《2020高考物理一輪復(fù)習(xí) 第十三章 第3講 熱力學(xué)定律與能量守恒學(xué)案(含解析).doc》由會員分享,可在線閱讀,更多相關(guān)《2020高考物理一輪復(fù)習(xí) 第十三章 第3講 熱力學(xué)定律與能量守恒學(xué)案(含解析).doc(26頁珍藏版)》請?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。
第3講 熱力學(xué)定律與能量守恒
主干梳理 對點(diǎn)激活
知識點(diǎn) 熱力學(xué)第一定律 Ⅰ
1.改變物體內(nèi)能的兩種方式
(1)做功;
(2)熱傳遞。
2.熱力學(xué)第一定律
(1)內(nèi)容
一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)能增量等于外界向它傳遞的熱量與外界對它所做的功的和。
(2)表達(dá)式:ΔU=Q+W。
(3)ΔU=Q+W中正、負(fù)號法則
(4)ΔU=Q+W的三種特殊情況
①若過程是絕熱的,則Q=0,W=ΔU,外界對物體做的功等于物體內(nèi)能的增加。
②外界對系統(tǒng)做功為0,即W=0,則Q=ΔU,物體吸收的熱量等于物體內(nèi)能的增加。此處的W包含機(jī)械功、電流功等一切功。對于不涉及其他力做功的氣體等容過程,W=0,Q=ΔU。
③對于理想氣體,若過程是等溫的,即ΔU=0,則W+Q=0或W=-Q,外界對物體做的功等于物體放出的熱量。
知識點(diǎn) 熱力學(xué)第二定律?、?
1.熱力學(xué)第二定律的三種表述
(1)克勞修斯表述
熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體。
(2)開爾文表述
不可能從單一熱庫吸收熱量,使之完全變成功,而不產(chǎn)生其他影響?;虮硎鰹椤暗诙愑绖?dòng)機(jī)是不可能制成的?!?
(3)用熵的概念表示熱力學(xué)第二定律。
在任何自然過程中,一個(gè)孤立系統(tǒng)的總熵不會減小。
2.熱力學(xué)第二定律的微觀意義
一切自發(fā)過程總是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)的無序性增大的方向進(jìn)行。
知識點(diǎn) 能量守恒定律?、?
1.能量守恒定律的內(nèi)容:能量既不會憑空產(chǎn)生,也不會憑空消失,它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式,或者從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到別的物體,在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程中,能量的總量保持不變。
2.條件性:能量守恒定律是自然界的普遍規(guī)律,某一種形式的能是否守恒是有條件的。例如,機(jī)械能守恒定律具有適用條件,而能量守恒定律是無條件的,是一切自然現(xiàn)象都遵守的基本規(guī)律。
3.兩類永動(dòng)機(jī)
(1)第一類永動(dòng)機(jī):不需要任何動(dòng)力或燃料,卻能不斷地對外做功的機(jī)器。
違背能量守恒定律,因此不可能實(shí)現(xiàn)。
(2)第二類永動(dòng)機(jī):從單一熱庫吸收熱量并把它全部用來對外做功,而不產(chǎn)生其他影響的機(jī)器。
違背熱力學(xué)第二定律,不可能實(shí)現(xiàn)。
4.能源的利用
(1)存在能量耗散和品質(zhì)降低。
(2)重視利用能源時(shí)對環(huán)境的影響。
(3)要開發(fā)新能源(如太陽能、生物質(zhì)能、風(fēng)能、水能等)。
一 思維辨析
1.做功和熱傳遞的實(shí)質(zhì)是相同的。( )
2.絕熱過程中,外界壓縮氣體做功20 J,氣體的內(nèi)能一定減少20 J。( )
3.根據(jù)熱力學(xué)第二定律可知,凡與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過程都具有方向性,在熱傳導(dǎo)中熱量只能自發(fā)地從高溫物體傳遞給低溫物體,而不能自發(fā)地從低溫物體傳遞給高溫物體。( )
4.熵增加原理說明一切自然過程總是沿著分子熱運(yùn)動(dòng)的無序性增大的方向進(jìn)行。( )
5.盡管技術(shù)不斷進(jìn)步,熱機(jī)的效率仍不能達(dá)到100%,制冷機(jī)卻可以使溫度降到-283 ℃。( )
6.對能源的過度消耗將使自然界的能量不斷減少,形成能源危機(jī)。( )
7.在給自行車打氣時(shí),會發(fā)現(xiàn)打氣筒的溫度升高,這是因?yàn)橥饨鐚怏w做功。( )
8.自由擺動(dòng)的秋千擺動(dòng)幅度越來越小,能量正在消失。( )
9.利用河水的能量使船逆水航行的設(shè)想,符合能量守恒定律。( )
10.熱機(jī)中,燃?xì)獾膬?nèi)能可以全部變?yōu)闄C(jī)械能而不引起其他變化。( )
答案 1. 2. 3.√ 4.√ 5. 6. 7.√
8. 9.√ 10.
