2024鲁科版高中物理选择性必修第三册同步练习--第1节　热力学第一定律

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2024鲁科版高中物理选择性必修第三册同步
第3章　热力学定律
　第1节　热力学第一定律
基础过关练
　　　　　　　　　　　　　　　
题组一　对热力学第一定律的理解及应用
1.(2022北京三十五中月考)下列说法正确的是 (　　)
A.物体吸收热量,其内能一定增加
B.物体对外做功,其内能一定减少
C.物体吸收热量同时对外做功,其内能一定增加
D.物体放出热量同时对外做功,其内能一定减少
2.(2022福建福州阳光国际学校开学摸底考试)密闭有空气的薄塑料瓶因降温而变扁,此过程中瓶内空气(不计分子势能) (　　)
A.内能增大,放出热量
B.内能减小,吸收热量
C.内能增大,对外界做功
D.内能减小,外界对其做功
3.如图所示,一绝热容器被隔板K隔成a、b两部分。已知a内有一定量的稀薄气体,b内为真空,抽开隔板K后,a内气体进入b,最终达到平衡状态。在此过程中 (　　)
A.气体对外界做功,内能减少
B.气体不做功,内能不变
C.气体压强变小,温度降低
D.气体压强变小,温度不变
题组二　热力学第一定律与气体实验定律的综合
4.一定质量的理想气体,从某一状态开始,经过一系列变化后又回到开始的状态,用W1表示外界对气体做的功,W2表示气体对外界做的功,Q1表示气体吸收的热量,Q2表示气体放出的热量。则在整个过程中一定有 (　　)
A.Q1-Q2=W2-W1　　　　B.Q1-Q2=W1-W2
C.W1=W2　　　　D.Q1=Q2
5.(2022北京一零一中学模拟)恒温水槽中的气泡缓慢上升的过程中 (　　)
A.压强增大,外界对气泡做功,气泡对外放热
B.压强增大,气泡对外做功,气泡从外界吸热
C.压强减小,外界对气泡做功,气泡对外放热
D.压强减小,气泡对外做功,气泡从外界吸热
6.(2022天津静海四校联考)如图所示,一定质量的理想气体,由状态a经过ab过程到达状态b或者经过ac过程到达状态c,设气体在状态b和状态c的温度分别为Tb和Tc,在过程ab和ac中吸收的热量分别为Qab和Qac,则　 (　　)
A.Tb>Tc,Qab>Qac
B.Tb=Tc,Qab>Qac
C.Tb>Tc,QabD.Tb=Tc,Qab7.(2021辽宁大连普兰店第二中学期中)一定质量的理想气体从状态A经过状态B变化到状态C,其V-T图像如图所示。下列说法正确的有 (　　)
A.B→C的过程中,气体压强不变
B.A→B的过程中,气体吸收热量
C.A→B的过程中,气体对外界做功
D.A→B→C的过程中,气体内能减小
8.(2023山东济南一模)如图所示,一定质量的理想气体,从状态a变化到状态b,再变化到状态c,最后回到状态a。下列说法正确的是 (　　)
A.气体在状态a时的温度小于在状态b时的温度
B.气体从状态b变化到状态c的过程中,内能增加
C.气体从状态c变化到状态a的过程中,分子平均动能减小
D.气体从状态c变化到状态a的过程中,气体吸收热量
9.(2022福建龙岩第一中学模拟预测)蛟龙号潜水器携带了一个水压测量仪,其应用简化图如图,水压测量仪内封闭一定质量的理想气体,轻质活塞可自由移动,整个仪器由导热材料制作。则在蛟龙号潜水器缓慢下潜过程,设海水温度保持不变,对水压测量仪内封闭的气体,压强　　　　(填“增大”“减小”或“不变”);　　　　(填“吸收”“放出”或“不吸收也不放出”)热量。
