3.1热力学第一定律同步练习（含解析）2023——2024学年高物理鲁科版（2019）选择性必修第三册

3.1 热力学第一定律 同步练习
学校:___________姓名：___________班级：___________考号：___________
一、单选题
1．某型号新能源汽车的后备箱内安装有气压支撑杆，它主要由汽缸和活塞组成，开箱时密闭汽缸内的压缩气体膨胀将箱盖顶起，忽略气体分子间相互作用，若缸内气体（　　）
A．与外界无热交换，则气体温度升高
B．与外界无热交换，则气体分子的平均动能增大
C．温度保持不变，则气体压强变大
D．温度保持不变，则气体从外界吸收热量
2．一定质量的理想气体从状态a开始，经a→b、b→c、c→a三个过程后回到初始状态a，其p-V图像如图所示。已知三个状态的坐标分别为a（V0，2p0）、b（2V0，p0）、c（3V0，2p0）。以下判断正确的是（　　）
A．气体在 a→b过程中对外界做的功小于在 b→c过程中对外界做的功
B．气体在a→b过程中从外界吸收的热量大于在 b→c过程中从外界吸收的热量
C．气体在 c→a过程中内能的减少量大于 b→c过程中内能的增加量
D．气体经a→b、b→c、c→a三个过程中放出的总热量大于吸收的总热量
3．如图所示，绝热隔板把绝热的气缸分隔成体积相等的两部分，K与气缸壁的接触是光滑的。两部分中分别盛有相同质量、相同温度的同种气体和。气体分子之间相互作用的势能可忽略。现通过电热丝对气体加热一段时间后，、各自达到新的平衡。下列说法中错误的是（　　）
A．的温度升高
B．加热后的分子热运动比更激烈
C．的体积增大，压强变小
D．增加的内能大于增加的内能
4．气压式电脑桌的简易结构如图所示。导热性能良好的汽缸与活塞之间封闭一定质量的理想气体，活塞可在汽缸内无摩擦运动。设气体的初始状态为A，将电脑放在桌面上，桌面下降一段距离后达到稳定状态B。打开空调一段时间后，桌面回到初始高度，此时气体状态为C。下列说法正确的是（　　）
A．从A到B的过程中，内能减小
B．从A到B的过程中，气体会从外界吸热
C．从B到C的过程中，气体分子平均动能增大
D．从B到C的过程中，气体分子在单位时间内对单位面积的碰撞次数变多
5．卡诺循环（Carnot cycle）是只有两个热源的简单循环。如图所示是卡诺循环的P-V 图像，卡诺循环包括四个过程：a→b等温过程；b→c绝热膨胀过程；c→d 等温过程； d→a绝热压缩过程。整个过程中封闭气体可视为理想气体，下列说法正确的是（　　）
A．a→b过程，气体放出热量
B．c→d 过程，气体对外界做功
C．a→b过程温度为T1，c→d过程温度为T2，则T1＜ T2
D．b→c过程气体对外做功为W1，d→a过程外界对气体做功为W2，则W1 =W2
6．如图甲所示为压气式消毒喷壶，若该壶容积为，内装消毒液。闭合阀门K，缓慢向下压，每次可向瓶内储气室充入的的空气，经n次下压后，壶内气体压强变为时按下，阀门K打开，消毒液从喷嘴处喷出，喷液全过程气体状态变化图像如图乙所示。（已知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，）下列说法正确的是（ ）
A．充气过程向下压的次数次
B．气体从状态变化到状态的过程中，气体吸收的热量大于气体做的功
C．乙图中和的面积相等
D．从状态变化到状态，气体分子单位时间内对器壁单位面积上的碰撞次数不变
7．关于以下各图中所示的热学相关知识，描述正确的是（　　）
A．图甲中，微粒越大，单位时间内受到液体分子撞击次数越多，布朗运动越明显
B．图乙中，在r由变到的过程中分子力做负功