二 對點(diǎn)激活
1.(人教版選修3-3P56T1改編)用活塞壓縮汽缸里的空氣,對空氣做了900 J的功,同時(shí)汽缸向外散熱210 J,汽缸里空氣的內(nèi)能( )
A.增加了1100 J B.減少了1100 J
C.增加了690 J D.減少了690 J
答案 C
解析 由熱力學(xué)第一定律ΔU=W+Q,得ΔU=900 J-210 J=690 J,內(nèi)能增加690 J。
2.(人教版選修3-3P61T2改編)(多選)下列現(xiàn)象中能夠發(fā)生的是( )
A.一杯熱茶在打開杯蓋后,茶會自動(dòng)變得更熱
B.蒸汽機(jī)把蒸汽的內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化成機(jī)械能
C.桶中混濁的泥水在靜置一段時(shí)間后,泥沙下沉,上面的水變清,泥、水自動(dòng)分離
D.電冰箱通電后把箱內(nèi)低溫物體的熱量傳到箱外高溫物體
答案 CD
解析 熱量只會自發(fā)地從高溫物體傳到低溫物體,而不會自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體,故A錯(cuò)誤;機(jī)械能可以完全轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,而內(nèi)能卻不能完全轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,故B錯(cuò)誤;桶中混濁的泥水在靜置一段時(shí)間后,泥沙下沉,上面的水變清,泥、水自動(dòng)分離是因?yàn)槟嗌车拿芏却笥谒?,故可以分離,C正確;電冰箱通電后由于壓縮機(jī)做功從而將低溫物體的熱量傳到箱外的高溫物體,故D正確。
3.(2018石家莊一模)(多選)一定質(zhì)量的理想氣體從狀態(tài)a開始,經(jīng)歷三個(gè)過程(a到b、b到c、c到a)回到原狀態(tài),其V-T圖象如圖所示,pa、pb、pc分別表示狀態(tài)a、b、c時(shí)氣體的壓強(qiáng),下列說法正確的是( )
A.由a到b的過程中,氣體一定吸熱
B.pc>pb=pa
C.由b到c的過程中,氣體放出的熱量一定大于外界對氣體做的功
D.由b到c的過程中,每一個(gè)氣體分子的速率都減小
E.由c到a的過程中,氣體分子的平均動(dòng)能不變
答案 ACE
解析 由a到b的過程中,氣體溫度升高,根據(jù)一定量的理想氣體內(nèi)能只與溫度有關(guān)可知,氣體內(nèi)能增大,又因?yàn)闅怏w體積不變,外界對氣體不做功,由熱力學(xué)第一定律可知,氣體一定吸熱,A正確;根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程可知,pa
TB可知,內(nèi)能變化ΔU<0
根據(jù)熱力學(xué)第一定律ΔU=W+Q,得Q<0
即該氣體從狀態(tài)A到狀態(tài)B放熱。
[變式3-2] 絕熱的活塞與汽缸之間封閉一定質(zhì)量的理想氣體,汽缸開口向上置于水平面上,活塞與汽缸壁之間無摩擦,缸內(nèi)氣體的內(nèi)能UP=72 J,如圖甲所示。已知活塞面積S=510-4 m2,其質(zhì)量為m=1 kg,大氣壓強(qiáng)p0=1.0105 Pa,重力加速度g=10 m/s2。如果通過電熱絲給封閉氣體緩慢加熱,活塞由原來的P位置移動(dòng)到Q位置,此過程封閉氣體的V-T圖象如圖乙所示,且知?dú)怏w內(nèi)能與熱力學(xué)溫度成正比。求:
(1)封閉氣體最后的體積;
(2)封閉氣體吸收的熱量。
答案 (1)610-4 m3 (2)60 J
解析 (1)以氣體為研究對象,根據(jù)蓋—呂薩克定律,有:=
解得:VQ=610-4 m3。
(2)由氣體的內(nèi)能與熱力學(xué)溫度成正比:=,
解得:UQ=108 J
活塞從P位置緩慢移到Q位置,活塞受力平衡,氣體為等壓變化,以活塞為研究對象:pS=p0S+mg
解得:p=p0+=1.2105 Pa
外界對氣體做功:W=-p(VQ-VP)=-24 J
由熱力學(xué)第一定律:UQ-UP=Q+W
得氣體變化過程吸收的總熱量為Q=60 J。
高考模擬 隨堂集訓(xùn)
1.(2018全國卷Ⅰ)(多選) 如圖,一定質(zhì)量的理想氣體從狀態(tài)a開始,經(jīng)歷過程①、②、③、④到達(dá)狀態(tài)e。對此氣體,下列說法正確的是( )