10.一定质量的理想气体从外界吸收了2.6×105 J的热量,内能增加了4.2×105 J。
(1)是气体对外界做了功,还是外界对气体做了功 做了多少焦耳的功
(2)如果气体吸收的热量仍为2.6×105 J不变,但是内能增加了1.6×105 J,计算结果W=-1.0×105 J,是负值,怎样解释这个结果
(3)在热力学第一定律ΔU=W+Q中,W、Q和ΔU为正值、负值各代表什么物理意义
题组三　第一类永动机
11.第一类永动机是不可能制成的,这是因为 (　　)
A.不符合机械能守恒定律
B.违背了热力学第一定律
C.制造永动机的技术不过关
D.无法解决机械摩擦问题
12.下列关于第一类永动机的说法中正确的是 (　　)
A.第一类永动机是不消耗任何能量却能源源不断地对外做功的机器
B.第一类永动机不能制成的原因是违背了热力学第一定律
C.第一类永动机不能制成的原因是技术问题
D.第一类永动机终究有一天能够实现
13.第一类永动机是不可能制成的,这是因为此类永动机 (　　)
A.违反了牛顿运动定律
B.违背了能量守恒定律
C.做功产生的热不符合热功当量
D.找不到合适的材料和合理的设计方案
能力提升练
题组一　对热力学第一定律的理解及应用
1.(2022重庆西南大学附中期中)膨化食品包装袋内通常会封闭少量空气,包装袋不漏气,且该部分气体可视为理想气体,下列说法中正确的是 (　　)
A.用手轻捂包装袋,一段时间后,袋内气体吸收热量且对外做功
B.将包装袋放入冷藏室,一段时间后,所有分子的动能都减小且内能减小
C.用筷子缓慢拍打包装袋,袋内气压变大且从外界吸热
D.用筷子快速拍打包装袋,单位体积的内部气体分子数变多,内能增大
2.(2022山东淄博般阳中学期中)雪后,小朋友们堆了一个漂亮的雪人,雪人慢慢变成水,再逐渐蒸发。下列说法正确的是 (　　)
A.雪人变成水的过程中,水分子的平均动能不变
B.雪人变成水的过程中,水分子的平均动能减小
C.水蒸发成同质量的水蒸气的过程中,吸收的热量大于内能的增加量
D.水蒸发成同质量的水蒸气的过程中,吸收的热量小于内能的增加量
3.(2023福建福州三模)中国制造的列车空气弹簧实现了欧洲高端铁路市场全覆盖,空气弹簧安装在列车车厢底部,可以起到有效减震、提升列车运行平稳性的作用。空气弹簧主要由活塞、气缸及密封在气缸内的一定质量气体构成。列车上下乘客及剧烈颠簸均会引起车厢震动。上下乘客时气缸内气体的体积变化较慢,气体与外界有充分的热交换;剧烈颠簸时气缸内气体的体积变化较快,气体与外界来不及热交换。若外界温度恒定,气缸内气体视为理想气体,则 (　　)
A.乘客上车造成气体压缩的过程中,空气弹簧内气体对外界放热
B.乘客上车造成气体压缩的过程中,空气弹簧内气体对外界做正功
C.剧烈颠簸造成气体压缩的过程中,空气弹簧内气体的内能增加
D.剧烈颠簸造成气体压缩的过程中,空气弹簧内气体分子的平均动能减小
题组二　热力学第一定律与气体实验定律结合
4.(2023山西运城景胜中学月考)如图,一竖直弹簧下端固定在水平面上,上端与活塞连接,内壁光滑且导热良好的气缸内用活塞封闭一定量的理想气体,整个系统处于静止状态。现缓慢升高环境温度,则 (　　)
A.弹簧长度变短
B.缸内气体内能减少,对外做功
C.缸内气体内能增加,气体吸热
D.气体分子对容器内壁单位面积上的作用力变小
5.(2022山东青岛二中阶段练习)如图所示,气缸和活塞与外界均无热交换,中间有一个固定的导热性良好的隔板,封闭着两部分气体A和B,活塞处于静止平衡状态。现通过电热丝对气体A加热一段时间,后来活塞达到新的平衡,气体视为理想气体,不计活塞与气缸壁间的摩擦,大气压强保持不变,则下列判断正确的是 (　　)
