2026届高三物理一轮复习-同步分层精练（六十一）热力学定律与能量守恒定律（有解析）

同步分层精练（六十一） 热力学定律与能量守恒定律
1.(2024·重庆高考)某救生手环主要由高压气囊密闭,气囊内气体视为理想气体。密闭气囊与人一起上浮的过程中,若气囊内气体温度不变,体积增大,则 (　 )
A.外界对气囊内气体做正功
B.气囊内气体压强增大
C.气囊内气体内能增大
D.气囊内气体从外界吸热
2.(多选)如图,一封闭着理想气体的绝热汽缸置于水平地面上,用轻弹簧连接的两绝热活塞将汽缸分为f、g、h三部分,活塞与汽缸壁间没有摩擦。初始时弹簧处于原长,三部分中气体的温度、体积、压强均相等。现通过电阻丝对f中的气体缓慢加热,停止加热并达到稳定后 (　 )
A.h中的气体内能增加
B.f与g中的气体温度相等
C.f与h中的气体温度相等
D.f与h中的气体压强相等
3.(多选)一定质量的理想气体从状态a经状态b变化到状态c,其过程如T V图像上的两条线段所示。则气体在 (　 )
A.状态a处压强大于状态c处的压强
B.由a变化到b的过程中,气体对外做功
C.由b变化到c的过程中,气体的压强不变
D.由a变化到b的过程中,气体从外界吸热
4.(多选)一定质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.过程ab中气体一定吸热
B.过程bc中气体既不吸热也不放热
C.过程ca中外界对气体所做的功等于气体所放的热
D.a、b和c三个状态中,状态a时对应分子的平均动能最小
5.(2025·苏州模拟)不少车主常在私家车内备有电动充气泵,如图所示。某次充气前测得某轮胎胎内气体压强只有p1=1.1×105 Pa,为使汽车正常行驶,胎内气体压强应不低于p2=1.4×105 Pa。若已知该轮胎的内胎体积为V0,车主用电动充气泵给轮胎充气,每秒钟充入ΔV=V0、压强为p1=1.1×105 Pa的空气,胎内气体可视为理想气体,充气过程中内胎体积和胎内气体温度保持不变。则下列说法正确的是 (　 )
A.充气过程中胎内气体内能保持不变
B.充气过程中胎内气体一定从外界吸热
C.为使汽车正常行驶,需要电动充气泵给该轮胎充气时间约100 s
D.为使汽车正常行驶,需要电动充气泵给该轮胎充气时间约110 s
6.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.容器中气体的内能减少
B.容器中气体分子的平均动能增加
C.容器中气体分子的数密度减小
D.Q中的气体能自发地全部退回到P中去
7.(2024·山东高考)一定质量理想气体经历如图所示的循环过程,a→b过程是等压过程,b→c过程中气体与外界无热量交换,c→a过程是等温过程。下列说法正确的是 (　 )
A.a→b过程,气体从外界吸收的热量全部用于对外做功
B.b→c过程,气体对外做功,内能增加
C.a→b→c过程,气体从外界吸收的热量全部用于对外做功
D.a→b过程气体从外界吸收的热量等于c→a过程放出的热量
8.(2023·广东高考)在驻波声场作用下,水中小气泡周围液体的压强会发生周期性变化,使小气泡周期性膨胀和收缩,气泡内气体可视为质量不变的理想气体,其膨胀和收缩过程可简化为如图所示的p V图像,气泡内气体先从压强为p0、体积为V0、温度为T0的状态A等温膨胀到体积为5V0、压强为pB的状态B,然后从状态B绝热收缩到体积为V0、压强为1.9p0、温度为TC的状态C,B到C过程中外界对气体做功为W。已知p0、V0、T0和W,求:
(1)pB的表达式;
(2)TC的表达式;
(3)B到C过程,气泡内气体的内能变化了多少
9.(2024·贵州高考)制作水火箭是青少年科技活动的常见项目之一。某研究小组为了探究水火箭在充气与喷水过程中气体的热学规律,把水火箭的塑料容器竖直固定,其中A、C分别是塑料容器的充气口、喷水口,B是气压计,如图(a)所示。在室温环境下,容器内装入一定质量的水,此时容器内的气体体积为V0,压强为p0,现缓慢充气后压强变为4p0,不计容器的容积变化。
(1)设充气过程中气体温度不变,求充入的气体在该室温环境下压强为p0时的体积。
(2)打开喷水口阀门,喷出一部分水后关闭阀门,容器内气体从状态M变化到状态N,其压强p与体积V的变化关系如图(b)中实线所示,已知气体在状态N时的体积为V1,压强为p1。求气体在状态N与状态M时的热力学温度之比。
(3)图(b)中虚线MN'是容器内气体在绝热(既不吸热也不放热)条件下压强p与体积V的变化关系图线,试判断气体在图(b)中沿实线从M到N的过程是吸热还是放热。(不需要说明理由)
同步分层精练（六十一） 热力学定律与能量守恒定律
