3.热力学第二定律
课后训练巩固提升
一、基础巩固
1.关于热学规律,下列说法正确的是( )
A.第二类永动机不能制成,因为它违反了能量守恒定律
B.热机不可能从单一热源吸收热量,使之完全变成功,而不产生其他影响
C.热量不可能从低温物体传到高温物体
D.未来科技进步了,人类就可以将散失在环境中的内能全部重新收集起来加以利用
答案:B
解析:第二类永动机不能制成没有违反能量守恒定律,是因为违反了热力学第二定律,故A错误;根据热力学第二定律可知,不可能从单一热源吸收热量,使之完全变成功,而不产生其他影响,故B正确;热量可以自发地从高温物体传到低温物体,热量不能自发地从低温物体传向高温物体,但在一定的条件下热量可以从低温物体传向高温物体,如空调,故C错误;能量耗散说明物理过程的方向性,未来科技进步了,人类也不能将散失在环境中的内能全部重新收集起来加以利用,故D错误。
2.下列说法不正确的是( )
A.一定质量的理想气体经历一缓慢的绝热膨胀过程,气体的内能增大
B.第一类永动机违反了热力学第一定律
C.气体向真空的自由膨胀是不可逆的
D.热力学第二定律可描述为“第二类永动机不可制成”
答案:A
解析:一定质量的理想气体经历一缓慢的绝热膨胀过程,则Q=0,W≤0,根据ΔU=W+Q可知,气体的内能不可能增大,故A不正确,符合题意;第一类永动机不可能制成是因为违反了热力学第一定律,故B正确,不符合题意;自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性,是不可逆的,所以气体向真空的自由膨胀是不可逆的,故C正确,不符合题意;第二类永动机违背了热力学第二定律,所以热力学第二定律可描述为“第二类永动机不可制成”,故D正确,不符合题意。
3.根据所学的热学的有关知识,下列说法正确的是( )
A.机械能可以全部转化为内能,内能也可以自发地全部转化成机械能
B.凡与热现象有关的自发的宏观过程都具有方向性。在热传递中,热量能够从高温物体传递给低温物体,但不能自发地从低温物体传递给高温物体
C.随着技术不断进步,制冷机可以使温度降到-300 ℃
D.满足能量守恒定律的物理过程都能自发进行
答案:B
解析:根据热力学第二定律知,机械能可能全部转化为内能,在没有外界影响时,内能不能全部用来做功以转化成机械能,故A错误;凡与热现象有关的自发的宏观过程都具有方向性,在热传递中,热量能够从高温物体传递给低温物体,但不能自发地从低温物体传递给高温物体,故B正确;绝对零度为-273.15 ℃,温度不可能降到绝对零度之下,故不可能使温度降到-300 ℃,故C错误;在热传递中,热量不能自发地从低温物体传递给高温物体,故D错误。
4.随着世界经济的快速发展,能源短缺问题日显突出,能源成为困扰世界经济发展的重大难题之一。下列有关能量转化的说法正确的是( )
A.只要对内燃机不断改进,就可以把内燃机得到的全部内能转化为机械能
B.满足能量守恒定律的物理过程都能自发地进行
C.可以直接利用空气中的内能,减少“温室效应”
D.物体吸收热量,物体的内能可能减小
答案:D
解析:由热力学第二定律知,不可能从单一热源取热使之完全转换为有用的功而不产生其他影响,故A错误;满足能量守恒定律却不满足热力学第二定律的物理过程也不能自发进行,故B错误;根据热力学第二定律可知,热量耗散是不可逆的,所以不能直接利用空气中的内能,减少“温室效应”,故C错误;改变内能的方式有做功和热传递,外界对物体做功,若物体同时向外放热,则物体的内能有可能减少,故D正确。
5.下列说法正确的是( )
A.因为能量守恒,所以能源危机是不可能的
B.摩擦力做功的过程,必定有机械能转化为内能
