2.热力学第一定律
3.能量守恒定律
课后训练巩固提升
基础巩固
1.自由摆动的秋千摆动幅度越来越小,关于此过程,下列说法正确的是( )
A.机械能守恒
B.能量正在消失
C.只有动能和重力势能的相互转化
D.减少的机械能转化为内能,但总能量守恒
答案:D
2.关于物体内能的变化,以下说法正确的是( )
A.物体吸收热量,内能一定增大
B.物体对外做功,内能一定减小
C.物体吸收热量,同时对外做功,内能可能不变
D.物体放出热量,同时对外做功,内能可能不变
答案:C
解析:做功和热传递都可以改变物体的内能,当做功和热传递同时发生时,物体的内能可能不变,比如物体吸热的同时又对外做功,且吸收的热量与对外做的功在数值上相等,此时物体的内能不发生变化。故正确选项只有C。
3.(多选)如图所示,某同学将空的薄金属筒开口向下压入水中。设水温均匀且恒定,筒内空气无泄漏,不计气体分子间相互作用,则被淹没的金属筒在缓慢下降过程中,筒内空气体积减小,下列说法正确的是( )
A.从外界吸热 B.向外界放热
C.分子势能不变 D.内能减小
答案:BC
解析:水温恒定,即空气分子平均动能不变;不计分子间相互作用,即分子势能不变,由此可知空气内能不变。筒内空气体积减小,说明外界对空气做功,根据热力学第一定律知空气放出热量。
4.如图所示,有一导热性良好的汽缸放在水平面上,活塞与汽缸壁间的摩擦不计,汽缸内用一定质量的活塞封闭了一定质量的气体,忽略气体分子间的相互作用(即分子势能视为零),忽略环境温度的变化,现缓慢推倒汽缸,在此过程中( )
A.气体吸收热量,内能不变
B.汽缸内分子的平均动能增大
C.单位时间内撞击汽缸壁单位面积上的分子数增多
D.汽缸内分子撞击汽缸壁的平均作用力增大
答案:A
解析:由题图可知,该过程气体对外做功,由于忽略环境温度变化,温度不变,内能不变,由热力学第一定律可知,气体吸收热量,内能不变。A正确。
5.(多选)如图所示,活塞将一定质量的气体封闭在直立圆筒形导热的汽缸中,活塞上堆放细沙,活塞处于静止,现逐渐取走细沙,使活塞缓慢上升,直到细沙全部取走。若活塞与汽缸之间的摩擦可忽略,则在此过程中,下列说法正确的是( )
A.气体对外做功,气体温度可能不变
B.气体对外做功,内能可能不变
C.气体压强可能增大,内能可能不变
D.气体从外界吸热,内能一定增加
答案:AB
解析:细沙减少时,气体膨胀对外做功,由于汽缸导热,可以与外界进行热交换,从外界吸热可使内能不变,但压强一定减小。故选项A、B正确,C、D错误。
6.一定质量的气体,在从一个状态变化到另一个状态的过程中,吸收热量280 J,并对外做功120 J,试问:
(1)这些气体的内能发生了怎样的变化
(2)如果这些气体又返回原来的状态,并放出了240 J热量,那么在返回的过程中是气体对外界做功,还是外界对气体做功 做了多少功
答案:(1)增加了160 J (2)外界对气体做功80 J
解析:(1)由热力学第一定律可得
ΔU=W+Q=-120 J+280 J=160 J。
(2)由于气体的内能仅与状态有关,所以气体从2状态回到1状态过程中内能的变化量应等于从1状态到2状态过程中内能的变化量,则从2状态到1状态的内能应减少160 J,即ΔU'=-160 J,又Q'=-240 J,根据热力学第一定律得ΔU'=W'+Q',所以W'=ΔU'-Q'=-160 J-(-240 J)=80 J,即外界对气体做功80 J。
能力提升
1.(多选)一物体获得一定初速度后,沿着一粗糙斜面上滑,在上滑过程中,关于物体和斜面组成的系统,下列说法正确的是( )
A.机械能守恒 B.总能量守恒
C.机械能和内能增加 D.机械能减少,内能增加
答案:BD
解析:物体沿斜面上滑的过程中,摩擦力对物体做负功,所以物体的机械能减少;由能量守恒定律知,内能增加,能的总量不变,B、D正确。
2.(多选)如图所示,一定质量的理想气体由状态a变化到状态b,下列说法正确的有( )
A.外界对气体做功
B.气体对外界做功
C.气体向外界放热
D.气体从外界吸热
答案:BD
解析:由题图可看出从状态a到状态b气体体积增大,温度升高,内能增大,气体对外界做功,气体从外界吸收热量,B、D正确。
3.(多选)下列过程,可能发生的是( )
A.物体吸收热量,对外做功,同时内能增加
B.物体吸收热量,对外做功,同时内能减少
C.外界对物体做功,同时物体吸热,内能减少
