3.1热力学第一定律（Word版含答案）

粤教版（2019）选择性必修三 3.1 热力学第一定律
一、单选题
1．如图所示，导热良好的圆筒形气缸竖直放置在水平地面上，用活塞将一定质量的气体封闭在气缸内，活塞上堆放着铁砂，系统处于静止状态。现缓慢取走铁砂，忽略活塞与气缸之间的摩擦，外界环境温度不变，则在此过程中缸内气体（　　）
A．对外做功，其内能减少
B．温度不变，与外界无热量交换
C．分子平均动能变大
D．气体压强变小，单位时间内对活塞的碰撞次数减少
2．一定质量的理想气体的状态变化过程表示在如图所示的p-V图上，气体先由a状态沿双曲线经等温过程变化到b状态，再沿与横轴平行的直线变化到c状态，a、c两点位于与纵轴平行的直线上，以下说法中正确的是（　　）
A．由a状态至b状态过程中，气体放出热量，内能减少
B．由b状态至c状态过程中，气体对外做功，内能减少
C．c状态与a状态相比，c状态分子平均距离较大，分子平均动能较大
D．b状态与a状态相比，b状态分子平均距离较小，分子平均动能相等
3．一恒温水池底部有一水泡从池底缓慢上升，水泡内的气体可视为理想气体，则在水泡上升的过程中（　　）
A．水泡内气体从外界吸热
B．水泡内气体的压强增大
C．水泡内气体的内能减小
D．水泡内气体分子在单位时间内对单位面积器壁的碰撞次数增大
4．住在海边的小明，跟几个朋友自驾去某高原沙漠地区游玩，下列相关说法正确的是（　　）
A．出发前给汽车轮胎充气，气压不宜过高，因为汽车高速行驶时胎压会增大
B．小明在下雨时发现，雨水流过车时留有痕迹，说明水对玻璃是不浸润的
C．到了高原地区，小明发现，尽管气温变化不大，但车上带的矿泉水瓶变得更鼓胀了，这是瓶内空气压强变大的缘故
D．白天很热时，开空调给车内降温，此时空调机从车内吸收的热量多于向车外排放的热量
5．一定质量的理想气体，由状态A开始，经历①②两个不同过程到达状态C，p-T图像如图所示，下列说法正确的是（　　）
A．过程①气体对外做功
B．过程②气体先放出热量后吸收热量
C．气体在过程①吸收的热量小于过程②吸收的热量
D．单位时间内，状态A比状态C器壁单位面积上分子碰撞的次数多
6．如图所示，一定质量的理想气体（不计分子势能）从状态A依次经过状态B、C和D后再回到状态A。其中，和为等温过程，和为绝热过程（气体与外界无热量交换），这就是著名的“卡诺循环”。单位时间单位面积上分子碰撞次数为N，分子平均动能为，下列说法正确的是（ ）
A． B． C． D．
7．如图所示，一定质量的理想气体经历的状态变化为a→b→c→a，其中纵坐标表示气体压强p、横坐标表示气体体积V，a→b是以p轴和V轴为渐近线的双曲线。则下列结论正确的是（　　）
A．状态a→b，理想气体的内能减小
B．状态b→c，单位时间内对单位面积器壁碰撞的分子数变少
C．状态b→c，外界对理想气体做正功
D．状态c→a，理想气体的密度增大
8．下列说法正确的是（　　）
A．气体膨胀对外做功其内能一定减小
B．内能是物体中所有分子热运动动能的总和
C．气体吸热且温度升高，分子的平均动能有可能不变
D．水中花粉颗粒的布朗运动是由水分子的无规则运动引起的
9．下列说法正确的是（　　）
A．一定质量的理想气体等温膨胀，该气体对外界做功，内能减小
B．气体在等压变化过程中，随温度升高，单位时间内单位面积上气体分子碰撞器壁的次数减少
C．一定量的100 ℃的水变成100 ℃的水蒸气需要加热，是因为要减小分子势能
D．当液体与空气接触时，液体表层分子的势能比液体内部分子的势能小
10．如图所示，两点表示一定质量的某种理想气体的两个状态，当气体从状态A变化到状态B时，下列说法正确的是（　　）
A．体积必然减小 B．不可能经过体积减小的过程
C．外界必然对气体做正功 D．气体必然从外界吸热