A.過程①中氣體的壓強(qiáng)逐漸減小
B.過程②中氣體對外界做正功
C.過程④中氣體從外界吸收了熱量
D.狀態(tài)c、d的內(nèi)能相等
E.狀態(tài)d的壓強(qiáng)比狀態(tài)b的壓強(qiáng)小
答案 BDE
解析 由理想氣體狀態(tài)方程=可知,體積不變,溫度升高即Tb>Ta,則pb>pa,即過程①中氣體的壓強(qiáng)逐漸增大,A錯(cuò)誤;由于過程②中氣體體積增大,所以過程②中氣體對外做功,B正確;過程④中氣體體積不變,對外做功為零,溫度降低,內(nèi)能減小,根據(jù)熱力學(xué)第一定律,過程④中氣體放出熱量,C錯(cuò)誤;由于狀態(tài)c、d的溫度相等,根據(jù)理想氣體的內(nèi)能只與溫度有關(guān),可知狀態(tài)c、d的內(nèi)能相等,D正確;由理想氣體狀態(tài)方程=C可得p=C,即TV圖中的點(diǎn)與原點(diǎn)O的連線的斜率正比于該點(diǎn)的壓強(qiáng),故狀態(tài)d的壓強(qiáng)比狀態(tài)b的壓強(qiáng)小,E正確。
2.(2018全國卷Ⅲ)(多選) 如圖,一定質(zhì)量的理想氣體從狀態(tài)a變化到狀態(tài)b,其過程如pV圖中從a到b的直線所示。在此過程中( )
A.氣體溫度一直降低
B.氣體內(nèi)能一直增加
C.氣體一直對外做功
D.氣體一直從外界吸熱
E.氣體吸收的熱量一直全部用于對外做功
答案 BCD
解析 一定質(zhì)量的理想氣體從a到b的過程,由理想氣體狀態(tài)方程=可知,Tb>Ta,即氣體的溫度一直升高,A錯(cuò)誤;根據(jù)理想氣體的內(nèi)能只與溫度有關(guān),可知?dú)怏w的內(nèi)能一直增加,B正確;由于從a到b的過程中氣體的體積增大,所以氣體一直對外做功,C正確;根據(jù)熱力學(xué)第一定律,從a到b的過程中,氣體一直從外界吸熱,D正確;氣體吸收的熱量一部分增加內(nèi)能,一部分對外做功,E錯(cuò)誤。
3.(2017全國卷Ⅱ)(多選) 如圖,用隔板將一絕熱汽缸分成兩部分,隔板左側(cè)充有理想氣體,隔板右側(cè)與絕熱活塞之間是真空。現(xiàn)將隔板抽開,氣體會自發(fā)擴(kuò)散至整個(gè)汽缸。待氣體達(dá)到穩(wěn)定后,緩慢推壓活塞,將氣體壓回到原來的體積。假設(shè)整個(gè)系統(tǒng)不漏氣。下列說法正確的是( )
A.氣體自發(fā)擴(kuò)散前后內(nèi)能相同
B.氣體在被壓縮的過程中內(nèi)能增大
C.在自發(fā)擴(kuò)散過程中,氣體對外界做功
D.氣體在被壓縮的過程中,外界對氣體做功
E.氣體在被壓縮的過程中,氣體分子的平均動(dòng)能不變
答案 ABD
解析 氣體向真空膨脹時(shí)不受阻礙,氣體不對外做功,由于汽缸是絕熱的,沒有熱交換,所以氣體擴(kuò)散后內(nèi)能不變,選項(xiàng)A正確。氣體被壓縮的過程中,外界對氣體做功,且沒有熱交換,根據(jù)熱力學(xué)第一定律,氣體的內(nèi)能增大,選項(xiàng)B、D正確。氣體在真空中自發(fā)擴(kuò)散的過程中不對外做功,選項(xiàng)C錯(cuò)誤。氣體在被壓縮的過程中,內(nèi)能增大,由于一定質(zhì)量的理想氣體的內(nèi)能完全由溫度決定,溫度越高,內(nèi)能越大,氣體分子的平均動(dòng)能越大,選項(xiàng)E錯(cuò)誤。
4.(2017全國卷Ⅲ)(多選) 如圖,一定質(zhì)量的理想氣體從狀態(tài)a出發(fā),經(jīng)過等容過程ab到達(dá)狀態(tài)b,再經(jīng)過等溫過程bc到達(dá)狀態(tài)c,最后經(jīng)等壓過程ca回到狀態(tài)a。下列說法正確的是( )
A.在過程ab中氣體的內(nèi)能增加
B.在過程ca中外界對氣體做功
C.在過程ab中氣體對外界做功
D.在過程bc中氣體從外界吸收熱量
E.在過程ca中氣體從外界吸收熱量
答案 ABD
解析 ab過程是等容變化,ab過程壓強(qiáng)增大,溫度升高,氣體內(nèi)能增大,A正確。而由于體積不變,氣體對外界不做功,C錯(cuò)誤。ca過程是等壓變化,體積減小,外界對氣體做功,B正確。體積減小過程中,溫度降低,內(nèi)能減小,氣體要放出熱量,E錯(cuò)誤。bc過程是等溫變化,內(nèi)能不變,體積增大,氣體對外界做功,則需要吸收熱量,D正確。