C．图丙中，曲线1对应的分子平均动能比曲线2对应的分子平均动能小
D．图丁中，一定质量的理想气体完成A→B→C→A一个循环中其温度始终不变
8．如图所示，一定质量的理想气体从状态A等压变化到状态B，下列说法正确的是（　　）
A．气体一定吸收热量 B．分子的平均动能减小
C．气体的内能可能减少 D．单位体积内的分子数增加
二、多选题
9．一定质量的理想气体从状态a开始，第一次经绝热过程到状态b；第二次先经等压过程到状态c，再经等容过程到状态b。p-V图像如图所示。则（　　）
A．a→b过程为等温变化过程
B．a→c→b过程比a→b过程气体对外界所做的功多
C．a→c过程，气体从外界所吸收的热量比气体对外所做的功多
D．气体在状态a时比在状态c时单位时间内撞击在单位面积上的分子数少
10．如图甲为某种转椅的结构示意图，其升降部分由M、N两筒组成，两筒间密闭了一定质量的理想气体。图乙为气体分子速率分布曲线，初始时刻筒内气体所对应的曲线为b、人坐上椅子后M迅速向下滑动，设此过程筒内气体不与外界发生热交换，则此过程中（　　）
A．密闭气体压强增大，分子平均动能增大
B．外界对气体做功，气体分子的密集程度保持不变
C．密闭气体内能增大，容器壁单位面积单位时间内受到气体分子撞击的次数增加
D．密闭气体的分子速率分布曲线可能会变成a曲线
E．密闭气体的分子速率分布曲线可能会变成c曲线
11．如图所示为一定质量的理想气体由状态到状态再到状态的图，下列说法正确的是（　　）
A．状态到状态过程，气体密度变大
B．状态到状态过程，气体先放热再吸热
C．、两状态气体分子单位时间内撞击单位面积的次数不相等
D．、两状态气体分子对容器壁上单位面积的平均撞击力相等
12．取一个空的金属易拉罐，在开口处插入一根粗细均匀的长透明吸管，在吸管内注入一小段油柱（长度、质量均可忽略），然后用蜡将易拉罐开口处密封。以密封处为原点，在吸管上标上刻度，如果不考虑大气压的变化，就是一个简易的气温计，如图所示。当环境温度由缓慢升高到的过程中，油柱从刻度处上升到处，则（　　）
A．这一过程中，罐壁单位面积上单位时间内碰撞的气体分子数减少
B．这一过程中，罐内气体对外做的功大于气体从外吸收的热量
C．若油柱从刻度处缓慢升到处，环境温度的升高小于
D．若油柱从刻度处缓慢升到处，环境温度的升高等于
三、实验题
13．在“用DIS研究温度不变时一定质量的气体压强与体积的关系”实验中，某组同学先后两次使用如图（a）所示实验装置获得多组注射器内封闭气体的体积V和压强p的测量值，并通过计算机拟合得到如图（b）所示两组p-V图线。

（1）实验过程中应避免手握注射器含空气柱的部分，这是为了 ，为检验气体的压强p与体积V是否成反比例关系，可将图线转化为 图线；
（2）两组图线经检验均符合反比例关系，由图判断导致①、②两组数据差异的原因可能是 （多选）。
A．两组实验环境温度不同 B．两组封闭气体的质量不同
C． 某组器材的气密性不佳 D．某组实验中活塞移动太快
（3）某小组缓慢推活塞进行实验得到了数据图像①，验证了“玻意耳定律”，请从分子动理论的角度解释这个过程： 。在这个过程中，理想气体 （选填“吸热”、“放热”或 “无热交换”）。
14．把一个小烧瓶和一根弯成直角的均匀玻璃管用橡皮塞连成如图所示的装置。在玻璃管内引入一小段油柱，将一定质量的空气密封在容器内，被封空气的压强跟大气压强相等。如果不计大气压强的变化，利用此装置可以研究烧瓶内空气的体积随温度变化的关系。

（1）关于瓶内气体，下列说法中正确的有 。
A．温度升高时，瓶内气体体积增大，压强不变
B．温度升高时，瓶内气体分子的动能都增大