1.(2024·重庆高考)某救生手环主要由高压气囊密闭,气囊内气体视为理想气体。密闭气囊与人一起上浮的过程中,若气囊内气体温度不变,体积增大,则 (　 )
A.外界对气囊内气体做正功
B.气囊内气体压强增大
C.气囊内气体内能增大
D.气囊内气体从外界吸热
解析:选D　气囊上浮过程,密闭气体温度不变,由玻意耳定律pV=C可知,体积变大,则压强变小,气体对外做功,故A、B错误;气体温度不变,内能不变,气体对外做功,W<0,由热力学第一定律ΔU=Q+W可知Q>0,气体从外界吸热,故C错误,D正确。
2.(多选)如图,一封闭着理想气体的绝热汽缸置于水平地面上,用轻弹簧连接的两绝热活塞将汽缸分为f、g、h三部分,活塞与汽缸壁间没有摩擦。初始时弹簧处于原长,三部分中气体的温度、体积、压强均相等。现通过电阻丝对f中的气体缓慢加热,停止加热并达到稳定后 (　 )
A.h中的气体内能增加
B.f与g中的气体温度相等
C.f与h中的气体温度相等
D.f与h中的气体压强相等
解析:选AD　当电阻丝对f中的气体缓慢加热时,f中的气体内能增大,温度升高,根据理想气体状态方程可知f中的气体压强增大,会缓慢推动左边活塞,则弹簧被压缩,与此同时弹簧对右边活塞有弹力作用,缓慢向右推动右边活塞,故活塞对h中的气体做正功,因为是绝热过程,由热力学第一定律可知,h中的气体内能增加,A正确;未加热前,三部分中气体的温度、体积、压强均相等,当系统稳定时,活塞受力平衡,可知弹簧处于压缩状态,对左边活塞受力分析pfS=F弹+pgS,则pf>pg,分别对f、g内的气体分析,根据理想气体状态方程有=,=,由题意可知,因弹簧被压缩,则Vf>Vg,联立可得Tf>Tg,B错误;在达到稳定过程中,h中的气体体积变小,压强变大,f中的气体体积变大,由于稳定时弹簧保持平衡状态,故稳定时f、h中的气体压强相等,根据理想气体状态方程对h中的气体分析可知==,pf=ph,联立可得Tf>Th,C错误,D正确。
3.(多选)一定质量的理想气体从状态a经状态b变化到状态c,其过程如T V图像上的两条线段所示。则气体在 (　 )
A.状态a处压强大于状态c处的压强
B.由a变化到b的过程中,气体对外做功
C.由b变化到c的过程中,气体的压强不变
D.由a变化到b的过程中,气体从外界吸热
解析:选ABD　根据理想气体状态方程可知T=·V,即T V图像的斜率为,故有pa=pb>pc,故A正确,C错误;理想气体由a变化到b的过程中,因体积增大,则气体对外做功,故B正确;理想气体由a变化到b的过程中,温度升高,则内能增大,由热力学第一定律有ΔU=Q+W,因为ΔU>0,W<0,则有ΔU=Q-|W|,可得Q>0,即气体从外界吸热,故D正确。
4.(多选)一定质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.过程ab中气体一定吸热
B.过程bc中气体既不吸热也不放热
C.过程ca中外界对气体所做的功等于气体所放的热
D.a、b和c三个状态中,状态a时对应分子的平均动能最小
解析:选AD　从a到b的过程,根据图线过坐标原点可得=,所以为等容变化过程,气体没有对外做功,外界也没有对气体做功,所以温度升高气体一定吸热,选项A正确;从b到c的过程温度不变,气体的内能不变,压强变小,体积膨胀,气体对外做功,根据热力学第一定律ΔU=W+Q,可得气体从外界吸热,选项B错误;从c到a的过程,压强不变,体积变小,温度降低说明气体内能减少,根据热力学第一定律ΔU=W+Q,可知外界对气体做的功小于气体放出的热量,选项C错误;分子的平均动能只与温度有关,状态a的温度最低,所以分子平均动能最小,选项D正确。
5.(2025·苏州模拟)不少车主常在私家车内备有电动充气泵,如图所示。某次充气前测得某轮胎胎内气体压强只有p1=1.1×105 Pa,为使汽车正常行驶,胎内气体压强应不低于p2=1.4×105 Pa。若已知该轮胎的内胎体积为V0,车主用电动充气泵给轮胎充气,每秒钟充入ΔV=V0、压强为p1=1.1×105 Pa的空气,胎内气体可视为理想气体,充气过程中内胎体积和胎内气体温度保持不变。则下列说法正确的是 (　 )
A.充气过程中胎内气体内能保持不变
B.充气过程中胎内气体一定从外界吸热
C.为使汽车正常行驶,需要电动充气泵给该轮胎充气时间约100 s
D.为使汽车正常行驶,需要电动充气泵给该轮胎充气时间约110 s
解析:选D　充气过程中胎内气体温度保持不变,分子的平均动能不变,但气体分子总数增加,故内能增大,A错误;充气过程是将外界气体压缩到胎内,需对气体做功,由于气体温度保持不变,说明在压缩气体的同时气体放热,故B错误;设充气时间为t,该时间内充入的气体体积V1=tΔV=,根据玻意耳定律p1(V0+V1)=p2V0,代入数据解得t≈110 s,故C错误,D正确。