11．“百脉寒泉珍珠滚”为章丘八大景之一。假如泉水深5m，底部温度为17℃，一个体积为5.8×10-7m3的气泡从底部缓慢上升，到达泉水表面时温度为27℃，气泡内气体的内能增加了2×10-2J。不计气体分子间的相互作用，g取10m/s2，外界大气压强取1.0×105Pa，水的密度取1×103kg/m3。下列说法正确的是（　　）
A．气泡内所有分子动能都增大
B．气泡上升过程中对外做功，放出热量
C．气泡到达泉水表面时的体积为9×10-7m3
D．上升过程中气泡吸收热量大于6.8×10-2J
12．一定质量的理想气体的体积V随摄氏温度t变化的关系图像如图所示，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．气体的内能不变
B．气体的压强减小
C．气体的压强不变
D．外界对气体做功，同时气体从外界吸收能量
13．“回热式热机”热循环过程可等效为如图所示的曲线，、为等温过程，、为等容过程．对于一定质量的理想气体，在热循环过程中（ ）
A．a状态气体温度比c状态低
B．，两过程气体放出、吸收的热量相等
C．整个循环过程，气体对外放出热量
D．d状态下单位时间与器壁单位面积碰撞的气体分子数比c状态少
14．将一定质量的理想气体缓慢压缩，压缩过程中温度保持不变。下列说法正确的是（　　）
A．气体的内能不变 B．气体的压强不变
C．气体分子的平均动能减小 D．气体与外界无热交换
15．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．一定量的某种理想气体的内能只与温度有关
D．一定量的某种理想气体在等压膨胀过程中，内能一定减小
二、填空题
16．如图所示，一定质量的理想气体从状态a开始，经abcda过程，最后回到状态a，其p-V图象是一个菱形，已知菱形中心对应的压强为，体积为、温度为，则a→b过程中，外界对气体做的功______（填“大于”“小于”或“等于”）零，气体在状态d时的温度______（填“大于”“小于”或“等于”）。
17．热力学系统和外界
（1）热力学系统：由_______组成的研究对象叫作热力学系统，简称系统。
（2）外界：系统之外与系统发生_______的其他物体统称外界。
18．一定质量的理想气体发生绝热压缩，气体的分子平均动能______（填“增大”、“减小”或“不变”），气体分子对容器壁单位面积的撞击的作用力______（填填“增大”、“减小”或“不变”）。在某温度时，水蒸气的绝对气压为P=200mmHg，此时的相对湿度为50%，饱和汽压为________。
三、解答题
19．如图甲所示，一横截面积S=10cm2的活塞将一定质量的理想气体封闭在气缸内，不计活塞与气缸间的摩擦。如图乙所示是气体从状态A变化到状态B的V-T图象。已知AB的反向延长线通过坐标原点O，气体在A状态的压强为P=1.5×105Pa，在从状态A变化到状态B的过程中，气体吸收的热量Q=7.0×102J，大气压强P0=1.0×105Pa，重力加速度g=10m/s2。求活塞的质量m与此过程中气体内能的增量 U。
20．如图，固定汽缸内由活塞封闭一定质量的气体，开始时活塞处于静止状态，用电热丝对气体加热后活塞向左移动，移动过程中活塞与汽缸的摩擦忽略不计，且气体与外界环境没有热交换。试分析气体内能会如何变化。
21．某同学估测室温的装置如图所示，用绝热的活塞封闭一定质量的理想气体，气缸导热性能良好。室温时气体的体积，将气缸竖直放置于冰水混合物中，稳定后封闭气体的体积。不计活塞重力及活塞与缸壁间的摩擦，室内大气压，阿伏加德罗常数。（取）
（1）求室温是多少；
（2）若已知该气体在、0℃灯时的摩尔体积为，求气缸内气体分子数目N；（计算结果保留两位有效数字）
（3）若已知该气体内能U与温度T满足，则在上述过程中该气体向外释放的热量Q。