C.热力学第二定律可表述为所有自发的热现象的宏观过程都具有方向性
D.第二类永动机不可能制造成功的原因是违背了能量守恒定律
答案:C
解析:能量虽然是守恒的,总量不变,但是我们可以利用的能源是有限的,故一定要注意节约能源,防止能源危机,故A错误;一对滑动摩擦力做功,两物体之间存在相对运动时,系统机械能转化为内能,如果没有相对运动,即一对静摩擦力做功,系统没有机械能转化为内能,故B错误;热力学第二定律可表述为所有自发的热现象的宏观过程都具有方向性,故C正确;第二类永动机是指只需从单一热源吸收热能便能永远对外做功的动力机械,虽然不违反能量守恒定律,但是违反了机械能和内能转化的方向性,故D错误。
6.关于能量的转化,下列说法正确的是( )
A.满足能量守恒定律的物理过程都能自发地进行
B.空调机既能制热又能制冷,说明热传递不存在方向性
C.热量不可能由低温物体传给高温物体而不发生其他变化
D.自然界中能量的总量保持不变,而且能量的可利用性在逐步提高
答案:C
解析:根据热力学第二定律可知,宏观热现象具有方向性,满足能量守恒定律的物理过程不一定能自发地进行,故A错误;热传递存在方向性是说热量只能自发地从高温物体传向低温物体,空调的制冷过程是热量从温度较高的室内传到温度较低的制冷剂,再通过压缩制冷剂将热量传到室外,而制热过程也是这样进行的,故B错误;由空调制冷过程的分析可知,热量不可能由低温物体传给高温物体而不发生其他变化,故C正确;根据能量守恒定律可知,自然界中能量的总量保持不变,根据热力学第二定律可知,能量转化具有方向性,能量耗散的存在,使能量的可利用性在逐步降低,故D错误。
7.下列过程可能发生的是( )
A.将两瓶不同液体混合,然后它们又自发地各自分开
B.利用其他手段,使低温物体温度更低,高温物体的温度更高
C.打开一高压密闭容器,其内气体自发逸出后又自发返回,恢复原状
D.某种物质从高温热源吸收20 kJ的热量,全部转化为机械能,而没有产生其他任何影响
答案:B
解析:两种不同的液体在一个容器中自发地混合,不能自发地各自分开,故A错误;利用其他手段,可以使低温物体的温度更低,高温物体的温度更高,如空调,故B正确;打开一高压密闭容器,其内气体自发逸出后不能自发返回,故C错误;根据热力学第二定律,不可能从单一热源吸热全部转化为机械能,而没有其他任何影响,故D错误。
二、能力提升
1.关于热力学定律,下列说法正确的是( )
A.机械能可以全部转化为内能,内能也可以全部用来做功转化成机械能
B.第一类永动机违背能量守恒定律,第二类永动机不违背能量守恒定律,随着科技的进步和发展,第二类永动机可以制造出来
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.不可以从单一热源吸收热量,使之完全变为功
答案:A
解析:内能可以全部用来做功转化成机械能,但会产生其他影响,故A正确;第一类永动机违背能量守恒定律,第二类永动机不违背能量守恒定律,但违背了热力学第二定律,第二类永动机不可以制造出来,故B错误;凡与热现象有关的宏观过程都具有方向性,在热传递中,热量能自发从高温物体传递给低温物体,不能自发从低温物体传递给高温物体,但在引起其他变化的情况下,可以从低温物体传递给高温物体,故C错误;可以从单一热源吸收热量,使之完全变为功,但会产生其他影响,故D错误。
2.(多选)下列说法正确的是( )
A.随着科技的发展,永动机是可以制成的
B.在低速运动时,宏观物体的运动服从牛顿运动定律
C.“既要马儿跑,又让马儿不吃草”违背了能量守恒定律,因而是不可能的
