第10章 热力学定律测评（Word版含解析）

第十章测评
(时间:60分钟　满分:100分)
一、选择题(本题共10小题,每小题5分,共50分。在每小题给出的选项中,第1~5题只有一项符合题目要求,第6~10题有多项符合题目要求。全部选对的得5分,选对但不全的得3分,有选错的得0分)
1.高温物体甲和低温物体乙发生热传递,最后达到热平衡,这个过程的实质是(　　)
A.甲把温度传给乙,最后甲、乙两者温度相等
B.甲把内能传给乙,最后甲、乙两者内能相等
C.甲把温度传给乙,最后甲、乙两者内能相等
D.甲把内能传给乙,最后甲、乙两者温度相等
2.如图所示,在紫铜管内滴入乙醚,盖紧管塞。用手拉住绳子两端迅速往复拉动,管塞会被冲开。管塞被冲开前(　　)
A.外界对管内气体做功,气体内能增大　　　　　　　　　　　　
B.管内气体对外界做功,气体内能减小
C.管内气体内能不变,压强变大
D.管内气体内能增大,压强变大
3.如图所示,两个完全相同的金属球A和B,其中A球放在不导热的水平面上,B球用不导热的细线悬挂起来,现供给两球相同的热量,它们的温度分别升高了ΔtA、ΔtB,则(　　)
A.ΔtA>ΔtB B.ΔtA<ΔtB
C.ΔtA=ΔtB D.ΔtA、ΔtB无法比较
4.下列哪个过程具有方向性(　　)
①热传导过程　②机械能向内能的转化过程　③气体的扩散过程　④气体向真空中的膨胀
A.①② B.②③
C.①②③ D.①②③④
5.关于能量和能源,下列说法正确的是(　　)
A.化石能源是清洁能源,水能是可再生能源
B.人类在不断地开发和利用新能源,所以能量可以被创造
C.在能源的利用过程中,由于能量在数量上并未减少,所以不需要节约能源
D.能量耗散现象说明:在能量转化的过程中,虽然能的总量并不减少,但能量品质降低了
6.如图,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
7.关于气体的内能,下列说法正确的是(　　)
A.质量和温度都相同的气体,内能一定相同
B.气体温度不变,整体运动速度越大,其内能越大
C.气体被压缩时,内能可能不变
D.一定量的某种理想气体的内能只与温度有关
8.关于热力学定律,下列说法正确的是(　　)
A.气体吸热后温度一定升高
B.对气体做功可以改变其内能
C.理想气体等压膨胀过程一定放热
D.热量不可能自发地从低温物体传到高温物体
9.如图所示的两端开口的U形管中,盛有同种液体,并用阀门K将液体隔成左、右两部分,左边液面比右边液面高。现打开阀门K,从打开阀门到两边液面第一次平齐的过程中,液体向外放热为Q,内能变化量为ΔU,动能变化量为ΔEk;大气对液体做功为W1,重力做功为W2,液体克服阻力做功为W3,由功能关系可得下列选项正确的是(　　)
A.W1=0 B.W2-W3=ΔEk
C.W2-W3=Q=ΔU D.W3-Q=ΔU
10.如图所示,两个相通的容器P、Q间装有阀门K,P中充满气体,Q为真空,整个系统与外界没有热交换。打开阀门K后,P中的气体进入Q中,最终达到平衡,则(　　)
A.气体体积膨胀,内能不变
B.气体分子势能减少,内能增加
C.气体分子势能增加,压强可能不变
D.Q中气体不可能自发地全部退回到P中
二、填空题(本题共2小题,共16分。把答案填在题中的横线上)
11.(6分)蒸汽机、内燃机等热机以及电冰箱工作时都利用了气体状态变化来实现能量的转移和转化,我们把这些气体称为工质。某热机经过一个循环后,工质从高温热源吸热Q1,对外做功W,又向低温热源放热Q2,工质完全恢复初始状态,内能没有变化。根据热力学第一定律,在工质的一个循环中,Q1、Q2、W三者之间满足的关系是　　　　。热机的效率η=不可能达到100%,从能量转化的角度,说明　　　能不能完全转化为　　　能而不产生其他影响。
12.(10分)如图所示,内壁光滑的圆柱形金属容器内有一个质量为m、面积为S的活塞。容器固定放置在倾角为θ的斜面上。一定量的气体被密封在容器内,温度为T0,活塞底面与容器底面平行,距离为h。已知大气压强为p0,重力加速度为g。
(1)容器内气体压强为　　　　;
(2)由于环境温度变化,活塞缓慢下移时气体温度为　　　　;此过程中容器内气体　　　　(选填“吸热”或“放热”),气体分子的平均速率　　　　(选填“增大”“减小”或“不变”)。
