高中物理【选修3-3】热力学定律及理想气体状态方程 巩固练习题(Word版含答案)

热力学定律及理想气体状态方程
1.一定质量的理想气体，在体积保持不变的条件下，若气体温度升高，则( )
A.气体中每个分子热运动的动能一定都变大 B.气体中每个分子对器壁撞击的作用力都变大
C.气体的压强可能不变 D.气体一定从外界吸收热量
2.如图所示，水平放置的封闭绝热汽缸，被一锁定的绝热活塞分为体积相等的两部分。已知a部分气体为氧气，b部分气体为氧气，两部分气体温度相等，均可视为理想气体。解除锁定，活塞滑动一段距离后，两部分气体各自再次达到平衡态时，它们的体积分别为，温度分别为。下列说法正确的是( )。
A. B. C. D.
3.如图所示为一定质量的理想气体状态的两段变化过程，一个从c到b，另一个是从a到b，其中状态c与状态a的温度相同，比较两段变化过程，则( )
A.从c到b的过程气体放出热量较多 B.从a到b的过程气体放出热量较多
C.从c到b的过程气体内能减少较多 D.从a到b的过程气体内能减少较多
4.关于一定质量的理想气体,下列说法正确的是( )
A.气体的体积是所有气体分子的体积之和
B.气体的压强是气体分子重力产生的
C.气体压强不变时,气体分子的平均动能可能变大
D.气体膨胀时,气体的内能一定减小
5.如图所示，在图像中，直线表示一定质量的理想气体由状态a变化到状态b的过程，则下列说法正确的是( )
A.气体一直对外界做功 B.气体的温度先升高后降低
C.气体的内能一直增加 D.气体先向外界放出热量，后从外界吸收热量
6.对于热力学第一定律和热力学第二定律的理解，下列说法正确的是( )。
A.一定质量的气体膨胀对外做功100 J，同时从外界吸收120 J的热量，则它的内能增大20 J
B.物体从外界吸收热量，其内能一定增加；物体对外界做功，其内能一定减少
C.凡与热现象有关的宏观过程都具有方向性，在热传递中，热量只能从高温物体传递给低温物体，而不能从低温物体传递给高温物体
D.第二类永动机违反了热力学第二定律，没有违反热力学第一定律
E.热现象过程中不可避免地出现能量耗散现象，能量耗散符合热力学第二定律
7.如图所示，一定质量的理想气体从状态A依次经过状态和D后再回到状态A。其中，和为等温过程，为等压过程，为等容过程，则在该循环过程中，下列说法正确的是( )。
A.过程中，气体放出热量
B.过程中，气体分子的平均动能增大
C.过程中，单位时间内碰撞单位面积器壁的分子数增多
D.过程中，气体分子的速率分布曲线不发生变化
E.若气体在过程中内能变化量的数值为2 kJ，与外界交换的热量为7 kJ，则在此过程中气体对外做的功为5 kJ
8.如图所示是一定质量的理想气体的体积V和摄氏温度t变化关系的图像，气体由状态A变化到状态B的过程中，下列说法正确的是( )
A.气体对外做功，同时从外界吸收热量 B.气体的内能不变
C.气体的压强减小 D.气体的压强不变
9.如图所示，一导热良好的汽缸内用活塞封住一定量的理想气体(不计活塞厚度及与缸壁之间的摩擦),用一弹簧连接活塞,将整个汽缸悬挂在天花板上。弹簧长度为L,活塞距地面的高度为h,汽缸底部距地面的高度为H,活塞内气体压强为p,体积为V,下列说法正确的是( )
A.当外界温度升高(大气压不变)时,L不变、H减小、p不变、V变大
B.当外界温度升高(大气压不变)时,h减小、H变大、p变大、V减小
C.当外界大气压变小(温度不变)时,h不变、H减小、p减小、V变大
D.当外界大气压变小(温度不变)时,L不变、H变大、p减小、V不变
10.如图所示，用隔板将一绝热汽缸分成两部分，隔板左侧充有理想气体，隔板右侧与绝热活塞之间是真空。现将隔板抽开，气体会自发扩散至整个汽缸。待气体达到稳定后，缓慢推压活塞，将气体压回到原体积。假设整个系统不漏气。下列说法正确的是( )
A.气体自发扩散前后内能相同
B.气体在被压缩的过程中内能增大
C.在自发扩散过程中，气体对外界做功
D.气体在被压缩的过程中，气体分子的平均动能不变
11.新冠肺炎疫情期间，某班级用于消毒的喷壶示意图如图所示.闭合阀门K，向下压压杆A可向瓶内储气室充气，多次充气后按下按柄B打开阀门K，消毒液会自动经导管从喷嘴处喷出.储气室内气体可视为理想气体，充气和喷液过程中温度保持不变，则下列说法正确的是( )
A.充气过程中外界对储气室内气体做功，气体内能不变
B.只要储气室内气体压强大于外界大气压强，消毒液就能从喷嘴处喷出
C.喷液过程中，储气室内气体吸收热量对外界做功
D.喷液过程中，储气室内气体分子对器壁单位面积的平均撞击力减小
12.一定质量的理想气体，从状态A依次经过状态和D后再回到状态A，其图像如图所示，其中状态A的压强为，则在该循环过程中，下列说法正确的是( )
A.气体在状态C的压强为
B.从A到B的过程中，气体的压强增大
C.从B到C的过程中，气体吸收热量
D.从C到D的过程中气体对外做的功小于从D到A的过程中气体对外做的功
13.如图所示，圆柱形喷雾器高为h，内有高度为的水，上部封闭有压强为、温度为的空气.将喷雾器移到室内，一段时间后打开喷雾阀门K，恰好有水流出.已知水的密度为ρ，大气压强恒为，喷雾口与喷雾器等高.忽略喷雾管的体积，将空气看作理想气体.（室内温度不变）
（1）求室内温度；
（2）在室内用打气筒缓慢向喷雾器内充入空气，直到水完全流出，求充入空气与原有空气的质量比.