D.有种“全自动”手表,不用上发条,也不用任何形式的电源,却能一直走动,说明能量可以凭空产生
答案:BC
解析:第一类永动机违背了热力学第一定律,第二类永动机违背了热力学第二定律,故永动机是不可以制成的,故A错误;牛顿运动定律的适用范围是宏观低速现象,故B正确;“既要马儿跑,又让马儿不吃草”违背了能量守恒定律,故C正确;根据能量守恒定律可知,能量不能凭空产生,“全自动”手表,不用上发条,也不用任何形式的电源,戴在手上却能一直走动,原因是在运动的过程中,自动上的发条,故D错误。
3.根据热学中的有关知识,下列说法正确的是( )
A.尽管技术不断进步,热机的效率仍不能达到100%,制冷机却可以使温度降到-293 ℃
B.第二类永动机是可以制造出来的,因为它不违反热力学第一定律
C.把装有不同压强、不同温度的气体的两容器连通,温度高的气体会向温度低的一方传递热量,压强大的气体会向压强小的一方流动
D.改进内燃机结构,提高内燃机内能转化率,最终可能实现内能完全转化为机械能
答案:C
解析:尽管技术不断进步,热机的效率仍不能达到100%,而绝对零度也无法达到,故制冷机不可以使温度降到-273.15 ℃以下,故A错误;第二类永动机不能制成,因为它违反了热力学第二定律,故B错误;温度高的气体会向温度低的一方传热,压强大的气体会向压强较小的一方流动,只要时间足够长,系统内各部分的状态参量均能够达到稳定,故C正确;由A选项分析可知,改进内燃机结构,提高内燃机内能转化率,不可能实现内能完全转化为机械能,故D错误。
4.(多选)下列叙述正确的是( )
A.做功和热传递在改变物体内能的效果上是一样的,但是从能量转化的方面看二者是有本质区别的
B.因为第一类永动机和第二类永动机都违反了能量守恒定律,所以都不能制成
C.热力学第一定律是能量守恒定律在热力学中的一种具体表现形式
D.热力学第二定律阐述了一切与热现象有关的宏观过程都具有方向性
答案:ACD
解析:做功和热传递在改变物体内能的效果上是一样的,但一个是能量的转化(其他能转化成内能),一个是能量的转移,所以有本质的区别,故A正确;第一类永动机违反了能量守恒定律,第二类永动机违反了热力学第二定律,所以都不能制成,故B错误;热力学第一定律是能量守恒定律在热力学中的具体形式,故C正确;热力学第二定律阐述了一切与热现象有关的宏观过程都具有方向性,故D正确。
5.有人估算使地球上的海水降低0.1 ℃,就能放出5.8×1024 J的热量,这相当于1 800个功率为100万千瓦的核电站一年的发电量。假定整个海洋都具有同一温度,你能设计一种只靠吸收海水的热量推动轮船航行,而不需要燃料的机器吗
答案:见解析
解析:这种靠吸收海水热量推动轮船航行的热机基本结构如图所示。设大气温度为t2,海水温度为t1,在不同的温差下,热机的工作情况不同。当t2≥t1时,热机无法从海水中吸取热量对外做功,否则将需要一个用于放热的更低温的热源。当t21第三章测评
(时间:60分钟 满分:100分)
一、单项选择题(本题共7小题,每小题4分,共28分。每小题只有一个选项符合题目要求)
1.关于热力学定律,下列说法正确的是( )
A.理想气体吸热后温度一定升高
B.理想气体绝热膨胀过程内能一定减少
C.理想气体等压膨胀过程一定放热
D.热量不可能自发地从低温物体传到高温物体
答案:D
解析:理想气体吸热,同时对外界做功,内能不一定增大,温度不一定升高,故A错误;如果一定质量的理想气体向真空中绝热膨胀,有Q=0,W=0,根据热力学第一定律ΔU=Q+W知,ΔU=0,内能不变,故B错误;理想气体等压膨胀,根据理想气体状态方程=C可知理想气体温度升高,ΔU>0,气体膨胀,对外做功,则W<0,根据热力学第一定律可知Q>0,理想气体一定吸热,故C错误;根据热力学第二定律可知热量不可能自发地从低温物体传到高温物体,故D正确。