A.气体A吸热,内能增加
B.气体B吸热,对外做功,内能不变
C.气体A分子的平均动能增大
D.气体B分子单位时间内对器壁单位面积的碰撞次数增大
6.(2023山东临沂平邑一中月考)一定量的理想气体从状态a开始,经历三个过程ab、bc、ca回到原状态,其p-T图像如图所示。下列判断正确的是 (　　)
A.气体在a、b两状态的体积相等
B.a、b和c三个状态中,状态c分子的平均动能最大
C.在过程bc中气体吸收的热量大于气体对外界做的功
D.b到c过程容器壁单位面积单位时间内受到气体分子撞击的次数减少
7.(2021江苏淮安期中)如图所示,密闭导热容器A、B的体积均为V0,A、B浸在温度为T0的盛水容器中,A中压强为p0,B内为真空,将A中的气体视为理想气体。打开活栓C,A中部分气体进入B。求:
(1)A、B达到平衡时,水温未发生变化,气体的压强;
(2)将水温升至1.2T0,重新达到平衡时,气体的压强;
(3)若密闭气体的内能与温度的关系为ΔU=k(T2-T1)(k为大于0的已知常量,T1、T2分别为气体始末状态的温度),将水温升至1.2T0,重新达到平衡时,气体所吸收的热量。
8.(2022黑龙江哈九中二模)如图所示,封闭有一定质量理想气体的内壁光滑的导热气缸固定在水平桌面上,且开口向右放置;缸内有一横截面积为0.01 m2的活塞,其到气缸底部的距离为10 cm;活塞通过轻绳连接了一个质量为1 kg的小物体,轻绳跨在定滑轮上,滑轮左侧细绳水平,右侧连接小物体的细绳竖直,轻绳恰好处于伸直状态。开始时气缸内、外压强相同,且均为1.01×105 Pa,气缸内气体温度为101 K,现缓慢降低气缸内气体的温度(不计一切摩擦,g=10 m/s2)。
(1)求小物体刚离开地面时缸内气体的温度;
(2)从开始降低温度到活塞移动至距气缸底部6 cm时,缸内气体共放出10 J热量,求此过程中缸内气体内能的变化量(活塞移动过程中气缸不漏气)。
第3章　热力学定律
第1节　热力学第一定律
基础过关练
1.D 2.D 3.BD 4.A 5.D 6.B
7.AD 8.AC 11.B 12.AB 13.B
1.D　根据热力学第一定律ΔU=W+Q可知,仅知道物体吸收热量或对外做功,物体内能变化不能确定,A、B错误;物体吸收热量同时对外做功,当吸收的热量小于对外做的功时,内能会减小,C错误;物体放出热量同时对外做功,其内能一定减小,D正确。
2.D　气体降温则内能减小,塑料瓶变扁则气体体积减小,外界对气体做功,由热力学第一定律ΔU=Q+W可知,气体一定放出热量,故D正确。
3.BD　绝热容器内的稀薄气体与外界没有热交换,Q=0;稀薄气体向真空中扩散,没有做功,W=0。根据热力学第一定律知稀薄气体的内能不变,则温度不变。稀薄气体体积增大,压强必减小。B、D正确。
4.A　因为一定质量的理想气体从初态开始变化,最后又回到开始的状态,说明气体的内能相同,没有变化,由热力学第一定律知W+Q=0,即(W1-W2)+(Q1-Q2)=0,得W2-W1=Q1-Q2,故选项A正确。
5.D　气泡缓慢上升过程中,气泡内的压强减小,且温度不变,根据p1V1=p2V2可知,气泡的体积变大,则气泡对外界做功,根据热力学第一定律ΔU=Q+W,其中ΔU=0、W<0,可知Q>0,气泡从外界吸热,D正确,A、B、C错误。