D.外界对物体做功,同时物体放热,内能增加
答案:ABD
解析:根据热力学第一定律ΔU=W+Q,做功和热传递都可以改变物体的内能,A、B、D正确,C错误。
4.右图是密闭的汽缸,外力推动活塞P压缩气体,对汽缸内气体做功800 J,同时气体向外界放热200 J。对汽缸内气体的说法正确的是( )
A.温度升高,内能增加600 J
B.温度升高,内能减少200 J
C.温度降低,内能增加 600 J
D.温度降低,内能减少200 J
答案:A
解析:对一定质量的气体,由热力学第一定律ΔU=W+Q可知,ΔU=800 J+(-200 J)=600 J,ΔU为正表示内能增加了600 J,对气体来说,分子间距较大,分子势能为零,内能等于所有分子动能的和,内能增加,则气体分子的平均动能增加,温度升高,A正确。
5.一定质量的气体内能增加了3×105 J,
(1)若吸收了2×105 J的热量,则是气体对外界做功,还是外界对气体做功 做了多少功
(2)若气体对外界做了4×105 J的功,则是气体放热还是从外界吸热 放出或吸收的热量是多少
答案:(1)外界对气体做功 1×105 J
(2)气体从外界吸热 7×105 J
解析:(1)由热力学第一定律ΔU=Q+W得
W=ΔU-Q=3×105 J-2×105 J=1×105 J
外界对气体做功。
(2)由ΔU=Q+W得
Q=ΔU-W=3×105 J-(-4×105 J)=7×105 J
气体从外界吸热。
6.如图所示,一定质量的理想气体被活塞封闭在汽缸中,活塞的面积为S,与汽缸底部相距L,汽缸和活塞绝热性能良好,气体的压强、温度与外界大气相同,分别为p0、T0。现接通电热丝加热气体,一段时间后断开,活塞缓慢向右移动距离L后停止,活塞与汽缸间的滑动摩擦力为Ff,最大静摩擦力等于滑动摩擦力,整个过程中气体吸收的热量为Q,求该过程中:
(1)内能的增加量ΔU;
(2)最终温度T。
答案:(1)Q-p0SL-FfL
(2)2T0
解析:(1)活塞缓慢移动过程中,设活塞受封闭气体的压力为F,对活塞有F-p0S-Ff=0
所以外界对气体做功为W=-FL=-(p0S+Ff) L
根据热力学第一定律得内能的增加量
ΔU=W+Q=Q-p0SL-FfL。
(2)活塞移动之前,气体发生等容变化,移动之后做等压变化,末态的压强设为p,根据平衡条件得pS=p0S+Ff
全过程根据理想气体状态方程得
解得T=2T0。
5第三章测评
(时间:90分钟 满分:100分)
一、单项选择题(本题共8小题,每小题3分,共24分。在每小题给出的四个选项中,只有一项是符合题目要求的)
1.关于能量和能源,下列说法正确的是( )
A.化石能源是清洁能源,水能是可再生能源
B.人类在不断地开发和利用新能源,所以能量可以被创造
C.在能源的利用过程中,由于能量在数量上并未减少,所以不需要节约能源
D.能量耗散现象说明:在能量转化的过程中,虽然能量的总量并不减少,但能量品质降低了
答案:D
解析:化石能源在燃烧时放出SO2、CO2等气体,形成酸雨和温室效应,破坏生态环境,不是清洁能源,选项A错误。能量是守恒的,既不会凭空产生,也不会凭空消失,但能量品质会下降,故要节约能源,选项B、C均错误,选项D正确。
2.下列说法正确的是( )
A.物体吸收热量,内能一定增加
B.物体吸收热量,同时对外做功,内能可能不变
C.热量不可能从低温物体传到高温物体
D.气体自由膨胀是可逆过程
答案:B
解析:改变内能的方式有做功和热传递,物体吸收热量,内能不一定增大,故A错误。由ΔU=W+Q知,物体吸收热量,同时对外做功,内能可能不变,故B正确。热量在一定的条件下可以从低温物体传到高温物体,如电冰箱,故C错误。根据热力学第二定律,气体自由膨胀是不可逆过程,故D错误。
3.下列说法正确的是( )
A.并不是一切涉及热现象的宏观过程都具有方向性
B.一切不违反能量守恒定律的物理过程都是可能实现的
C.由热力学第二定律可以判断物理过程能否自发进行
D.一切物理过程都不可能自发地进行
答案:C
解析:能量转移和转化的过程都是具有方向性的,A错。第二类永动机不违反能量守恒定律,但是不能实现,B错。在热传递的过程中,能量可以自发地从高温物体传到低温物体,但其逆过程不可能自发地进行,C对,D错。
4.下列说法正确的是( )
A.对物体做功,必定会使该物体的内能增加
B.永动机是制造不出来的
C.电流的能不可能全部转化为内能