C．温度升高，瓶内气体分子单位时间碰撞到容器壁单位面积的次数增多
D．温度不太低，压强不太大时，可视为理想气体
（2）改变烧瓶内气体的温度，测出几组体积与对应温度的值，作出图像如图所示。已知大气压强，则由状态a到状态b的过程中，气体对外做的功为 J。若此过程中气体吸收热量60J，则气体的内能增加了 J。

（3）已知任何气体在压强，温度时，体积约为。瓶内空气的平均摩尔质量，体积，温度为。试估算瓶内空气的质量 。
四、解答题
15．一定质量的某种理想气体初始温度为，压强，体积为。经等容变化放出热量，温度降低到；若经等压变化，则需要放出的热量才能使温度降低到。求：
（1）等压过程中外界对气体做的功W；
（2）初始状态下气体的体积。
16．在导热良好的矩形气缸内用厚度不计的活塞封闭有理想气体，当把气缸倒置悬挂在空中，稳定时活塞刚好位于气缸口处，如图甲所示；当把气缸开口朝上放置于水平地面上，活塞稳定时如图乙所示。已知活塞质量为m，横截面积为S，大气压强，环境温度为T0，气缸的深度为h，重力加速为g，不计活塞与气缸壁间的摩擦。
（1）求图乙中活塞离气缸底部的高度h1；
（2）活塞达到图乙状态时将环境温度缓慢升高，直到活塞再次位于气缸口，已知封闭气体的内能随热力学温度变化的关系为U=kT，k为常数，大气压强保持不变，求在该过程中封闭气体所吸收的热量Q。
17．如图所示，上端带有卡口的横截面积为S、高为L的导热性能良好的气缸中用一光滑的活塞B封闭着一定质量的理想气体A， 气缸底部与U形水银气压计（U形管内气体体积忽略不计）相连，已知气体内能U与热力学温度T的关系为U=αT，其中α为已知常数，活塞B的质量为m，重力加速度为g， 大气压强为p0， 水银的密度为ρ， 环境热力学温度为T0时， 活塞离缸底的距离为L，U形气压计两侧水银面的高度差为Δh。求：
（1）活塞B的质量为m；
（2）环境温度由T0缓慢升高至2T0时，U形气压计两侧水银面的高度差Δh1；
（3）环境温度由T0缓慢升高至2T0时过程中，气体吸收的热量。
18．研究表明，新冠病毒耐寒不耐热，温度在超过56℃时，30分钟就可以灭活。如图，含有新冠病毒的气体被轻质绝热活塞封闭在绝热气缸下部内，气缸顶端有一绝热阀门，气缸底部接有电热丝。缸内被封闭气体初始温度℃，活塞位于气缸中央，与底部的距离，活塞和气缸间的摩擦不计。
（1）若阀门始终打开，电热丝通电一段时间，稳定后活塞与底部的距离，持续30分钟后，试分析说明内新冠病毒能否被灭活？
（2）若阀门始终闭合，电热丝通电一段时间，给缸内气体传递了的热量，稳定后气体内能增加了，求此过程气体的内能增加量。
19．如图所示，固定在水平地面开口向上的圆柱形导热气缸，用质量的活塞密封一定质量的理想气体，活塞可以在气缸内无摩擦移动。活塞用不可伸长的轻绳跨过两个定滑轮与地面上质量的物块连接。初始时，活塞与缸底的距离，缸内气体温度，轻绳恰好处于伸直状态，且无拉力。已知大气压强，活塞横截面积，忽略一切摩擦。现使缸内气体温度缓慢下降，则
（1）当物块恰好对地面无压力时，求缸内气体的温度；
（2）当缸内气体温度降至时，求物块上升高度；
（3）已知整个过程缸内气体内能减小121.2J，求其放出的热量Q。
第1页 共4页 ◎ 第2页 共4页
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参考答案：
1．D
【详解】AB．缸内气体与外界无热交换
Q=0
由于气体膨胀对外做功
W<0
根据热力学第一定律得
＝W＋Q
所以气体内能减小，温度降低，分子平均动能减小，故AB错误；
C．根据玻意耳定律得，温度不变，气体体积变大时，压强减小，故C错误；