6.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.容器中气体的内能减少
B.容器中气体分子的平均动能增加
C.容器中气体分子的数密度减小
D.Q中的气体能自发地全部退回到P中去
解析:选C　打开阀门K后,P中的气体进入Q中,由于Q内为真空,气体体积增大时并没有对外做功,分子势能不变,又因为系统没有热交换,由ΔU=W+Q可知,其气体内能不变,温度不变,则气体分子的平均动能不变,故A、B错误;由于气体的体积增加,但气体分子的数目不变,所以容器中气体分子的数密度减小,故C正确;由热力学第二定律可知,自然界涉及热现象的宏观过程都具有方向性,则Q中气体不可能自发地全部退回到P中去,故D错误。
7.(2024·山东高考)一定质量理想气体经历如图所示的循环过程,a→b过程是等压过程,b→c过程中气体与外界无热量交换,c→a过程是等温过程。下列说法正确的是 (　 )
A.a→b过程,气体从外界吸收的热量全部用于对外做功
B.b→c过程,气体对外做功,内能增加
C.a→b→c过程,气体从外界吸收的热量全部用于对外做功
D.a→b过程气体从外界吸收的热量等于c→a过程放出的热量
解析:选C　a→b过程是等压变化且体积增大,气体对外做功Wab<0,由盖 吕萨克定律可知Tb>Ta,即内能增大,ΔUab>0,根据热力学第一定律ΔU=Q+W可知a→b过程,气体从外界吸收的热量一部分用于对外做功,另一部分用于增加气体内能,A错误;b→c过程中气体与外界无热量交换,即Qbc=0,又由气体体积增大可知Wbc<0,由热力学第一定律ΔU=Q+W可知气体内能减少,故B错误;c→a过程为等温过程,可知Tc=Ta,ΔUac=0,根据热力学第一定律可知a→b→c过程,气体从外界吸收的热量全部用于对外做功,C正确;a→b→c→a一整个热力学循环过程ΔU=0,整个过程气体对外做功,根据热力学第一定律可得ΔU=Qab-Qca-W=0,故a→b过程气体从外界吸收的热量Qab不等于c→a过程放出的热量Qca,D错误。
8.(2023·广东高考)在驻波声场作用下,水中小气泡周围液体的压强会发生周期性变化,使小气泡周期性膨胀和收缩,气泡内气体可视为质量不变的理想气体,其膨胀和收缩过程可简化为如图所示的p V图像,气泡内气体先从压强为p0、体积为V0、温度为T0的状态A等温膨胀到体积为5V0、压强为pB的状态B,然后从状态B绝热收缩到体积为V0、压强为1.9p0、温度为TC的状态C,B到C过程中外界对气体做功为W。已知p0、V0、T0和W,求:
(1)pB的表达式;
(2)TC的表达式;
(3)B到C过程,气泡内气体的内能变化了多少
解析:(1)由题可知,根据玻意耳定律可得
pAVA=pBVB,解得pB=p0。
(2)根据理想气体状态方程可得=
解得TC=1.9T0。
(3)根据热力学第一定律可得ΔU=W+Q
因为B到C过程绝热,故Q=0,故气体内能增加ΔU=W。
答案:(1)p0　(2)1.9T0　(3)W
9.(2024·贵州高考)制作水火箭是青少年科技活动的常见项目之一。某研究小组为了探究水火箭在充气与喷水过程中气体的热学规律,把水火箭的塑料容器竖直固定,其中A、C分别是塑料容器的充气口、喷水口,B是气压计,如图(a)所示。在室温环境下,容器内装入一定质量的水,此时容器内的气体体积为V0,压强为p0,现缓慢充气后压强变为4p0,不计容器的容积变化。
(1)设充气过程中气体温度不变,求充入的气体在该室温环境下压强为p0时的体积。
(2)打开喷水口阀门,喷出一部分水后关闭阀门,容器内气体从状态M变化到状态N,其压强p与体积V的变化关系如图(b)中实线所示,已知气体在状态N时的体积为V1,压强为p1。求气体在状态N与状态M时的热力学温度之比。
(3)图(b)中虚线MN'是容器内气体在绝热(既不吸热也不放热)条件下压强p与体积V的变化关系图线,试判断气体在图(b)中沿实线从M到N的过程是吸热还是放热。(不需要说明理由)
解析:(1)设充入的气体在该室温环境下压强为p0时的体积为V,充气过程中气体温度不变,则有
p0V0+p0V=4p0V0,解得V=3V0。
(2)容器内气体从状态M变化到状态N,由理想气体的状态方程可得=
可得=。
(3)由p V图像与横轴所围成的面积表示气体做功可知,从M到N的过程对外做功更多,
N和N'都是从M状态变化而来,则相同,可得TN>TN',可知从M到N的过程内能降低的更少
由热力学第一定律ΔU=Q+W可知,从M到N'的过程绝热,内能的减少量等于对外做的功;从M到N的过程对外做的功更多,内能降低的反而更少,则气体必然吸热。
答案:(1)3V0　(2)　(3)吸热
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