14.如图所示，横截面积均为S的两导热汽缸中装有同种气体，通过一段体积可忽略的细管相连接，在细管中间安装有一个阀门D，两汽缸中各有一个质量为m的活塞，汽缸B中的活塞与一个轻弹簧相连接.阀门D关闭时，轻弹簧处于原长，汽缸B中的气柱长度恰为L，汽缸A中的活塞处于静止状态时，气柱长度为，已知大气压强，弹簧的劲度系数，重力加速度为g，活塞可在汽缸内无摩擦滑动且不漏气.现将一个质量为m的重物C轻轻地放到汽缸A中的活塞上，并打开阀门D，保持环境温度不变，待系统稳定后，求：
（1）弹簧的形变量；
（2）汽缸A中活塞向下移动的距离.
答案以及解析
1.答案：D
解析：一定质量的理想气体，在体积不变的情况下，若气体的温度升高，则气体的平均动能增大，而不是每个气体分子的动能都一定增大，选项A错误；由于气体温度升高不是每个分子的动能都增大，故可能有速度变小的分子，所以不是每个分子对器壁撞击的作用力都变大，选项B错误；根据理想气体状态方程可知，若气体温度升高的同时，体积不变，则压强一定变大，选项C错误；若气体的温度升高，则它的内能一定增大，又体积不变，故外界没有对它做功，根据热力学第一定律可知，气体一定从外界吸收热量，选项D正确。
2.答案：D
解析：解除锁定前，两部分气体温度相同，体积相同，由可知b部分气体压强大，故活塞左移，平衡时；活塞左移过程中，a部分的气体被压缩，内能增大，温度升高，b部分的气体对外做功，内能减小，温度降低，平衡时。D项正确。
3.答案：B
解析：从a到b过程与从c到b过程理想气体的温度降低相同，所以内能减少相同，故C、D错误；从a到b过程压强不变，气体温度降低，由理想气体状态方程知，气体体积减小，；从c到b过程，由理想气体状态方程知气体体积不变，外界对气体做功，根据热力学第一定律可知，从a到b过程气体放出热量较多，故A错误，B正确.
4.答案：C
解析：气体的体积是气体分子所充满的整个空间的体积,不是所有气体分子的体积之和,故A错误;大量做无规则热运动的分子对器壁频繁、持续地碰撞产生了气体的压强,与气体重力无关,故B错误;气体压强不变时,使气体体积增大,则气体温度升高,气体分子的平均动能增大,故C正确;气体膨胀时,气体对外做功,由热力学第一定律可知,若该过程不绝热,则气体对外做功同时可能吸收了热量,内能可能增加或不变,故D错误.
5.答案：AC
解析：由于气体体积膨胀，一定对外界做功，A正确；由题图可知，的关系表达式为，气体从状态a到状态b的过程中，根据理想气体状态方程（恒量），可得，可知状态a变化到状态b的过程，随着体积增大，气体的温度一直升高，内能一直增加，B错误，C正确；整个过程中，气体一直对外界做功，内能一直增加，根据热力学第一定律可知，气体一直从外界吸收热量，D错误.