D．若缸内气体的温度保持不变，则气体内能不变，即
=0
则有
Q＝－W＝－W>0
则气体从外界吸收热量，故D正确。
故选D。
2．D
【详解】A．状态a到状态b，体积变大，气体对外界做的功W1在数值上等于ab图线与横轴围成图形的面积，同理，状态b到状态c，气体对外界做的功W2在数值上等于bc图线与横轴围成图形的面积，故
W1= W2
故A错误；
C．由理想气体状态方程
结合p-V图像可知
Ta=Tb理想气体的内能由温度决定，即
Ua=Ub故C错误；
B．状态a到状态b
状态b到状态c
由热力学第一定律
=W+Q
可知
Q1故B错误；
D．气体经a→b、b→c、c→a三个过程中，气体对外界做的总功大于外界对气体做的总功，根据热力学第一定律，放出的总热量大于吸收的总热量，故D正确。
故选D。
3．C
【详解】AC．由于气缸和隔板都是绝热的，电热丝加热过程中，气体的温度升高，气体膨胀，气体被压缩，压强增加，外界对气体做功，根据热力学第一定律得知的温度升高了，加热过程中气体和气体压强始终相等，可知的体积减小，压强变大，由
可知气体a的温度也升高，故A正确，不符合题意，C错误，符合题意；
B．由于气体体积膨胀，气体被压缩，最终气体a体积大于气体b体积，由于初始时刻两个气室内是同种气体，且体积相等，加热过程中气体a和气体b压强相等，由
可知加热后气体的温度高于气体的温度，即气体a的分子热运动比气体b更激烈，故B正确，不符合题意；
D．由于气体膨胀，气体被压缩，最终气体体积大于气体体积，所以气体的最终温度较高，内能增加较多，故D正确，不符合题意。
故选C。
4．C
【详解】AB.因为汽缸导热性能良好，所以从A到B的过程中，气体温度不变，内能不变。但体积减小，外界对气体做了功，由热力学第一定律知气体会向外界放热，故AB错误；
C.从B到C的过程中，压强不变，但气体体积增大，故应是温度升高，所以气体分子平均动能增大。气体分子在单位时间内对单位面积的碰撞次数变少，故C正确，D错误。
故选C。
5．D
【详解】A．a→b过程气体体积增大，气体对外界做功，则
等温变化，内能不变
由热力学第一定律可知
所以气体吸收热量，故A错误；
B．c→d过程中，等温压缩，内能不变，外界对气体做功，故B错误；
C．a→b过程温度为T1，c→d过程温度为T2，根据理想气体状态方程，压强体积乘积越大，温度越高，则
T1＞T2
故C错误；
D．b→c过程和d→a过程都是绝热过程，且气体温度变化大小相同，则内能变化量的大小相同，根据热力学第一定律，Q=0，可知，b→c过程气体对外做功为W1，d→a过程外界对气体做功为W2，则
W1=W2
故D正确。
故选D。
6．C
【详解】A．壶中原来空气的体积，由玻意耳定律
解得
故A错误；
B．气体从到，体积增大，对外做功，由于温度不变，理想气体内能不变，根据热力学第一定律
可得，气体吸收的热量等于气体做的功，故B错误；
C．三角形面积为，由题意可知，图线为等温曲线，由理想气体状态方程
则
由于是常数，温度保持不变，则相等，两三角形和的面积相等，故C正确；
D．到的过程中，温度不变，分子平均运动速率不变，但是体积变大，分子变稀疏，压强减小，所以气体分子单位时间内对器壁单位面积上的碰撞次数减少，故D错误。
故选C。
7．C
【详解】A．图甲中，微粒越大，单位时间内受到液体分子撞击次数越多，布朗运动越不明显，故A错误；
B．图乙中，在r由变到的过程中，分子势能减小，则分子力做正功，故B错误；
C．图丙中，曲线对应的分子速率大的分子数占总分子数的百分比大一些，可知
则曲线1对应的分子平均动能比曲线2对应的分子平均动能小，故C正确；
D．图丁中，完成A→B→C→A一个循环，温度先升高，后降低，再升高，故D错误。