2.关于能量的转化,下列说法正确的是( )
A.克服重力做功,重力势能增加
B.因为能量守恒,所以永动机是存在的
C.我们要节约能源的根本原因是能量在数量上减少了
D.由于能的转化过程符合能量守恒定律,所以不会发生能源危机
答案:A
解析:克服重力做功,说明重力做负功,重力势能增加,故A正确;能量是守恒的,但能量在转化过程中有损耗,所以永动机是不存在的,故B错误;我们要节约能源的根本原因是可利用能源在不断减少,能的总量并不变,故C错误;虽然能量守恒,但能量转化具有方向性,可利用能源逐渐减少,故D错误。
3.下面的例子中,通过热传递改变物体内能的是( )
A.擦火柴,使火柴开始燃烧
B.阳光照在湖面上,使湖水升温
C.用锯条锯木头,使锯条变热
D.搓搓手,会感觉暖和些
答案:B
解析:擦火柴时,使火柴燃烧起来属于做功改变内能,机械能转化为内能,故A错误;阳光照在湖面上,使湖水升温是热传递改变湖水的内能,故B正确;用锯条锯木头,使锯条变热是由于做功改变内能,机械能转化为内能,故C错误;搓手取暖是做功改变内能,机械能转化成内能,故D错误。
4.水枪是孩子们喜爱的玩具,常见的气压式水枪储水罐示意如图所示。从储水罐充气口充入气体,达到一定压强后,关闭充气口。扣动扳机将阀门M打开,水即从枪口喷出。若在水不断喷出的过程中,罐内气体温度始终保持不变,则气体( )
A.压强变大
B.对外界做功
C.对外界放热
D.分子平均动能变大
答案:B
解析:研究储水罐内封闭的气体,在温度不变时,pV=C,C为常数,气体体积变大,压强变小,A错误;气体体积变大,对外做功,B正确;温度不变,内能不变,ΔU=0,根据热力学第一定律,ΔU=W+Q,气体体积变大,W为负值,则Q为正值,气体吸热,C错误;温度是分子平均动能的标志,温度不变,平均动能不变,D错误。
5.用活塞压缩汽缸里的空气,对汽缸里的空气做了1 000 J的功,同时汽缸向外散热200 J,则汽缸内的气体的内能改变了( )
A.-1 200 J
B.-800 J
C.800 J
D.1 200 J
答案:C
解析:压缩汽缸里的空气,对空气做了1 000 J的功,W为正;同时汽缸向外散热200 J,Q为负值;代入ΔU=W+Q可得,ΔU=1 000 J-200 J=800 J,正号表示内能增大,即内能增加了800 J,故C正确,A、B、D错误。
6.关于能源和能量,下列说法正确的是( )
A.自然界的能量是守恒的,所以地球上能源永不枯竭
B.能源的利用过程中有能量耗散,这表明自然界的能量是不守恒的
C.能量耗散说明能量在转化过程中没有方向性
D.在利用能源的过程中,能量在数量上并未减少,但在可利用的品质上降低了
答案:D
解析:能源的利用过程中有能量耗散,能量的品质降低,但自然界中的能量是守恒的,故A、B错误,D正确;能量耗散说明能量在转化过程中具有方向性,故C错误。
7.如图所示,某种洗衣机进水时,与洗衣缸相连的细管中会封闭一定质量的空气,通过压力传感器感知管中的空气压力,从而控制进水量。设封闭空气温度不变,当洗衣缸内水位升高,则细管内被封闭的空气( )
A.单位时间内空气分子撞击容器壁单位面积的次数增多
B.分子运动的平均动能增大
C.既不从外界吸热,也不对外放热
D.一直对外做正功
答案:A