6.答案：ADE
解析：根据热力学第一定律知，A项正确；根据热力学第一定律，可知物体从外界吸收热量，其内能不一定增加，物体对外界做功，其内能不一定减少，B项错误；通过做功的方式可以让热量从低温物体传递给高温物体，如电冰箱，C项错误；第二类永动机没有违反能量守恒定律，热力学第一定律是能量转化和守恒定律在热学中的反映，因此第二类永动机没有违反热力学第一定律，不能制成是因为它违反了热力学第二定律，D项正确；能量耗散过程体现了宏观自然过程的方向性，符合热力学第二定律，E项正确。
7.答案：ABE
解析：因为为等温过程，压强变大，体积变小，故外界对气体做功，根据热力学第一定律有，温度不变，则内能不变，故气体一定放出热量，A项正确；为等压过程，因为体积增大，由理想气体状态方程可知，气体温度升高，内能增加，故气体分子的平均动能增大，B项正确；为等温过程，压强变小，体积增大，因为温度不变，故气体分子的平均动能不变，压强变小说明单位时间内碰撞单位面积器壁的分子数减少，C项错误；为等容过程，体积不变，压强变小，由可知，温度降低，气体分子的平均动能减小，故气体分子的速率分布曲线会发生变化，D项错误；为等压过程，体积增大，气体对外做功，该过程中气体的温度升高，则气体的内能增加2 kJ，气体从外界吸收的热量为7 kJ，气体对外界做功为5 kJ，E项正确。
8.答案：AC
解析：从状态A到状态B，体积增大，气体对外做功，，温度升高，内能增大，，根据热力学第一定律，可知，即气体从外界吸收热量，故A正确；由题图可知，理想气体从状态A到状态B的过程中，温度升高，内能增大，B错误；在图像中等压线是过℃的直线，斜率越大，压强越小，如图所示，气体从状态A到状态B的过程中，压强减小，故C正确，D错误。
9.答案：AC
解析：对汽缸、气体和活塞构成的整体受力分析,受到竖直向下的重力和竖直向上的弹力,所以弹簧的弹力恒定，形变量恒定,活塞位置不变,则不变。对汽缸受力分析,大气压不变时,汽缸内理想气体的压强恒定,当外界温度升高,根据盖–吕萨克定律可知气体体积V增大,则H减小,故选项A正确,B错误;对汽缸受力分析,外界大气压减小时,气体压强p减小,根据玻意耳定律可知气体体积V增大,则H减小,故选项C正确,D错误。
10.答案：AB
解析：本题考查汽缸中气体的能量变化。气体向真空扩散过程中对外不做功，又因为汽缸绝热，可知气体自发扩散前后内能相同，故A正确，C错误；气体在被压缩的过程中活塞对气体做功，因汽缸绝热，则气体内能增大，故B正确；气体在被压缩的过程中，因气体内能增加，则温度升高，气体分子的平均动能增加，故D错误。
11.答案：ACD
解析：气体内能由温度决定，气体温度不变，因此虽然充气过程中外界对储气室内气体做功，但气体内能不变，A正确；只有当储气室内气体压强大于外界大气压强与喷嘴到液面这段导管内液体产生的压强之和时，消毒液才能从喷嘴处喷出，B错误；喷液过程中，气体膨胀，对外做功，但气体内能不变，根据热力学第一定律，一定从外界吸收热量，C正确；喷液过程中，气体体积膨胀，由于温度不变，根据玻意耳定律，气体压强减小，即储气室内气体分子对器壁单位面积的平均撞击力减小，D正确.
12.答案：AD
解析：由理想气体状态方程有，解得气体在状态C的压强为,A正确；从A到B的过程中气体的体积不变，温度降低，根据可知，气体的压强减小，B错误；从B到C的过程中气体温度不变，体积减小，故气体的内能不变且外界对气体做功，根据热力学第一定律可知，气体放出热量，C错误；由题意画出该过程的图像，如图所示，图线与横轴所围图形的面积表示功，由图可知，从C到D的过程中气体对外做的功小于从D到A的过程中气体对外做的功，D正确。
13.答案：（1）（2）
解析：（1）设喷雾器的横截面积为S，室内温度为，喷雾器移到室内一段时间后，封闭气体的压强，设初始时空气质量为，体积为，
体积，
气体做等容变化，则有，
解得.
（2）以充气结束后喷雾器内空气为研究对象，排完水后，压强为，体积为，
压强为时，体积为，则，
气体等温变化，则有，即，
同温度下同种气体的质量比等于体积比，设充入气体的质量为，
则，
解得.
14.答案：（1）L（2）
解析：（1）未放重物C时，汽缸A中气体的压强为
，
汽缸B中气体的压强为，
放上重物C并打开阀门D后两部分气体混合，气体压强为
，
汽缸B中活塞平衡时，由平衡条件可得，
解得弹簧的形变量.
（2）设两部分气体混合后的总长度为y，由玻意耳定律可得
，
解得，
由几何关系知，汽缸A中的活塞向下移动的距离为
，
联立解得.