故选C。
8．A
【详解】B．一定质量的理想气体从状态A等压变化到状态B，根据盖-吕萨克定律得
由于气体的体积增大，所以气体的温度升高，则分子的平均动能应该增大，故B错误；
C．一定质量的理想气体的内能只与温度有关，由于温度升高，所以气体的内能增加，故C错误；
D．一定质量的理想气体，分子总数不变，由于体积增大，所以单位体积内的分子数应该减小，故D错误；
A．根据上述分析可知，外界对气体做的功W＜0，气体内能的增量 U＞0，根据热力学第一定律
可知，Q＞0，即气体一定吸收热量，故A正确。
故选A。
9．BC
【详解】A．a→b为绝热过程，，气体体积膨胀对外界做功，，由热力学第一定律
得
即内能减小，温度降低，故A错误；
B．由微元法可得p-V图像与横坐标围成的面积表示为气体做功的多少，由图像可知，a→c→b过程比a→b过程气体对外界所做的功多，故B正确；
C．a→c过程等压膨胀，气体对外做功，，由理想气体状态方程知温度升高，内能增大，由
得
故气体从外界吸热大于对外做的功，故C正确；
D．a→c过程，气体的压强相等，体积变大温度变大，分子的平均动能变大，分子撞击容器壁的动量变化量变大。由气体压强的微观解释可知，在状态a时比在状态c时单位时间内撞击在单位面积上的分子数多，故D错误。
故选BC。
10．ACE
【详解】ABC．根据题意可知，M迅速向下滑动，理想气体的体积减小，气体分子的密集程度变大，外界对气体做功，且筒内气体不与外界发生热交换，则理想气体内能增大，温度升高，分子平均动能增大，容器壁单位面积单位时间内受到气体分子撞击的次数增加，密闭气体压强增大，故AC正确，B错误；
DE．由于气体温度越高，速率较大的分子所占的比例越大，则密闭气体的分子速率分布曲线可能会变成c曲线，故E正确，D错误。
故选ACE。
11．CD
【详解】A．根据可知状态到状态过程，压强减小，温度升高，则体积变大，气体密度变小，选项A错误；
B．状态到状态过程，气体体积一直减小，外界对气体做功，即W>0；温度先升高后降低，则内能先增加后减小，根据 U=W+Q可知，气体在前一阶段的吸热放热不能确定，后一阶段气体一定放热，选项B错误；
CD．、两状态压强相等，气体分子对容器壁上单位面积的平均撞击力相等，但是温度和体积不等，则气体分子单位时间内撞击单位面积的次数不相等，选项CD正确；
故选CD。
12．AD
【详解】A．设油柱的质量为，透明吸管的横截面积为，外界大气压为，罐内气体的压强为，则根据平衡条件有
可得
由此可知，当环境温度由缓慢升高到的过程中，罐内气体发生的是等压变化，即温度升高，压强不变，而气体体积增大，单位体积内的气体分子数减少，但由于温度升高，气体分子平均动能增加，气体分子与罐壁作用平均作用力增加，因此罐壁单位面积单位时间内碰撞的气体分子数减少了，故A正确；
B．根据热力学第一定律
由于罐内气体发生等压变化，气体膨胀对外做功，即，但同时气体温度升高，内能增加，即，由此可知气体从外界吸收的热量大于气体对外所做的功，故B错误；
CD．设易拉罐的体积为，温度为时，油柱距离接口的距离为，根据理想气体的状态方程有
整理可得
可知，温度T与油柱距离接口的距离为一次函数的关系，根据题意，当环境温度由缓慢升高到的过程中，油柱从刻度处上升到处，因此当油柱从刻度处缓慢升到处，环境温度的升高应等于，故C错误，D正确。
故选AD。
13． 控制气体的温度不发生变化 或 AB/BA 见解析 放热
【详解】
（1）[1] 实验过程中应避免手握注射器含空气柱的部分，这是为了控制气体的温度不发生变化。
[2] 根据理想气体状态方程
可得
或