解析:当洗衣机的水位升高时,封闭的空气的体积减小,压强增大,在温度不变(分子平均速率不变)的情况下,单位时间内空气分子撞击容器壁单位面积的次数增多,故A正确。温度是分子平均动能的标志,细管内被封闭的空气温度不变,分子运动的平均动能不变,故B错误。细管内被封闭的空气体积减小,外界对气体做正功,气体对外界做负功,故D错误。对于细管内被封闭的空气,外界对其做正功,即W>0,而温度不变,ΔU=0,根据热力学第一定律ΔU=W+Q,可知Q<0,即气体对外放热,故C错误。
二、多项选择题(本题共3小题,每小题4分,共12分。每小题有多个选项符合题目要求,全部选对的得4分,选对但不全的得2分,有选错的得0分)
8.下列说法正确的是( )
A.热量可以自发地从高温物体传到低温物体
B.第二类永动机不能制成,因为它违反了能量守恒定律
C.一定质量的理想气体在等温膨胀过程中,从外界吸收的热量全部用来做功,这一过程违反了热力学第二定律
D.当把打足气的车胎内的气体迅速放出时,会发现气嘴处的温度明显降低,这是因为气体对外做功,胎内气体温度降低
答案:AD
解析:根据热力学第二定律可知,热量可以自发地从高温物体传到低温物体,故A正确;第二类永动机不能制成,因为它违反了热力学第二定律,故B错误;根据热力学第一定律可知,一定质量的理想气体在等温膨胀过程中,内能不变而对外做功,所以要从外界吸收热量,在达到等温膨胀的条件下,从外界吸收的热量全部用来做功,这不违反热力学第二定律,故C错误;根据热力学第一定律,车胎因迅速放气,使胎内气体对外做功,内能减少,温度降低,因此会发现气嘴处的温度明显降低,故D正确。
9.以下哪个现象不违背热力学第二定律( )
A.一杯热茶在打开盖后,茶会自动变凉
B.没有漏气、没有摩擦的理想热机,其效率可能是100%
C.桶中浑浊的泥水在静置一段时间后,泥沙下沉,上面的水变清,泥、水自动分离
D.热量自发地从低温物体传到高温物体
答案:AC
解析:热量可以自发从高温物体传到低温物体,一杯热茶在打开盖后,茶会自动变凉,不违背热力学第二定律,故A正确;热机不可能从单一热源吸收热量全部用来做功,而不引起其他变化,效率不可能是100%,故B错误;桶中浑浊的泥水在静置一段时间后,泥沙在重力的作用下下沉,上面的水变清,出现了泥、水自动分离现象,故C正确;根据热力学第二定律,热量可以自发从高温物体传到低温物体,不可以自发从低温物体传到高温物体,故D错误。
10.如图所示,一开口向上的导热汽缸内,用活塞封闭了一定质量的理想气体,活塞与汽缸壁间无摩擦。现用外力作用在活塞上,使其缓慢下降。环境温度保持不变,系统始终处于平衡状态。在活塞下降过程中( )
A.气体体积逐渐减小,内能增加
B.气体压强逐渐增大,内能不变
C.气体压强逐渐增大,放出热量
D.外界对气体做功,气体内能不变
答案:BCD
解析:一定质量理想气体的内能仅与温度有关,温度不变,气体内能不变,选项A错误;根据p1V1=p2V2,气体体积变小,压强增大,选项B正确;外界对气体做功W>0,内能不变ΔU=0,由ΔU=W+Q,可得Q<0,放出热量,选项C、D正确。
三、填空题(本题共2小题,共20分)
11.(8分)下列关于能量转化过程的叙述,违背热力学第一定律的有 ,不违背热力学第一定律,但违背热力学第二定律的有 。(均填正确答案字母)
A.汽车通过燃烧汽油获得动力并向空气中散热
B.冷水倒入保温杯后,冷水和杯子的温度都变得更低
C.某新型热机工作时将从高温热源吸收的热量全部转化为功,而不产生其他影响
D.冰箱的制冷机工作时从箱内低温环境中提取热量散发到温度较高的室内
答案:B C
解析:B项中,冷水倒入保温杯后,在热传递过程中,保温杯降温,冷水必升温,若都降温,就违背了热力学第一定律;C项中,新型热机的效率也达不到100%,热量不可能全部转化为功,违背了热力学第二定律。