D.热量不可能从低温物体传到高温物体
答案:B
解析:由ΔU=W+Q可知,A错误。永动机违背能量守恒定律或热力学第二定律,所以制造不出来,B正确。电流通过电阻做功,电能可以全部转化为内能,C错误。在一定条件下热量可以从低温物体传到高温物体,D错误。
5.如图所示,两端开口的U形管中,盛有同种液体,并用阀门K将液体隔成左、右两部分,左边液面比右边液面高。现打开阀门K,从打开阀门到两边液面第一次平齐的过程中,液体向外放热为Q,内能变化量为ΔU,动能变化量为ΔEk,大气对液体做功为W1,重力做功为W2,液体克服阻力做功为W3,由功能关系可得①W1=0,②W2-W3=ΔEk,③W2-W3=Q=ΔU,④W3-Q=ΔU。其中,正确的是( )
A.①②③ B.①②④
C.②③ D.①③
答案:B
解析:由动能定理可知W2-W3+W1=ΔEk,其中W1=p·ΔV左-p·ΔV右=0,可知①②正确。由热力学第一定律ΔU=W+Q得ΔU=W3-Q,可知④正确,③错误。综合以上分析可知B正确。
6.地面附近有一正在上升的空气团。它与外界的热交换忽略不计。已知大气压强随高度增加而降低,则该气团在此上升过程中(不计气团内分子间的势能)( )
A.体积减小,温度降低 B.体积减小,温度不变
C.体积增大,温度降低 D.体积增大,温度不变
答案:C
解析:随着气团上升,大气压强变小,外界对气团压力减小,气团膨胀,体积增大,气团对外做功,不考虑热交换,根据热力学第一定律,气团的内能减少,若不计分子势能,则内能减少体现为分子平均动能降低,宏观表现为温度降低。故C正确。
7.关于物体内能变化的说法,正确的是( )
A.一定质量的晶体在熔化过程中内能保持不变
B.一定质量的气体在体积膨胀过程中内能一定增加
C.一定质量的物体在热膨胀过程中内能不一定增加
D.一定质量的物体在体积保持不变的过程中,内能一定不变
答案:C
解析:晶体熔化要吸热,温度不变,没有对外做功,故内能增加,A错误。由ΔU=W+Q知,一定质量的气体在体积膨胀的过程中,不知道W、Q如何变化,不能确定ΔU如何变化,故B错误。物体热膨胀一定是吸收了热量,对外做功不一定小于吸收的热量,内能不一定增加,C正确。物体的体积不变,温度可能改变,内能随之改变,D错误。
8.下列有关能量转化的说法正确的是( )
A.不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功,而不引起其他的变化
B.只要对内燃机不断改进,就可以使内燃机的效率达到100%
C.满足能量守恒定律的物理过程都能自发地进行
D.外界对物体做功,物体的内能必然增加
答案:A
解析:由热力学第二定律的开尔文表述可知,A对。热机效率总低于100%,B错。满足能量守恒定律的过程未必能自发进行,因为还要看是否满足热力学第二定律,C错。由热力学第一定律ΔU=W+Q可知,W>0,ΔU不一定大于0,即内能不一定增加,D错。
二、多项选择题(本题共4小题,每小题4分,共16分。在每小题给出的四个选项中,有多项符合题目要求。全部选对的得4分,选对但不全的得2分,有选错的得0分)
9.列车运行的平稳性与车厢的振动密切相关,车厢底部安装的空气弹簧可以有效减振,空气弹簧主要由活塞、汽缸及内封的一定质量的气体构成。上下乘客及剧烈颠簸均能引起车厢振动,上下乘客时汽缸内气体的体积变化缓慢,气体与外界有充分的热交换;剧烈颠簸时汽缸内气体的体积变化较快,气体与外界来不及热交换。若汽缸内气体视为理想气体,在气体压缩的过程中( )
A.上下乘客时,气体的内能不变
B.上下乘客时,气体从外界吸热
C.剧烈颠簸时,外界对气体做功
D.剧烈颠簸时,气体的温度不变
答案:AC
解析:上下乘客时汽缸内气体的体积变化缓慢,气体与外界有充分的热交换,则气体温度不变、内能不变;在气体压缩的过程中,外界对气体做正功,气体的内能不变,根据热力学第一定律可知,气体对外放出热量,故A正确,B错误。剧烈颠簸时汽缸内气体的体积变化较快,气体与外界来不及热交换,在气体压缩的过程中,外界对气体做正功,气体的内能增加,温度升高,故C正确,D错误。
10.如图所示,一定质量的理想气体从状态a出发,经过等容过程ab到达状态b,再经过等温过程bc到达状态c,最后经等压过程ca回到状态a。下列说法正确的是( )
A.在过程ab中气体的内能增加
B.在过程ca中外界对气体做功
C.在过程ab中气体对外界做功