22．如图所示，一个绝热的气缸竖直放置，内有一个绝热且光滑的活塞，中间有一个固定的导热性良好的隔板，隔板将气缸分成两部分，分别密封着两部分理想气体A和活塞的质量为1kg，横截面积为，与隔板相距1m。现通过电热丝缓慢加热气体，当A气体吸收热量120J时，活塞上升了1m，此时气体的温度为已知大气压强为，重力加速度为。
（1）加热过程中，若A气体内能增加了，求B气体内能增加量；
（2）现停止对气体加热，同时在活塞上缓慢添加砂粒，当活塞恰好回到原来的位置时A气体的温度为求此时添加砂粒的总质量。
试卷第1页，共3页
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参考答案：
1．D
【解析】
【详解】
A．缓慢取走铁砂的过程中，因为活塞对封闭气体的压力减小，所以活塞会缓慢上升，是气体膨胀的过程，缸内气体对外做功，但是气缸导热良好，所以缸内气体温度保持不变，则内能不变，故A错误；
B．根据热力学第一定律
△U=W+Q
因为气体膨胀对外做功，所以
W＜0
气缸导热良好，缸内气体温度保持不变，即
△U=0
所以
△Q＞0
即气体要从外界吸收热量，故B错误；
C．由上面的分析可知缸内气体温度不变，即气体分子的平均动能不变，故C错误；
D．根据理想气体状态方程
可知，T不变，V增大，则p减小。所以缸内气体压强减小，分子的平均动能不变，因为缸内气体体积V增大，所以分子数密度减小，则在单位时间内气体对活塞的碰撞次数要减少，故D正确。
故选D。
2．D
【解析】
【分析】
【详解】
A．由题意，ab是一条双曲线，说明气体由a状态至b状态过程为等温变化，内能不变，气体的体积减小，外界对气体做功，根据热力学第一定律可知，气体放出热量，A错误；
B．由b状态至c状过程中，气体的体积增大，对外做功，温度升高，内能增大，B错误；
C．c状态与a状态相比，体积相同，分子平均距离相等，C错误；
D．b状态与a状态相比，b状态体积小，分子平均距离较小，温度相等，则分子平均动能相等，D正确。
故选D。
3．A
【解析】
【详解】
ABC．气泡内气体的压强为
因为大气压强p0恒定，且气泡缓慢上升过程中h减小，所以p减小，因为水池恒温，所以气泡温度不变，气泡内能不变，气泡的体积增大，对外做功，由热力学第一定律可知，气泡吸热，故A正确，B、C错误；
D. 气体压强减小，因气泡温度不变，分子平均动能不变， 可知气泡内分子单位时间内对气泡壁单位面积的撞击次数减少，故D错误。
故选A。
4．A
【解析】
【详解】
A．出发前给汽车轮胎充气，气压不宜过高，因为汽车高速行驶时，温度会升高，由气态方程可得，胎压会增大，A项正确；
B．雨水流过车窗时留有痕迹，说明水对玻璃是浸润的，B项错误；
C．高原地区，气压较低，瓶内的气体压强会大于瓶外的压强使得车上带的矿泉水瓶变得更鼓胀，C项错误；
D．白天很热时，开空调给车内降温，因空调本身也要产生热量，则此时空调机从车内吸收的热量少于向车外排放的热量，D项错误。
故选A。
5．C
【解析】
【详解】
AD．过程①气体压强与热力学温度成正比，则气体发生等容变化，气体体积不变，外界对气体不做功，气体温度升高，内能增大，由热力学第一定律
ΔU=Q＋W
可知，气体吸收热量，单位时间内，状态A比状态C器壁单位面积上分子碰撞的次数少，故AD错误；
B．AB过程气体压强不变，温度升高，由盖—吕萨克定律可知其体积增大，气体对外界做功，气体温度升高，内能增大，由热力学第一定律
ΔU=Q＋W
可知，气体要吸收热量，且气体对外界所做的功小于气体所吸热量，BC过程气体发生等温变化，气体内能不变，压强增大，由玻意耳定律可知，体积减小，外界对气体做功，由热力学第一定律
ΔU=Q＋W
可知，气体放热，且外界对气体所做的功等于气体所放热量，则过程②气体先吸收热量后放出热量，故B错误；
C．过程①气体所吸热量为
Q1=ΔU
过程②气体所吸热量为
Q2=ΔU+W
气体在过程①吸收的热量小于过程②吸收的热量，故C正确。