12.(12分)一定量的理想气体从状态M可以经历过程1或者过程2到达状态N,其p-V图像如图所示。在过程1中,气体始终与外界无热量交换,则可以判断TM (选填“>”或“<”)TN;在过程2中,气体先经历等容变化再经历等压变化,在等容变化过程中气体 ,在等压变化过程中气体 (后两空均选填“吸热”或“放热”)。
答案:> 放热 吸热
解析:气体经历过程1,压强减小,体积变大,气体膨胀对外做功,内能减小,故温度降低,TM>TN。过程2先发生等容变化,外界对气体做功W=0,压强p减小,温度降低,内能减小,ΔU<0,根据热力学第一定律可得Q=ΔU<0,故在等容变化过程中气体放热;之后再发生等压过程,体积变大,温度升高,ΔU>0,气体对外做功,W<0,根据热力学第一定律可知,热量一定满足Q>0,故等压过程一定吸热。
四、计算题(本题共3小题,共40分。要有必要的文字说明和解题步骤,有数值计算的要注明单位)
13.(12分)如图所示,一个质量为20 kg的绝热汽缸竖直放置,绝热活塞的质量为15 kg,面积为0.1 m2,处于静止状态时被封闭气体的高度为50 cm。现在活塞上方加一质量为25 kg的物体,待稳定后,被封闭气体的高度变为40 cm,求在这一过程中气体的内能增加了多少 (p0=1.0×105 Pa,g取10 m/s2)
答案:1 040 J
解析:根据热力学第一定律,由于汽缸及活塞均绝热,故外界对气体所做的功全部转化为气体的内能,
即ΔU=W
=(m活+m物)gΔh+p0SΔh
=(15+25)×10×0.1 J+1.0×105×0.1×0.1 J
=1 040 J。
14.(12分)如图所示,有一足够长的柱形汽缸导热良好,将其固定在水平地面上,用活塞密封了一部分理想气体。一开始缸内气体压强与大气压同为p0=1.0×105 Pa,气柱长为l0=30.0 cm,活塞面积S=10.0 cm2。现将汽缸从T0=300 K缓慢加热到T=360 K,缸内气体从外界总共吸收了多少热量 (已知缸内气体温度每升高1 K内能增加0.250 J,活塞与汽缸间的滑动摩擦力与最大静摩擦力均为f=10.0 N)
答案:21.6 J
解析:在升温过程中,气体做等压变化,初态:V1=l0S,T1=300 K
末态:V2=lS,T2=360 K
根据气体实验定律可得,解得l=36 cm
体积增大,对外做功W1=p0·ΔV=p0(l-l0)S=6 J
克服摩擦力做功W2=f(l-l0)=0.6 J
升温过程中,气体的内能增加量为ΔU=0.250×60 J=15 J
根据热力学第一定律可知Q=ΔU+W1+W2=21.6 J。
15.(16分)如图所示,一定质量的理想气体从状态A经等压过程缓慢变化到状态B,此过程中,气体压强p=1.0×105 Pa,吸收的热量Q=600 J,求:
(1)气体处于状态B时体积VB;
(2)此过程中气体内能的增加量ΔU。
答案:(1)8.0×10-3 m3
(2)400 J
解析:(1)理想气体从状态A经等压过程缓慢变化到状态B,有
可得气体处于状态B时的体积VB= m3=8.0×10-3 m3。
(2)此过程中气体对外做功W=p(VB-VA)=200 J
据热力学第一定律ΔU=Q-W=400 J
所以气体的内能增加400 J。
11.热力学第一定律 2.能量守恒定律
课后训练巩固提升
一、基础巩固
1.能量守恒定律是自然界最普遍的规律之一,以下现象、规律不能体现能量守恒定律的是( )
A.行驶的汽车
B.牛顿第三定律
C.神舟飞船返回地面
D.机械能守恒定律
答案:B