6.B　因为pbVb=pcVc,故Tb=Tc,所以ac和ab两个过程的内能变化量相同;而ac过程是等容过程,气体做功为零,故Qac=ΔU,又因为ab过程是等压过程,气体体积增大,故气体对外做功,设气体对外做功为W,由热力学第一定律得ΔU=Qab+W,因为W为负值,所以Qab>Qac,选项B正确。
7.AD　B→C的过程中,根据=k可知气体压强不变,选项A正确;A→B的过程中,气体温度不变,则内能不变(ΔU=0),气体体积减小,则外界对气体做功(W>0),根据ΔU=Q+W可知Q<0,气体放出热量,选项B、C错误;A→B→C的过程中,气体温度降低,则内能减小,选项D正确。
8.AC　由理想气体状态方程可知气体在状态a时的温度小于在状态b时的温度,A正确;气体从状态b变化到状态c的过程中体积不变,压强减小,由理想气体状态方程可知温度降低,则内能减小,B错误;气体从状态c变化到状态a的过程中压强不变,体积减小,由理想气体状态方程可知温度降低,则分子平均动能减小,C正确;气体从状态c变化到状态a的过程中,体积减小,则外界对气体做正功,W>0,温度降低,则气体内能减小,ΔU<0,由热力学第一定律得ΔU=Q+W,可知Q<0,气体放出热量,D错误。故选A、C。
9.答案　增大　 放出
解析　对水压测量仪内封闭的气体分析,随着潜入深度的增加,压强增大,而温度不变,则体积减小,外界对气体做功,因温度不变,则内能不变,由ΔU=W+Q知气体放出热量。
10.答案　见解析
解析　(1)根据ΔU=W+Q,得W=ΔU-Q,将Q=2.6×105 J、ΔU=4.2×105 J代入式中解得W=1.6×105 J>0,说明外界对气体做了1.6×105 J的功。
(2)如果吸收的热量Q=2.6×105 J,内能增加了1.6×105 J,即ΔU=1.6×105 J,则W=-1.0×105 J,说明气体对外界做功。
(3)在公式ΔU=W+Q中,ΔU>0,物体内能增加;ΔU<0,物体内能减少。Q>0,物体吸热;Q<0,物体放热。W>0,外界对物体做功;W<0,物体对外界做功。
11.B　第一类永动机违背热力学第一定律,是不可能实现的,选项B正确。
12.AB　第一类永动机是不消耗任何能量却能源源不断地对外做功的机器,这是人们的美好愿望,但它违背了热力学第一定律,这也是它不能制成的原因。故A、B两项正确,C、D两项错误。
13.B　第一类永动机是指不需要消耗任何能量就能对外做功的机器,因此第一类永动机不可能制成不是因为找不到合适的材料和合理的设计方案,而是因为它违背了能量守恒定律,故选项B正确。
能力提升练
1.A 2.AC 3.AC 4.C 5.AC 6.AD
1.A　用手轻捂包装袋,一段时间后,袋内气体吸收热量,温度升高,压强增大,袋内气体膨胀,对外做功,A正确;将包装袋放入冷藏室,一段时间后,袋内气体温度降低,分子平均动能减小,内能减小,但并不是每个气体分子动能都减小,B错误;用筷子缓慢拍打包装袋,外界对袋内气体做功,但由于过程缓慢,气体温度始终与外界相同,故内能不变,据热力学第一定律可知,袋内气体对外界放热,C错误;用筷子快速拍打包装袋,导致袋内气体温度升高,内能增大,气体压强增大,包装袋膨胀,则单位体积的内部气体分子数变少,D错误。
2.AC　雪人变成水的过程中,温度不变,水分子的平均动能不变,故A正确,B错误;水蒸发成同质量的水蒸气的过程中要对外做功,根据热力学第一定律,其吸收的热量大于内能的增加量,故C正确,D错误。故选A、C。
3.AC　乘客上车造成气体压缩的过程中,外界对气体做功,气体内能不变,则空气弹簧内气体对外界放热,A正确,B错误;剧烈颠簸造成气体压缩的过程中,气体与外界来不及热交换,外界对气体做功,则空气弹簧内气体的内能增加,气体分子的平均动能增大,C正确,D错误。故选A、C。
