高,導(dǎo)致活塞緩慢下降,該過(guò)程中活塞下降了0.1L,汽缸中的氣體吸收的熱量為Q。求: (1)汽缸內(nèi)部氣體內(nèi)能的增量ΔU; (2)最終的環(huán)境溫度T。 解析(1)密封氣體的壓強(qiáng)p=p0-GS 密封氣體對(duì)外做功W=pS0.1L 由熱力學(xué)第一定律得ΔU=Q-W 得ΔU=Q-0.1p0SL+0.1LG。 (2)該過(guò)程是等壓變化,由蓋—呂薩克定律有 LST0=(L+0.1L)ST 解得T=1.1T0。 答案(1)Q-0.1p0SL+0.1LG　(2)1.1T0 7.某同學(xué)估測(cè)室溫的裝置如圖所示,用絕熱的活塞封閉一定質(zhì)量的理想氣體,氣缸導(dǎo)熱性能良好。室溫時(shí)氣體的體積V1=66 mL,將氣缸豎直放置于冰水混合物中,穩(wěn)定后封閉氣體的體積V2=60 mL。不計(jì)活塞重力及活塞與缸壁間的摩擦,室內(nèi)大氣壓p0=1.0105 Pa,阿伏加德羅常數(shù)NA=6.01023 mol-1。(取T=t+273 K) (1)求室溫是多少; (2)若已知該氣體在1.0105 Pa、0 ℃時(shí)的摩爾體積為22.4 L/mol,求氣缸內(nèi)氣體分子數(shù)目N;(計(jì)算結(jié)果保留兩位有效數(shù)字) (3)若已知該氣體內(nèi)能U與溫度T滿足U=0.03T(J),求在上述過(guò)程中該氣體向外釋放的熱量Q。 解析(1)由等壓變化得,V1T1=V2T2,即66T1=60273 解得T1=300.3 K或t=27.3 ℃ (2)N=VVmolNA=0.0622.46.01023≈1.61021 (3)根據(jù)關(guān)系式U=0.03T得,初狀態(tài)的氣體的內(nèi)能為U1=0.03T1=0.03300.3=9.009 J 末狀態(tài)氣體的內(nèi)能為U2=0.03T2=0.03273=8.19 J 內(nèi)能變化量ΔU=-0.819 J 氣體經(jīng)歷等壓變化,外界對(duì)氣體做功 W=p(V1-V2)=1105610-6 J=0.6 J 由熱力學(xué)第一定律,得:Q=ΔU-W=-0.819-0.6=-1.419 J 即氣體向外界釋放的熱量為1.419 J 答案(1)300.3 K(或27.3 ℃)　(2)1.61021　(3)1.419 J