三、解答题(本题共3小题,共34分。解答应写出必要的文字说明、方程式和重要的演算步骤,有数值计算的题,答案中必须明确写出数值和单位)
13.(10分)一太阳能空气集热器,底面及侧面为隔热材料,顶面为透明玻璃板,集热器容积为V0,开始时内部封闭气体的压强为p0。经过太阳曝晒,气体温度由T0=300 K升至T1=350 K。
(1)求此时气体的压强。
(2)保持T1=350 K不变,缓慢抽出部分气体,使气体压强再变回到p0。求集热器内剩余气体的质量与原来总质量的比值。判断在抽气过程中剩余气体是吸热还是放热,并简述原因。
14.(10分)一定质量的气体从外界吸收了4.2×105 J的热量,同时气体对外做了6×105 J的功,问:
(1)物体的内能是增加还是减少 变化量是多少
(2)分子势能是增加还是减少
(3)分子的平均动能是增加还是减少
15.(14分)如图所示,质量为40 kg的汽缸开口向上放置在水平地面上,缸内活塞面积为S=0.02 m2,活塞及其上面放置的重物总质量为m=100 kg。开始时活塞到缸底的距离为h=0.2 m,缸内气体温度是t1=27 ℃,系统处于平衡状态。后温度缓慢地上升到t2=127 ℃,系统又达到新的平衡状态。已知气体的内能U与摄氏温度t之间满足关系U=c·(t+273),外界大气压为p0=1.0×105 Pa,g取10 m/s2。求:
(1)缸内气体的压强p;
(2)活塞移动的距离Δh;
(3)缸内气体对外做的功W;
(4)缸内气体吸收的热量Q的表达式。
参考答案：
一、选择题(本题共10小题,每小题5分,共50分。在每小题给出的选项中,第1~5题只有一项符合题目要求,第6~10题有多项符合题目要求。全部选对的得5分,选对但不全的得3分,有选错的得0分)
1.高温物体甲和低温物体乙发生热传递,最后达到热平衡,这个过程的实质是(　　)
A.甲把温度传给乙,最后甲、乙两者温度相等
B.甲把内能传给乙,最后甲、乙两者内能相等
C.甲把温度传给乙,最后甲、乙两者内能相等
D.甲把内能传给乙,最后甲、乙两者温度相等
解析宏观上甲的温度降低,乙的温度升高,因而有的同学会错误地认为甲物体向乙物体传递了温度,而实质上是甲将内能传递给了乙,因而选项A、C错误;热传递完成后,最后甲、乙两物体达到热平衡,即两者温度相同,并不是内能相等,选项B错误,而选项D正确。
答案D
2.如图所示,在紫铜管内滴入乙醚,盖紧管塞。用手拉住绳子两端迅速往复拉动,管塞会被冲开。管塞被冲开前(　　)
A.外界对管内气体做功,气体内能增大
　　　　　　　　　　　　　　　　
B.管内气体对外界做功,气体内能减小
C.管内气体内能不变,压强变大
D.管内气体内能增大,压强变大
解析克服绳与金属管间的摩擦做功,使管壁内能增大,温度升高。通过热传递,乙醚的内能增大,温度升高,直至沸腾;管塞会被冲开。管塞被冲开前管内气体内能增大,压强变大。选项D正确。
答案D
3.如图所示,两个完全相同的金属球A和B,其中A球放在不导热的水平面上,B球用不导热的细线悬挂起来,现供给两球相同的热量,它们的温度分别升高了ΔtA、ΔtB,则(　　)
A.ΔtA>ΔtB B.ΔtA<ΔtB
C.ΔtA=ΔtB D.ΔtA、ΔtB无法比较
解析两球受热后体积都要增大,A球因为放在不导热的水平面上,受热膨胀后,重心升高,重力做负功,根据能量守恒定律可知,A球吸收的热量一部分转化成自身的内能,使温度升高,另一部分需要克服重力做功,使重力势能增加;对于B球,同样要受热膨胀,膨胀时重心下降,重力做正功,同样由能量守恒定律可知,B球吸收的热量和重力做的功都要转化成自身的内能,从而使温度升高,由以上分析可知,B球增加的内能要比A球多,B球的温度升高得多,所以有ΔtA<ΔtB。
答案B
4.下列哪个过程具有方向性(　　)
①热传导过程　②机械能向内能的转化过程　③气体的扩散过程　④气体向真空中的膨胀
A.①② B.②③
C.①②③ D.①②③④
解析这四个过程都是与热现象有关的宏观过程,根据热力学第二定律可知,它们都是不可逆的,具有方向性。
答案D
5.关于能量和能源,下列说法正确的是(　　)
A.化石能源是清洁能源,水能是可再生能源
B.人类在不断地开发和利用新能源,所以能量可以被创造
C.在能源的利用过程中,由于能量在数量上并未减少,所以不需要节约能源