4.C　以活塞和气缸整体为研究对象,根据平衡条件有mg=kx,升高环境温度,活塞和气缸的总质量m不变,弹簧的形变量不变,则弹簧的长度不会变化,A错误;以气缸为研究对象,可知气体压强不变,气体发生等压变化,由盖—吕萨克定律可知,气体的体积变大,气缸上升,气体对外做功,根据热力学第一定律可得气体内能增加,同时吸收热量,B错误,C正确;气体发生的是等压变化,故气体分子对容器内壁单位面积上的平均撞击力不变,D错误。故选C。
5.AC　气体A发生等容变化,W=0,温度升高,内能增加,ΔU>0,根据热力学第一定律ΔU=W+Q,可知气体A吸热,故A正确;对活塞进行受力分析,根据平衡条件可知,B气体的压强不变,由于隔板导热性良好,B气体在吸收A气体的热量后温度上升,内能增大,再根据理想气体状态方程=C,在压强不变,温度升高的情况下,体积增大,则B气体对外做功,故B错误;气体A的温度升高,分子的平均动能增大,故C正确;根据气体压强的微观意义,气体压强和分子单位时间内对器壁单位面积碰撞次数、分子平均动能有关,在压强不变的情况下,气体B的温度升高,分子平均动能增大,则单位时间内对器壁单位面积的碰撞次数减少,故D错误。故选A、C。
6.AD　根据pV=CT可知,ab过程中气体的体积不变,故A正确;a、b和c三个状态中,状态b、c温度相同,分子的平均动能相同,故B错误;在过程bc中温度不变,内能不变,根据热力学第一定律ΔU=Q+W可知,bc过程中气体吸收的热量等于对外做的功,故C错误;b和c两个状态中,气体温度相同,分子平均动能相同,但b状态比c状态压强大,所以b状态容器壁单位面积单位时间内受到气体分子撞击的次数比c状态的多,故D正确。故选A、D。
方法技巧　热力学第一定律与气体实验定律结合问题的解题方法在于综合应用理想气体状态方程和热力学第一定律,两者的结合点是温度和体积。
(1)一定质量的某种理想气体内能的变化要看温度。气体温度升高,内能增大;气体温度降低,内能减小。
(2)气体与外界的做功情况要看体积。气体体积增大,对外做功;气体体积减小,外界对气体做功;理想气体向真空中自由膨胀,不做功。
7.答案　(1)p0　(2)0.6p0　(3)0.2kT0
解析　(1)根据玻意耳定律得p0V0=p1·2V0
解得p1=p0
(2)根据查理定律得=
解得p2=1.2p1=0.6p0
(3)气体内能的增加量为ΔU=k(T2-T1)=k(1.2T0-T0)=0.2kT0
自由膨胀及等容升温过程中,气体均不做功,即W=0,根据热力学第一定律得
Q=ΔU-W=0.2kT0
8.答案　(1)100 K　(2)30 J
解析　(1)当小物体刚离开地面时,地面对小物体的支持力为零,设此时绳的拉力为F,根据活塞受力平衡有p0S=p2S+F
小物体受力平衡,则有F=mg
联立解得p2=1×105 Pa
气缸内气体发生等容变化,根据查理定律得=
其中p1=p0,T1=101 K,解得T2=100 K
(2)气体温度从101 K降温至100 K过程中,外界对气体做功W1=0
继续降温,活塞向左移动过程中,外界对气体做功W2=p2S(h1-h2),其中h1=10 cm,h2=6 cm
解得W2=40 J
所以整个过程气体对外做功W=W1+W2=40 J
根据热力学第一定律ΔU=W+Q,其中Q=-10 J
解得ΔU=30 J
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