故选C。
6．D
【解析】
【详解】
A．过程，为绝热过程，从外界吸热量为零，而体积增大，外界对气体做负功，根据
其中
则气体内能减小，温度降低，而为等温过程，所以
故A错误；
B．A到C过程，压强减小，体积增大，分子密度降低，温度降低，分子平均动能降低，可知
故B错误；
C．为等温过程，温度不变，分子平均动能不变，而过程，温度降低，分子平均动能减小，故
故C错误；
D．B到C过程，压强减小，体积增大，分子密度降低，温度降低，分子平均动能降低，可知
故D正确。
故选D。
7．C
【解析】
【分析】
【详解】
A．状态a→b为等温变化，所以理想气体内能不变，所以A错误；
BC．状态b→c为等压变化，且体积减小，外界对气体做正功，分子数密度增大，则单位时间内对单位面积器壁碰撞的分子数变大，所以B错误，C正确；
D．状态c→a为等容变化，即体积不变，由
可知，一定质量的理想气体的密度不变，所以D错误。
故选C。
8．D
【解析】
【详解】
A．根据热力学第一定律：，气体膨胀时对外界做功W＜0，但Q不明确，其内能不一定减小，故A错误；
B．内能是物体中所有分子热运动动能与势能的总和，故B错误；
C．温度是分子的平均动能的标志，气体的温度升高，则分子的平均动能一定增大，故C错误；
D．布朗运动是悬浮在水中的花粉颗粒的运动，是由于受到水分子的撞击不平衡而发生的，故反映了水分子的永不停息的无规则运动，故D正确。
故选D。
9．B
【解析】
【详解】
A．一定质量的理想气体等温膨胀，气体体积变大，对外界做功，而温度不变，所以内能不变，A项错误；
B．气体在等压变化过程中，温度升高，体积变大，则气体的密度减小，单位时间内单位面积上分子碰撞器壁的次数减少，B项正确；
C．一定量的100 ℃的水变成100 ℃的水蒸气，分子平均动能不变，但分子间距离增大，即分子势能增大，所以需要加热的原因是要增大分子势能，C项错误；
D．当液体与空气接触时，液体内部分子间距离在平衡距离附近，而表层分子间距离大于平衡距离，所以液体表层分子的势能比液体内部分子的势能大，D项错误。
故选B。
10．D
【解析】
【分析】
【详解】
A．根据理想气体状态方程
（常数）
解得
可知与O点的连线均表示等容变化，连线的斜率越大，则表示气体体积越小，所以气体在状态A时的体积小于在状态B时的体积，气体从状态A变化到状态B的过程中，体积必然变大，故A错误；
B．因为气体变化的过程未知，可能经过气体体积减小的过程，故B错误；
CD．气体的体积变大，气体对外界做正功，根据热力学第一定律
气体对外界做正功，W为负值，从题图中看出气体温度升高，即为正值，所以Q必须为正值，即气体必须从外界吸热，故C错误；D正确；
故选D。
11．C
【解析】
【详解】
A．由于不计气体分子间的相互作用，则气泡内的气体为理想气体，内能增大即气体分子的平均动能增大，不是所有气体分子的动能都增大，故A错误；
B．上升过程中，气体内能增加，体积增大，对外做功，由
可知，上升过程中气体吸收热量，故B错误；
C．由理想气体的状态方程
代入数据
求得气泡到达泉水表面时的体积为
故C正确；
D．由气体对外做功的表达式
可得
当压强不变时，可求得气体对外做功等于4.8×10-2J，由于上升过程中气体压强减小，所以对外做功小于4.8×10-2J，由
可得上升过程中气泡吸收热量小于6.8×10-2J，故D错误。
故选C。
12．B
【解析】
【详解】
A．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，故A错误；
BC．如图所示
两条虚线为等压线，斜率越大，压强越小，故气体从状态A到状态B的过程中，压强减小，故B正确，C错误；
D．从状态A到状态B，体积增大，气体对外做功
W<0
温度升高，内能增大
ΔU>0
根据热力学第一定律
ΔU=W+Q
可知
Q>0