D.能量耗散现象说明:在能量转化的过程中,虽然能的总量并不减少,但能量品质降低了
解析化石能源在燃烧时放出SO2、CO2等气体,形成酸雨和温室效应,破坏生态环境,不是清洁能源,选项A错误;能量是守恒的,但能量品质会下降,故要节约能源,选项B、C均错误,D正确。
答案D
6.如图,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
解析过程①是等容变化,温度升高,由查理定理可知压强增大,故A项错误。过程②中,体积增大,气体对外做功,故B项正确。过程④是等容变化,温度降低,放出热量,故C项错误。过程③是等温变化,温度不变,故状态c、d的内能相等,故D项正确;连接Ob,并延长,交cd所在直线于f点,则由盖—吕萨克定律可知,由b到f,压强不变;由f到d是等温变化,体积增大,由玻意耳定律可知压强减小,故E项正确。
答案BDE
7.关于气体的内能,下列说法正确的是(　　)
A.质量和温度都相同的气体,内能一定相同
B.气体温度不变,整体运动速度越大,其内能越大
C.气体被压缩时,内能可能不变
D.一定量的某种理想气体的内能只与温度有关
解析气体的内能在宏观上由物质的量、温度和体积决定,质量相同的气体,物质的量不一定相同,选项A错误;若是理想气体,不考虑分子势能,其内能由物质的量和温度共同来决定;若是一定质量的理想气体,其内能仅由温度来决定,选项D正确;气体整体运动的速度对应气体的宏观动能,属于机械能,选项B错误;改变内能有两种方式:做功和热传递,气体被压缩时,外界对气体做功,但气体吸、放热情况不知,气体内能可能升高、不变或降低,故选项C正确。
答案CD
8.关于热力学定律,下列说法正确的是(　　)
A.气体吸热后温度一定升高
B.对气体做功可以改变其内能
C.理想气体等压膨胀过程一定放热
D.热量不可能自发地从低温物体传到高温物体
解析根据热力学第一定律可知,气体吸热如果同时对外做功,其温度不一定升高,选项A错误;由热力学定律可知选项B、D正确;理想气体在等压膨胀的过程中,温度升高,内能增加,对外做功,由ΔU=W+Q知,气体一定吸热,选项C错误。
答案BD
9.如图所示的两端开口的U形管中,盛有同种液体,并用阀门K将液体隔成左、右两部分,左边液面比右边液面高。现打开阀门K,从打开阀门到两边液面第一次平齐的过程中,液体向外放热为Q,内能变化量为ΔU,动能变化量为ΔEk;大气对液体做功为W1,重力做功为W2,液体克服阻力做功为W3,由功能关系可得下列选项正确的是(　　)
A.W1=0 B.W2-W3=ΔEk
C.W2-W3=Q=ΔU D.W3-Q=ΔU
解析由动能定理可知W2-W3+W1=ΔEk,其中W1=p·ΔV左-p·ΔV右=0,可知A、B正确。由热力学第一定律ΔU=W+Q得ΔU=W3-Q,可知D正确,C错误。
答案ABD
10.如图所示,两个相通的容器P、Q间装有阀门K,P中充满气体,Q为真空,整个系统与外界没有热交换。打开阀门K后,P中的气体进入Q中,最终达到平衡,则(　　)
A.气体体积膨胀,内能不变
B.气体分子势能减少,内能增加
C.气体分子势能增加,压强可能不变
D.Q中气体不可能自发地全部退回到P中
解析气体的膨胀过程没有热交换,可以判断Q=0;由于容器Q内为真空,所以气体是自由膨胀,虽然体积变大,但是气体并不对外做功,即W=0;根据热力学第一定律ΔU=W+Q,由以上可以判断该过程ΔU=0,即气体的内能不变,显然选项A正确,B错误。由于气体分子间的作用力表现为引力,所以气体体积变大时分子引力做负功,分子势能增加,由此进一步推断分子动能减小,温度降低;体积变大、温度降低,则气体压强变小,所以选项C错误。宏观中的热现象都是不可逆的,所以D正确。
答案AD
二、填空题(本题共2小题,共16分。把答案填在题中的横线上)
11.(6分)蒸汽机、内燃机等热机以及电冰箱工作时都利用了气体状态变化来实现能量的转移和转化,我们把这些气体称为工质。某热机经过一个循环后,工质从高温热源吸热Q1,对外做功W,又向低温热源放热Q2,工质完全恢复初始状态,内能没有变化。根据热力学第一定律,在工质的一个循环中,Q1、Q2、W三者之间满足的关系是　　　　。热机的效率η=不可能达到100%,从能量转化的角度,说明　　　能不能完全转化为　　　能而不产生其他影响。