5.(2017江蘇高考)(多選) 一定質(zhì)量的理想氣體從狀態(tài)A經(jīng)過狀態(tài)B變化到狀態(tài)C,其V-T圖象如圖所示。下列說法正確的是( )
A.A→B的過程中,氣體對外界做功
B.A→B的過程中,氣體放出熱量
C.B→C的過程中,氣體壓強(qiáng)不變
D.A→B→C的過程中,氣體內(nèi)能增加
答案 BC
解析 A→B過程是等溫變化,氣體內(nèi)能不變,體積減小,外界對氣體做功,由熱力學(xué)第一定律知,氣體要放出熱量,選項(xiàng)A錯(cuò)誤,B正確。B→C過程中,是一個(gè)常數(shù),為等壓變化,選項(xiàng)C正確。A→B→C整個(gè)過程,溫度降低,氣體內(nèi)能減少,選項(xiàng)D錯(cuò)誤。
6.(2016全國卷Ⅰ)(多選)關(guān)于熱力學(xué)定律,下列說法正確的是( )
A.氣體吸熱后溫度一定升高
B.對氣體做功可以改變其內(nèi)能
C.理想氣體等壓膨脹過程一定放熱
D.熱量不可能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體
E.如果兩個(gè)系統(tǒng)分別與狀態(tài)確定的第三個(gè)系統(tǒng)達(dá)到熱平衡,那么這兩個(gè)系統(tǒng)彼此之間也必定達(dá)到熱平衡
答案 BDE
解析 若氣體吸熱的同時(shí)對外做功,則其溫度不一定升高,A錯(cuò)誤;做功是改變物體內(nèi)能的途徑之一,B正確;理想氣體等壓膨脹,氣體對外做功,由理想氣體狀態(tài)方程=C知,氣體溫度升高,內(nèi)能增加,故一定吸熱,C錯(cuò)誤;根據(jù)熱力學(xué)第二定律知D正確;如果兩個(gè)系統(tǒng)分別與狀態(tài)確定的第三個(gè)系統(tǒng)達(dá)到熱平衡,那么這兩個(gè)系統(tǒng)與第三個(gè)系統(tǒng)的溫度均相等,則這兩個(gè)系統(tǒng)之間也必定達(dá)到熱平衡,故E正確。
7. (2016全國卷Ⅱ)(多選)一定量的理想氣體從狀態(tài)a開始,經(jīng)歷等溫或等壓過程ab、bc、cd、da回到原狀態(tài),其pT圖象如圖所示,其中對角線ac的延長線過原點(diǎn)O。下列判斷正確的是( )
A.氣體在a、c兩狀態(tài)的體積相等
B.氣體在狀態(tài)a時(shí)的內(nèi)能大于它在狀態(tài)c時(shí)的內(nèi)能
C.在過程cd中氣體向外界放出的熱量大于外界對氣體做的功
D.在過程da中氣體從外界吸收的熱量小于氣體對外界做的功
E.在過程bc中外界對氣體做的功等于在過程da中氣體對外界做的功
答案 ABE
解析 由理想氣體狀態(tài)方程=C知,V=C,因此氣體在a、c兩狀態(tài)的體積相等,故A項(xiàng)正確;對理想氣體而言,內(nèi)能由溫度決定,因Ta>Tc,故氣體在狀態(tài)a時(shí)的內(nèi)能大于它在狀態(tài)c時(shí)的內(nèi)能,B項(xiàng)正確;過程cd為等溫變化,內(nèi)能不變(ΔU=0),壓強(qiáng)變大,體積減小,外界對氣體做功(W>0),由熱力學(xué)第一定律ΔU=W+Q,知Q<0,故為放熱過程且W=|Q|,C項(xiàng)錯(cuò)誤;過程da為等壓變化,溫度升高,體積變大,氣體的內(nèi)能增大,ΔU>0,對外做功,W<0,由ΔU=W+Q,知該過程吸熱且Q>|W|,D項(xiàng)錯(cuò)誤;bc和da過程中溫度改變量相同,故體積變化量與壓強(qiáng)的乘積相同,由W=Fl=pSl=pΔV知,E項(xiàng)正確。
8.(2016全國卷Ⅲ)(多選)關(guān)于氣體的內(nèi)能,下列說法正確的是( )
A.質(zhì)量和溫度都相同的氣體,內(nèi)能一定相同
B.氣體溫度不變,整體運(yùn)動(dòng)速度越大,其內(nèi)能越大
C.氣體被壓縮時(shí),內(nèi)能可能不變
D.一定量的某種理想氣體的內(nèi)能只與溫度有關(guān)
E.一定量的某種理想氣體在等壓膨脹過程中,內(nèi)能一定增加
答案 CDE