为检验气体的压强p与体积V是否成反比例关系，能较直观的判定该关系，可将图线转化为或图像。
（2）[3]AB．根据，由曲线可知对于同一V值所对应的p值不同，故两组注射器内气体的p与V的乘积不相等，可知当气体质量一定时，若两组实验环境温度T不同， pV乘积不等；同理，当两组封闭气体的质量不同时，pV乘积不等，故AB正确；
CD．若某组器材的气密性不佳，在实验中会漏气，气体质量会持续变化，此时不可能得到反比例关系图线；同理，若某组实验中活塞移动太快，会使注射器内封闭气体的温度不断变化，此时图线也不可能符合反比例关系，故CD错误。
故选AB。
（3）[4]一定质量的理想气体，其分子总数是一个定值，当温度保持不变时，则分子的平均速率也保持不变，当其体积增大几倍时，则单位体积内的分子数变为原来的几分之一，因此气体的压强也减为原来的几分之一；反之若体积减小为原来的几分之一，则压强增大几倍，即压强与体积成反比，这就是玻意耳定律。
[5]缓慢推活塞，气体体积减小，外界对气体做功，而温度保持不变则气体内能不变，故气体放热。
14． AD/DA 50 10 2.73g
【详解】（1）[1]
A．温度升高时，由于气压等于外界大气压，压强不变，故瓶内气体体积增大，故A正确；
B．温度升高时，瓶内气体分子的热运动的平均动能增大，但不是每个分子的动能均增加，故B错误；
C．气体压强是分子对容器壁的频繁碰撞产生的；温度升高，分子热运动的平均动能增加，而压强不变，根据压强微观意义可知瓶内气体分子单位时间碰撞到容器壁单位面积的次数减少，故C错误；
D．温度不太低，压强不太大时，实际气体均可视为理想气体，故D正确。
故选AD。
（2）[2]由状态a到状态b的过程中，气体对外做的功为
[3]若此过程中气体吸收热量，根据热力学第一定理可得
可知气体的内能增加了。
（3）[4]瓶内空气体积为，温度为
转化为标准状态，有
其中
解得
物质的量为
故瓶内空气的质量为
15．（1）200J；（2）
【详解】（1）等容过程中，气体做功为零，即
等压过程，内能减小400J，放出600J热量，则
（2）根据等压变化可得
联立解得
16．（1）；（2）
【详解】（1）设甲、乙中封闭气体的压强分别为、，则有
，
解得
，
气体做等温变化，由玻意耳定律有
联立解得
（2）设活塞回到气缸口时气体温度为，气体等压变化，则有
可得
气体对外做的功为
气体内能变化为
根据热力学第一定律可得
解得
17．（1）；（2）；（3）
【详解】（1）初始状态，气体A压强
对活塞，根据平衡条件得
解得
（2）缓慢升高环境温度，活塞B上升，气体发生等压变化，U形导管内侧水银面的高度差不变，设活塞B刚好到达容器口时，温度为，由盖—吕萨克定律得
解得
之后，气体温度由升高到，气体发生等容变化。设压强，根据
得
又
联立得
（3）整个过程中，外界对气体做的功
由热力学第一定律得
解得，
18．（1）新冠病毒能被灭活；（2）
【详解】（1）设活塞横截面积为S，则对a气体初始状态有
，
末状态有
，
阀门K打开，加热过程a气体做等压变化，由盖·吕萨克定律得
由以上各式可得
因57℃＞56℃，由题意可知a内新冠病毒能被灭活。
（2）阀门K闭合，由于系统绝热，a气体膨胀对b气体做功，由热力学第一定律有
代入数据得
对b气体，由于系统绝热，则此过程气体的内能增加量为
19．（1）；（2）；（3）160J
【详解】（1）初始时，对活塞
解得
当物块对地面无压力时，对活塞
解得
对气体，由等容变化
解得
（2）对气体，由等压变化
即
解得
（3）整个降温压缩过程活塞对气体做功
根据热力学第一定律
得
放出热量为160J
答案第1页，共2页
答案第1页，共2页