解析由热力学第一定律,热量、做功、内能的符号规定得Q1+(-Q2)+(-W)=0,即Q1-Q2=W。再由热力学第二定律知,内能不可能全部转化成机械能而不产生其他影响。
答案Q1-Q2=W　内　机械
12.(10分)如图所示,内壁光滑的圆柱形金属容器内有一个质量为m、面积为S的活塞。容器固定放置在倾角为θ的斜面上。一定量的气体被密封在容器内,温度为T0,活塞底面与容器底面平行,距离为h。已知大气压强为p0,重力加速度为g。
(1)容器内气体压强为　　　　;
(2)由于环境温度变化,活塞缓慢下移时气体温度为　　　　;此过程中容器内气体　　　　(选填“吸热”或“放热”),气体分子的平均速率　　　　(选填“增大”“减小”或“不变”)。
解析(1)对活塞受力分析如图所示,根据力的平衡条件有
pS=p0S+mgcosθ,
解得p=p0+。
(2)根据题意,气体发生等压变化,由盖—吕萨克定律得,解得T=。外界对气体做功,W>0,气体温度降低,内能减小ΔU<0,由热力学第一定律ΔU=W+Q可知,Q<0,气体放热,温度降低,气体分子平均动能减小,分子的平均速率减小。
答案(1)p0+　(2)　放热　减小
三、解答题(本题共3小题,共34分。解答应写出必要的文字说明、方程式和重要的演算步骤,有数值计算的题,答案中必须明确写出数值和单位)
13.(10分)一太阳能空气集热器,底面及侧面为隔热材料,顶面为透明玻璃板,集热器容积为V0,开始时内部封闭气体的压强为p0。经过太阳曝晒,气体温度由T0=300 K升至T1=350 K。
(1)求此时气体的压强。
(2)保持T1=350 K不变,缓慢抽出部分气体,使气体压强再变回到p0。求集热器内剩余气体的质量与原来总质量的比值。判断在抽气过程中剩余气体是吸热还是放热,并简述原因。
解析(1)由题意知,气体体积不变,由查理定律得
所以此时气体的压强p1=p0=p0=p0
(2)抽气过程可等效为等温膨胀过程,设膨胀后气体的总体积为V2,由玻意耳定律可得p1V0=p0V2
可得V2=V0
所以集热器内剩余气体的质量与原来总质量的比值为
因为抽气过程中气体温度不变,故内能不变,而气体的体积膨胀对外做功。由热力学第一定律ΔU=W+Q可知,气体一定从外界吸收热量。
答案(1)p0　(2)　吸热　原因见解析
14.(10分)一定质量的气体从外界吸收了4.2×105 J的热量,同时气体对外做了6×105 J的功,问:
(1)物体的内能是增加还是减少 变化量是多少
(2)分子势能是增加还是减少
(3)分子的平均动能是增加还是减少
解析(1)气体从外界吸热为Q=4.2×105J,气体对外做功W=-6×105J,由热力学第一定律ΔU=W+Q=(-6×105J)+(4.2×105J)=-1.8×105J。ΔU为负,说明气体的内能减少了。所以,气体内能减少了1.8×105J。(2)因为气体对外做功,所以气体的体积膨胀,分子间的距离增大了,分子力做负功,气体分子势能增加了。(3)因为气体内能减少,同时气体分子势能增加,说明气体分子的平均动能一定减少了。
答案(1)减少　1.8×105 J　(2)增加　(3)减少
15.(14分)如图所示,质量为40 kg的汽缸开口向上放置在水平地面上,缸内活塞面积为S=0.02 m2,活塞及其上面放置的重物总质量为m=100 kg。开始时活塞到缸底的距离为h=0.2 m,缸内气体温度是t1=27 ℃,系统处于平衡状态。后温度缓慢地上升到t2=127 ℃,系统又达到新的平衡状态。已知气体的内能U与摄氏温度t之间满足关系U=c·(t+273),外界大气压为p0=1.0×105 Pa,g取10 m/s2。求:
(1)缸内气体的压强p;
(2)活塞移动的距离Δh;
(3)缸内气体对外做的功W;
(4)缸内气体吸收的热量Q的表达式。
解析(1)缸内压强由大气压和活塞共同产生,故p=p0+=105Pa+Pa=1.5×105Pa。
(2)气体做等压变化,则,解得Δh=×100m=m。
(3)缸内气体对外做的功W=pΔV=1.5×105××0.02J=200J。
(4)内能变化为ΔU=(273+127)c-(273+27)c=100×c=-W+Q,所以Q=100c+200。
答案(1)1.5×105 Pa　(2) m　(3)200 J
(4)100c+200