解析 由于非理想氣體分子間作用力不可忽略,內(nèi)能還包括分子勢能,則氣體的內(nèi)能與體積有關(guān),再者即使是理想氣體,內(nèi)能取決于溫度和分子數(shù)目,質(zhì)量相同的氣體,當(dāng)分子數(shù)目不同、溫度相同時(shí),內(nèi)能也不相同,故A項(xiàng)錯(cuò)誤;物體的內(nèi)能與其機(jī)械運(yùn)動(dòng)無關(guān),B項(xiàng)錯(cuò)誤;由熱力學(xué)第一定律知,氣體被壓縮時(shí),若同時(shí)向外散熱,則內(nèi)能可能保持不變,C項(xiàng)正確;對于一定量的某種理想氣體,其內(nèi)能只取決于分子平均動(dòng)能,而溫度是分子平均動(dòng)能的標(biāo)志,所以D項(xiàng)正確;一定量的某種理想氣體在等壓膨脹過程中,由理想氣體狀態(tài)方程=C知,p不
變,V增大,則T增大,即內(nèi)能增大,故E項(xiàng)正確。
9.(2018江蘇高考) 如圖所示,一定質(zhì)量的理想氣體在狀態(tài)A時(shí)壓強(qiáng)為
2.0105 Pa,經(jīng)歷A→B→C→A的過程,整個(gè)過程中對外界放出61.4 J熱量。求該氣體在A→B過程中對外界所做的功。
答案 138.6 J
解析 整個(gè)過程中,外界對氣體做功
W=WAB+WCA,
且WCA=pA(VC-VA),
由熱力學(xué)第一定律ΔU=Q+W,
以及ΔU=0,
得WAB=-(Q+WCA),
代入數(shù)據(jù)得WAB=-138.6 J,
即氣體對外界做的功為138.6 J。
10.(2018全國卷Ⅱ) 如圖,一豎直放置的汽缸上端開口,汽缸壁內(nèi)有卡口a和b,a、b間距為h,a距缸底的高度為H;活塞只能在a、b間移動(dòng),其下方密封有一定質(zhì)量的理想氣體。已知活塞質(zhì)量為m,面積為S,厚度可忽略;活塞和汽缸壁均絕熱,不計(jì)它們之間的摩擦。開始時(shí)活塞處于靜止?fàn)顟B(tài),上、下方氣體壓強(qiáng)均為p0,溫度均為T0?,F(xiàn)用電熱絲緩慢加熱汽缸中的氣體,直至活塞剛好到達(dá)b處。求此時(shí)汽缸內(nèi)氣體的溫度以及在此過程中氣體對外所做的功。重力加速度大小為g。
答案 T0 (p0S+mg)h
解析 開始時(shí)活塞位于a處,加熱后,汽缸中的氣體先經(jīng)歷等容過程,直至活塞開始運(yùn)動(dòng)。設(shè)此時(shí)汽缸中氣體的溫度為T1,壓強(qiáng)為p1,根據(jù)查理定律有=①
根據(jù)力的平衡條件有p1S=p0S+mg②
聯(lián)立①②式可得T1=T0③
此后,汽缸中的氣體經(jīng)歷等壓過程,直至活塞剛好到達(dá)b處,設(shè)此時(shí)汽缸中氣體的溫度為T2;活塞位于a處和b處時(shí)氣體的體積分別為V1和V2。根據(jù)蓋—呂薩克定律有
=④
式中V1=SH⑤
V2=S(H+h)⑥
聯(lián)立③④⑤⑥式解得T2=T0⑦
從開始加熱到活塞到達(dá)b處的過程中,汽缸中的氣體對外做的功為W=(p0S+mg)h。
配套課時(shí)作業(yè)
時(shí)間:60分鐘 滿分:100分
一、選擇題(本題共8小題,每小題5分,共40分。其中 1~2為單選,3~8為多選)
1.關(guān)于能量和能源,下列說法正確的是( )
A.在能源利用的過程中,能量在數(shù)量上并未減少
B.由于自然界中總的能量守恒,所以不需要節(jié)約能源
C.能量耗散說明能量在轉(zhuǎn)化過程中不斷減少
D.人類在不斷地開發(fā)和利用新能源,所以能量可以被創(chuàng)造
答案 A
解析 根據(jù)能量守恒定律可知,在能源使用過程中,能量在數(shù)量上并未減少,故A正確,C錯(cuò)誤;雖然自然界中的總能量不會減少,但是能源的品質(zhì)會降低,無法再利用,故還需要節(jié)約能源,故B錯(cuò)誤;根據(jù)能量守恒可知,能量不會被創(chuàng)造,也不會消失,故D錯(cuò)誤。
2.如圖所示為電冰箱的工作原理示意圖。壓縮機(jī)工作時(shí),強(qiáng)迫制冷劑在冰箱內(nèi)外的管道中不斷循環(huán),在蒸發(fā)器中的制冷劑汽化吸收箱體內(nèi)的熱量,經(jīng)過冷凝器時(shí)制冷劑液化,放出熱量到箱體外。下列說法正確的是( )
A.熱量可以自發(fā)地從冰箱內(nèi)傳到冰箱外
B.電冰箱的制冷系統(tǒng)能夠不斷地把冰箱內(nèi)的熱量傳到外界,是因?yàn)槠湎牧穗娔?