即气体从外界吸收热量，故D错误。
故选B。
13．B
【解析】
【详解】
A. 从到为等容变化，则有
，
可得
又有
因此a状态气体温度比c状态高，A错误；
B. ，两过程都发生等容变化，根据热力学第一定律
吸收或放出的热量都用来改变气体的内能，由于
，
故有
可知，两过程的气体内能变化量大小相等，因此这两过程气体放出、吸收的热量相等，B正确；
C. 在图像中，图像与横轴围成的面积等于气体做功的大小，体积增大时，气体对外做功，体积减小时，外界对气体做功，因此整个循环过程，气体对外做功，而气体内能不变，根据热力学第一定律可知，整个循环过程，气体从外界吸收热量，C错误；
D. 由图像可知，
又有
根据压强的微观解释，可知d状态下单位时间与器壁单位面积碰撞的气体分子数比c状态多，D错误。
故选B。
14．A
【解析】
【详解】
AC．理想气体温度保持不变，则气体内能不变，分子的平均动能不变，故A 正确，C错误；
B．理想气体经历等温压缩过程，根据玻意耳定律可知气体的压强增大，故B错误；
D．气体被压缩过程中，外界对气体做功，而气体内能不变，根据热力学第一定律可知气体向外界放热，故D错误。
故选A。
15．C
【解析】
【详解】
A．温度相同的气体，其分子平均动能相同，仅质量相同，分子质量不同的气体，所含分子数不同，分子的动能也可能不同，所以内能不一定相同，A错误；
B．气体的内能与整体运动的机械能无关，B错误；
C．理想气体不考虑分子间相互作用力，分子势能为零，一定量的气体，分子数量一定，温度相同时分子平均动能相同，由于内能是所有分子热运动的动能与分子势能的总和，所以C正确；
D．由盖—吕萨克定律可知，一定量的理想气体，等压膨胀过程中，温度一定升高，则其内能一定增加，D错误。
故选C。
16． 小于 小于
【解析】
【详解】
[1][2]气体由状态a变化到状态b的过程，气体压强和体积都增大，故气体对外做功，外界对气体做的功小于零；将状态d与菱形中心相比较，气体发生等容变化，根据查理定律有
由于
故有
17． 大量分子 相互作用
【解析】
【分析】
【详解】
略
18． 增大 增大 400mmHg
【解析】
【分析】
【详解】
[1]温度是分子平均动能的标志。一定质量的理想气体的内能，只跟温度有关。温度改变时，其内能一定改变。绝热压缩一定质量的理想气体时，外界对气体做功，根据热力学第一定律
可知，内能增加，则气体的温度升高，气体的分子平均动能增大；
[2]根据理想气体状态方程
依题意可知，V减小，T增大，所以压强p一定增大，则气体分子对容器壁单位面积的撞击的作用力增大；
[3]相对湿度是指空气中水蒸气压与饱和水汽压的百分比，表达式为
也等于空气的绝对湿度与相同温度下可能达到的最大绝对湿度之比，故饱和汽压为
19．5kg；
【解析】
【详解】
状态A时，对活塞受力分析得
代入数据解得
在从状态A变化到状态B的过程中，发生的是等圧変化，
则外界对气体做功
内能的增量 U
20．内能增加
【解析】
【详解】
用电热丝对气体加热，且气体与外界环境没有热交换，则气体吸收热量，等压膨胀，根据可知，气体温度升高，内能增加。
21．（1）300.3K（或27.3℃）；（2）个；（3）1.419J
【解析】
【分析】
【详解】
（1）由等压变化得
解得
或
（2）气缸内气体分子数目
个
解得
个
（3）根据关系式得，初状态的气体的内能为
末状态气体的内能为
内能变化量
气体经历等压变化，外界对气体做功
由热力学第一定律，得
即气体向外界释放的热量为1.419 J。
22．（1）；（2）
【解析】
【分析】
【详解】
（1）气体对外做功，B气体对外做功
由热力学第一定律得
解得
（2）B气体的初状态
B气体末状态
由理想气体状态方程得
解得
答案第1页，共2页
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