解析:能量守恒定律是普遍规律,生产生活、自然现象无一例外都遵守能量守恒定律,A、C不符合题意;牛顿第三定律描述的是作用力与反作用力间的关系,不能体现能量守恒定律,B符合题意;机械能守恒定律是能量守恒定律的特殊情况,D不符合题意。
2.夏季天气炎热,某公交司机发现中午时车胎内的气压高于清晨时的气压,且车胎体积增大。若这段时间胎内气体质量不变且可视为理想气体,那么( )
A.胎内气体对外界做功,内能减小
B.胎内气体对外界做功,内能增大
C.外界对胎内气体做功,气体内能减小
D.外界对胎内气体做功,气体内能增大
答案:B
解析:胎内气体体积增大,气体对外界做功,而非外界对胎内气体做功,故C、D错误;对于一定质量的理想气体,温度升高,内能增大,故B正确,A错误。
3.从能量转化与守恒的角度理解,太阳能热水器( )
A.创造了热能
B.消灭了太阳能
C.创造了太阳能
D.把太阳能转化成了热能
答案:D
解析:能量不会凭空产生,故A、C错误;能量不会凭空消失,故B错误;能量能从一种形式转化为另一种形式,太阳能热水器是把太阳能转化成热能,故D正确。
4.一个密闭汽缸封闭着一部分空气,用活塞压缩汽缸里的空气,对空气做了900 J的功,同时汽缸向外散热200 J,则汽缸中空气的内能( )
A.减少了1 100 J
B.增加了1 100 J
C.减少了700 J
D.增加了700 J
答案:D
解析:内能增加量ΔU=Q+W=900 J-200 J=700 J,所以汽缸里的空气的内能增加了700 J,故D正确,A、B、C错误。
5.(多选)在研究理想气体时,由于分子间作用力较小可忽略其分子势能。在研究实际气体时,如果考虑分子间的相互作用,对一定质量的某种气体进行分析,其内能的大小与气体体积和温度的关系是( )
A.保持体积不变,升高温度,内能增大
B.保持体积不变,升高温度,内能减少
C.保持温度不变,体积增大,内能不变
D.保持温度不变,体积增大,内能增大
答案:AD
解析:温度升高,分子的平均动能变大,分子数不变,则分子的总动能增大;由于体积不变,所以分子势能不变,故内能增大,故A正确,B错误。当温度不变时,分子的平均动能不变,分子数不变,则分子的总动能不变;而体积增加,分子引力做负功,分子势能增大,导致内能增加,故C错误,D正确。
6.(多选)水库的底部产生了一气泡,在气泡从水库底上升到水库面的过程中温度保持不变,对外界做了0.4 J的功,将气泡内气体视为理想气体。则此过程中下列说法正确的是( )
A.气泡内气体的内能减少
B.气泡内气体的内能保持不变
C.气泡内气体向外界放出了0.4 J的热量
D.气泡内气体从外界吸收了0.4 J的热量
答案:BD
解析:一气泡从水库底上升到水库面的过程中温度保持不变,则气体内能不变,故A错误,B正确;根据热力学第一定律得ΔU=W+Q,则Q=ΔU-W=0-(-0.4 J)=0.4 J,即气泡内气体从外界吸收了0.4 J的热量,故C错误,D正确。
7.一定质量的气体,在保持压强恒等于1.0×105 Pa的状况下,体积从20 L膨胀到30 L,这一过程中气体共从外界吸热4×103 J。
(1)气体对外界做了多少功
(2)气体的内能变化了多少
答案:(1)1×103 J (2)3×103 J
解析:(1)因为气体体积从V1=20 L=0.02 m3膨胀到V2=30 L=0.03 m3
可得外界对气体做功W=-p(V2-V1)=-1.0×105×(0.03-0.02) J=-1×103 J
则气体对外界做功1×103 J。
(2)根据热力学第一定律可得ΔU=W+Q
因为气体从外界吸热,Q=4×103 J
可得内能的变化量ΔU=Q+W=3×103 J。
二、能力提升