C.電冰箱的工作原理違反熱力學(xué)第一定律
D.電冰箱的工作原理違反熱力學(xué)第二定律
答案 B
解析 熱力學(xué)第一定律是熱現(xiàn)象中內(nèi)能與其他形式能的轉(zhuǎn)化或內(nèi)能轉(zhuǎn)移的規(guī)律,是能的轉(zhuǎn)化和守恒定律的具體表現(xiàn),適用于所有的熱學(xué)過程,C錯(cuò)誤;由熱力學(xué)第二定律可知,熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體,除非有外界的影響或幫助。電冰箱把熱量從低溫的內(nèi)部傳到高溫的外部,需要壓縮機(jī)的幫助并消耗了電能,B正確,A、D錯(cuò)誤。
3.(2019安徽省示范高中考試)下列說法正確的是( )
A.液體表面層分子間距離大于液體內(nèi)部分子間距離,所以液體表面存在表面張力
B.由阿伏加德羅常數(shù)、氣體的摩爾質(zhì)量和氣體的密度,可以估算出氣體分子間的平均距離
C.分子平均速率大的物體的溫度比分子平均速率小的物體的溫度高
D.機(jī)械能不可能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,內(nèi)能也無法全部用來做功轉(zhuǎn)化成機(jī)械能
E.分子間的引力和斥力同時(shí)存在,都隨分子間距離的增大而減小
答案 ABE
解析 液體表面層分子間距離大于液體內(nèi)部分子間距離,液體表面層分子間表現(xiàn)為引力,所以液體表面存在表面張力,A正確;由阿伏加德羅常數(shù)、氣體的摩爾質(zhì)量和氣體的密度,可以估算出氣體每個(gè)分子所占的空間體積,進(jìn)而估算出分子間的平均距離,B正確;溫度是分子平均動(dòng)能的標(biāo)志,對于兩個(gè)物體來說,分子質(zhì)量可能不同,分子平均速率大的物體的分子平均動(dòng)能不一定大,溫度不一定高,C錯(cuò)誤;機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,D錯(cuò)誤;分子間的引力和斥力同時(shí)存在,而且都隨分子間距離的增大而減小,E正確。
4.(2018云南七校適應(yīng)性考試)下列說法中錯(cuò)誤的是( )
A.一定量氣體經(jīng)過不同物理過程而溫度沒有改變,氣體與外界可以不做功
B.功可以全部轉(zhuǎn)化為熱量,熱量也可以全部轉(zhuǎn)化為功
C.第二類永動(dòng)機(jī)無法制成是因?yàn)樗`背了熱力學(xué)第一定律
D.在孤立系統(tǒng)中,一個(gè)自發(fā)的過程熵總是向減少的方向進(jìn)行
E.熵值越大,說明系統(tǒng)的分子運(yùn)動(dòng)越無序
答案 BCD
解析 一定量的氣體可以先吸熱而后又放熱,最后溫度保持不變,A正確;功是能量轉(zhuǎn)化的過程量,不能說功轉(zhuǎn)化成熱量,只能說機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,B錯(cuò)誤;第二類永動(dòng)機(jī)無法制成是因?yàn)樗`背了熱力學(xué)第二定律,C錯(cuò)誤;在任何自然過程中,一個(gè)孤立系統(tǒng)的熵總是向增加的方向進(jìn)行,D錯(cuò)誤;熵是系統(tǒng)內(nèi)分子運(yùn)動(dòng)無序程度的量度,熵越大,分子運(yùn)動(dòng)無序程度越大,E正確。本題選錯(cuò)誤的,故答案為B、C、D。
5.(2018長沙名校階段測試)關(guān)于熱力學(xué)定律的說法正確的是( )
A.熱量可以從低溫物體傳遞到高溫物體
B.一切宏觀熱現(xiàn)象的過程一定是從無序狀態(tài)慢慢向有序狀態(tài)過渡
C.無論科技多么先進(jìn),熱力學(xué)溫度的0 K一定不可能達(dá)到
D.一絕熱汽缸中封閉一定質(zhì)量的理想氣體,當(dāng)氣體體積膨脹時(shí),其溫度一定降低
E.一導(dǎo)熱汽缸中封閉一定質(zhì)量的理想氣體,當(dāng)缸外溫度緩慢升高時(shí),氣體可能對外界做功
答案 ACE
解析 熱量可以從低溫物體傳遞到高溫物體,但會引起其他變化,A正確;一切宏觀熱現(xiàn)象的過程一定是從有序狀態(tài)慢慢向無序狀態(tài)過渡,B錯(cuò)誤;熱力學(xué)溫度的0 K永遠(yuǎn)不能達(dá)到,C正確;絕熱汽缸中理想氣體與外界沒有熱交換,當(dāng)氣體自由膨脹時(shí),不對外做功,其內(nèi)能不變,則溫度不變,D錯(cuò)誤;導(dǎo)熱汽缸,汽缸外溫度緩慢升高時(shí),氣體內(nèi)能增加,氣體可能對外界做功,且氣體對外界做的功小于氣體從外界吸收的熱量,E正確。