1.已知某水电站水流量为6 600 m3/s,水位落差100 m,水流冲击水轮机发电时,水流20%的机械能转化为电能,已知水的密度为1.0×103 kg/m3,按照以上数据估算发电站的发电功率是( )
A.1.3×108 W B.1.3×109 W
C.6.6×109 W D.6.6×1010 W
答案:B
解析:一段时间t内水流做的功为W=mgh=ρVtgh,电能为20%W=20%×ρVtgh,发电功率为P=ρVgh×20%=1.0×103×6 600×10×100×20% W=1.32×109 W,故B正确,A、C、D错误。
2.(多选)关于一定质量的理想气体,下列叙述正确的是( )
A.气体体积增大时,其内能一定减少
B.外界对气体做功,气体内能可能减少
C.气体从外界吸收热量,其内能一定增加
D.气体温度升高,其分子平均动能一定增加
答案:BD
解析:气体体积增大时,气体对外界做功,若同时气体从外界吸热,且Q>W,则气体内能增加,故A错误;外界对气体做功,同时气体放热,且放出热量大于外界对气体做功,则气体内能减小,故B正确;气体从外界吸收热量,同时气体对外界做功,吸收热量值小于气体对外做功,则气体内能减小,故C错误;温度是分子平均动能标志,温度升高,分子平均动能一定增加,故D正确。
3.如图所示,p-V图像中,一定质量的理想气体由状态A经过程Ⅰ变至状态B时,从外界吸收热量420 J,同时做功300 J,当气体从状态B经过程Ⅱ回到状态A时,做功200 J,求此过程中气体吸收或放出的热量是( )
A.吸热80 J B.吸热220 J
C.放热520 J D.放热320 J
答案:D
解析:由题意知:一定质量的理想气体由状态A经过程Ⅰ变至状态B时体积增大,W1为负,Q1为正,ΔU=W1+Q1=(420-300) J=120 J,内能增加120 J。由图可知当气体从状态B经过程Ⅱ回到状态A时体积减小,W2为正;ΔU'=W2+Q2,代入数据解得Q2=-320 J,放出热量,故A、B、C错误,D正确。
4.(多选)气闸舱是空间站中供航天员进入太空或由太空返回用的气密性装置,其原理如图所示。座舱A与气闸舱B间装有阀门K,A中充满空气,B内为真空。航天员由太空返回到B时,将B封闭,打开阀门K,A中的气体进入B中,最终达到平衡。假设此过程中系统与外界没有热交换,舱内气体可视为理想气体,不考虑航天员的影响,则此过程中( )
A.气体对舱壁做功,内能减小
B.气体分子的平均动能不变
C.气体分子的密集程度减小,气体的压强减小
D.气体分子在单位时间内对A舱壁单位面积碰撞的次数减少
答案:BCD
解析:B内为真空,气体自由扩散,对舱壁不做功,同时系统对外界没有热交换,根据热力学第一定律可知,ΔU=W+Q,则气体内能不变,温度不变,分子平均动能不变,故A错误,B正确;气体体积增大,温度不变,气体分子的密集程度减小,气体分子单位时间对汽缸壁单位面积碰撞的次数减小,故压强减小,故C、D正确。
5.一定质量的理想气体经历了如图所示的状态变化。已知从状态A到状态B的过程中,气体对外放出2 250 J的热量,求A到C过程中气体内能的变化。
答案:减少1 350 J
解析:从A到B,外界对气体做功W=pΔV=15×104×(8-2)×10-3 J=900 J
根据热力学第一定律ΔU=W+Q
所以ΔU=(900-2 250) J=-1 350 J
故A到B气体内能减少1 350 J
由题图可知pBVB=pCVC,所以TB=TC
温度是理想气体内能的标志,则状态B和状态C内能相等,气体从A到C的过程中,内能减少了1 350 J。
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