6.(2016海南高考)一定量的理想氣體從狀態(tài)M可以經(jīng)歷過程1或者過程2到達(dá)狀態(tài)N,其p-V圖象如圖所示,在過程1中,氣體始終與外界無熱量交換;在過程2中,氣體先經(jīng)歷等容變化再經(jīng)歷等壓變化。對于這兩個(gè)過程,下列說法正確的是( )
A.氣體經(jīng)歷過程1,其溫度降低
B.氣體經(jīng)歷過程1,其內(nèi)能減小
C.氣體在過程2中一直對外放熱
D.氣體在過程2中一直對外做功
E.氣體經(jīng)歷過程1的內(nèi)能改變量與經(jīng)歷過程2的相同
答案 ABE
解析 氣體經(jīng)歷過程1,壓強(qiáng)減小,體積變大,氣體膨脹對外做功,且無熱交換,所以內(nèi)能減小,故溫度降低,A、B正確;氣體在過程2中,根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程=C,則開始時(shí),氣體體積不變,壓強(qiáng)減小,則溫度降低,對外放熱;然后壓強(qiáng)不變,體積變大,氣體膨脹對外做功,則溫度升高,需要吸熱,故C、D錯(cuò)誤;過程1和過程2的初、末狀態(tài)相同,故氣體內(nèi)能改變量相同,E正確。
7.對于一定質(zhì)量的理想氣體,下列說法正確的是( )
A.若氣體的壓強(qiáng)和體積都不變,其內(nèi)能也一定不變
B.若氣體的內(nèi)能不變,其狀態(tài)也一定不變
C.若氣體的溫度隨時(shí)間不斷升高,其壓強(qiáng)也一定不斷增大
D.氣體溫度每升高1 K所吸收的熱量與氣體經(jīng)歷的過程有關(guān)
E.當(dāng)氣體溫度升高時(shí),氣體的內(nèi)能一定增大
答案 ADE
解析 一定質(zhì)量的理想氣體,=C,p、V不變,則T不變,分子平均動(dòng)能不變,又理想氣體分子勢能為零,故氣體內(nèi)能不變,A正確;理想氣體內(nèi)能不變,則溫度T不變,由=C知,p及V可以變化,故狀態(tài)可以變化,B錯(cuò)誤;等壓變化過程,溫度升高、體積增大,故C錯(cuò)誤;由熱力學(xué)第一定律ΔU=Q+W知,溫度升高1 K,內(nèi)能增量ΔU一定,而外界對氣體做的功W與經(jīng)歷的過程可能有關(guān)(如體積變化時(shí)),因此吸收的熱量與氣體經(jīng)歷的過程也有關(guān),D正確;溫度升高,分子平均動(dòng)能增大,理想氣體分子勢能為零,故內(nèi)能一定增大,E正確。
8.(2019四省八校雙教研聯(lián)盟聯(lián)考)一定質(zhì)量的理想氣體由狀態(tài)a變化到狀態(tài)b,再由狀態(tài)b變化到狀態(tài)c,其壓強(qiáng)p與溫度t的關(guān)系如圖所示,下列說法正確的是( )
A.氣體由a到b為等容變化
B.氣體在狀態(tài)a的內(nèi)能大于在狀態(tài)b的內(nèi)能
C.氣體由b到c的過程必放熱
D.氣體在狀態(tài)a的體積小于在狀態(tài)c的體積
E.b到c的過程是等壓過程,溫度升高,氣體對外做功
答案 BDE
解析 由查理定律=C(恒量),T=273 K+t可知等容過程的壓強(qiáng)p隨溫度t變化的圖線(pt圖線)不過坐標(biāo)原點(diǎn),A錯(cuò)誤;氣體在狀態(tài)a的溫度高于在狀態(tài)b的溫度,根據(jù)理想氣體的內(nèi)能只與溫度有關(guān)可知,氣體在狀態(tài)a的內(nèi)能大于在狀態(tài)b的內(nèi)能,B正確;氣體由b到c的過程為溫度升高的等壓過程,由蓋—呂薩克定律可知,溫度升高,其體積必然增大,對外做功,又內(nèi)能增大,根據(jù)熱力學(xué)第一定律,氣體必須吸收熱量,C錯(cuò)誤,E正確;由于氣體在狀態(tài)a與狀態(tài)c的溫度相同,在狀態(tài)a的壓強(qiáng)更大,所以氣體在狀態(tài)a的體積小于在狀態(tài)c的體積,D正確。
二、非選擇題(本題共4小題,共60分)
9.(2018長春質(zhì)監(jiān))(15分)如圖1,在一個(gè)密閉的汽缸內(nèi)有一定質(zhì)量的理想氣體,如圖2所示是它從狀態(tài)A變化到狀態(tài)B的V-T圖象,已知AB的反向延長線通過坐標(biāo)原點(diǎn)O,氣體在狀態(tài)A時(shí)的壓強(qiáng)為p=1.0105 Pa,在從狀態(tài)A變化到狀態(tài)B的過程中,氣體吸收的熱量Q=7.0102 J,求此過程中氣體內(nèi)能的增量ΔU。
答案 5.0102 J
解析 由題圖2中V-T圖象的圖線經(jīng)過坐標(biāo)原點(diǎn)可以判斷,理想氣體做等壓變化。
由蓋—呂薩克定律得=
氣體對外做的功W=p(VB-VA)
解得W=200 J
根據(jù)熱力學(xué)第一定律知ΔU=-W+Q
解得ΔU=5.0102 J。
10.(2018安徽聯(lián)考)(15分)如圖所示,導(dǎo)熱性能良好的管道A、B、C橫截面積相等,開始時(shí)管道B、C中的水銀柱高度均為h1=24 cm,管道A左側(cè)活塞與水
銀柱之間封閉了長度為L1=60 cm的理想氣體,大氣壓強(qiáng)為76 cmHg。緩慢移動(dòng)活塞,使管道B、C中的水銀柱均上升Δh=20 cm,管道A中的氣體未進(jìn)入管道
B、C中,外界氣溫恒定。
(1)求該過程中活塞移動(dòng)的距離;
(2)判斷該過程管道A中的氣體吸熱還是放熱,并說明理由。
答案 (1)50 cm (2)放熱 理由見解析
解析 (1)設(shè)管道的橫截面積為S,氣體溫度不變,初狀態(tài):p1=p0+ρgh1=100 cmHg,
體積為V1=L1S
末狀態(tài):p2=p0+ρg(h1+Δh)=120 cmHg,
體積為V2=L2S
根據(jù)玻意耳定律:p1V1=p2V2
代入數(shù)據(jù)解得:L2=50 cm
該過程中活塞移動(dòng)的距離x=2Δh+L1-L2=50 cm
(2)氣體體積變小,外界對氣體做功,氣體發(fā)生等溫變化,內(nèi)能不變。由熱力學(xué)第一定律可知?dú)怏w放熱。
11.(2018長沙聯(lián)考)(15分)如圖甲所示,一圓柱形導(dǎo)熱汽缸水平放置,通過絕熱活塞封閉著一定質(zhì)量的理想氣體,此時(shí)封閉氣體的絕對溫度為T?;钊c汽缸底部相距L;現(xiàn)將汽缸逆時(shí)針緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)直至汽缸處于豎直位置,如圖乙所示,此時(shí)活塞與汽缸底部相距L;現(xiàn)給汽缸外部套上絕熱泡沫材料(未畫出)且通過電熱絲緩慢加熱封閉氣體,當(dāng)封閉氣體吸收熱量Q時(shí),氣體的絕對溫度上升到
T。已知活塞的橫截面積為S,外界環(huán)境溫度恒為T,大氣壓強(qiáng)為p0,重力加速度大小為g,不計(jì)活塞與汽缸的摩擦。求:
(1)活塞的質(zhì)量m;
(2)加熱過程中氣體內(nèi)能的增加量。
答案 (1) (2)Q-p0SL
解析 (1)汽缸從水平位置轉(zhuǎn)到豎直位置,封閉氣體發(fā)生等溫變化,設(shè)轉(zhuǎn)動(dòng)后封閉氣體壓強(qiáng)為p1,根據(jù)玻意耳定律有
p0LS=p1LS
p1S=mg+p0S
解得p1=p0
m=。
(2)對封閉氣體加熱,活塞上升,封閉氣體發(fā)生等壓變化,根據(jù)蓋—呂薩克定律有
解得ΔL=L
加熱過程中氣體對外做功為
W=p1SΔL
由熱力學(xué)第一定律知內(nèi)能的增加量為
ΔU=Q-W
解得ΔU=Q-p0SL。
12.(2018太原一模) (15分)如圖所示,導(dǎo)熱良好的汽缸開口向上豎直固定在水平面上。缸內(nèi)輕質(zhì)光滑活塞封閉一段一定質(zhì)量的理想氣體。一根不可伸長的細(xì)繩繞過定滑輪,一端拴住活塞,另一端拴著質(zhì)量為m的重物處于平衡狀態(tài)。此時(shí)氣體體積為V。用手托著重物,使其緩慢上升,直到細(xì)繩剛開始松弛但并未彎曲。已知大氣壓強(qiáng)為p0,活塞橫截面積為S,環(huán)境溫度保持不變。求:
(1)從重物開始被托起到最高點(diǎn)的過程中,活塞下降的高度;
(2)之后從靜止釋放重物,重物下落到最低點(diǎn)未與地面接觸時(shí),活塞在汽缸內(nèi)比最初托起重物前的位置上升了H。若氣體的溫度不變,則氣體吸收的熱量是多少?
答案 (1) (2)(p0S-mg)(H+)
解析 (1)對活塞受力分析可知,
未托重物時(shí),活塞內(nèi)氣體壓強(qiáng)p1=p0-,
氣體體積是V1=V,
托起重物到最高點(diǎn)時(shí),活塞內(nèi)氣體壓強(qiáng)p2=p0,
氣體體積是V2=V-h(huán)S,
根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程可知:p1V1=p2V2,
解得h=。
(2)以活塞為研究對象,設(shè)活塞從最低點(diǎn)到最高點(diǎn)的過程中,封閉氣體對活塞做功為W′,則根據(jù)動(dòng)能定理有:
W′+mg(H+h)-p0S(H+h)=0-0,
得氣體對活塞做功,即對外做功為
W′=p0S(H+h)-mg(H+h)
外界對氣體做功:W=-W′,
根據(jù)熱力學(xué)第一定律,理想氣體的溫度不變,則內(nèi)能不變:ΔU=Q+W=0,
氣體吸收的熱量
Q=-W=W′=(p0S-mg)(H+)。
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