D.在过程bc中气体从外界吸收热量
答案:ABD
解析:ab过程是等容变化,在ab过程中气体压强增大,温度升高,气体内能增大,选项A正确。ab过程由于体积不变,气体对外界不做功,选项C错误。ca过程是等压变化,在ca过程中气体体积减小,外界对气体做功,选项B正确。bc过程是等温变化,在bc过程中气体内能不变,体积增大,气体对外界做功,则需要吸收热量,选项D正确。
11.地球上有很多的海水,它的总质量约为1.4×1018 t,如果这些海水的温度降低0.1 ℃,将要放出5.8×1023 J的热量。有人曾设想利用海水放出的热量,使它完全变成机械能来解决能源危机,但这种机器是不能制成的,关于其原因,下列说法不正确的是( )
A.内能不能转化成机械能
B.内能转化成机械能不满足热力学第一定律
C.只从单一热源吸收热量并完全转化成机械能的机械不满足热力学第二定律
D.机械能可全部转化为内能,内能不可能全部转化为机械能,同时不引起其他变化
答案:AB
解析:内能可以转化成机械能,如热机,A错误,符合题意。内能转化成机械能的过程满足热力学第一定律,B错误,符合题意。热力学第二定律告诉我们,不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功,而不引起其他变化,C、D正确,不符合题意。
12.如图所示,一定质量的理想气体从状态a开始,经历过程①、②、③、④到达状态e。对此气体,下列说法正确的是( )
A.过程①中气体的压强逐渐减小
B.过程②中气体对外界做正功
C.过程④中气体从外界吸收了热量
D.状态c、d的内能相等
答案:BD
解析:过程①中,气体由状态a到状态b,体积V不变、T升高,则压强增大,A错。过程②中,气体由状态b到状态c,体积V变大,对外界做功,B对。过程④中,气体由状态d到状态e,温度T降低,内能ΔU变小,体积V不变,气体不做功,根据热力学第一定律ΔU=Q+W得Q<0,即气体放出热量,C错。状态c、d温度相同,所以内能相同,D对。
三、非选择题(本题共6小题,共60分)
13.(6分)在将空气压缩装入气瓶的过程中,温度保持不变,外界做了24 kJ的功。现潜水员背着该气瓶缓慢地潜入海底,若在此过程中,瓶中空气的质量保持不变,且放出了5 kJ的热量。在上述两个过程中,空气的内能共减少 kJ,空气 (选填“吸收”或“放出”)的总热量为 kJ。
答案:5 放出 29
解析:将空气压入气瓶的过程中,因为温度不变,所以内能不变,外界做24 kJ的功,气体放出24 kJ的热量;在潜水员下潜过程中,瓶中空气质量不变、体积不变,放出5 kJ的热量,所以内能减少5 kJ;在这两个过程中,空气共放出24 kJ+5 kJ=29 kJ的热量。
14.(8分)一定质量的理想气体从状态A先后经过等压、等容和等温过程完成一个循环,A、B、C状态参量如图所示,气体在状态A的温度为27 ℃,求:
(1)气体在状态B的温度TB;
(2)气体从A→B→C状态变化过程中与外界交换的总热量Q。
答案:(1)600 K (2)2p0V0
解析:(1)A到B的过程是等压变化,有
代入数据解得TB=600 K。
(2)根据热力学第一定律有ΔU=Q+W
气体从A→B→C状态变化过程中,W=-2p0V0,ΔU=0
解得Q=2p0V0。
15.(8分)一定质量的气体从外界吸收了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的正、负各代表什么物理意义
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,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。
16.(8分)如图所示,一定质量的理想气体在状态A时压强为2.0×105 Pa,气体经历A→B→C→A的过程,在整个过程中对外界放出61.4 J热量。求该气体在A→B过程中对外界所做的功。
答案:138.6 J
解析:整个过程中,外界对气体做功W=WAB+WCA,且WCA=pA(VC-VA)
由热力学第一定律ΔU=Q+W,得WAB=-(Q+WCA)
代入数据得WAB=-138.6 J,
即气体对外界做的功为138.6 J。
17.(14分)如图所示,一定质量的理想气体,从状态A等容变化到状态B,再等压变化到状态D。已知在状态A时,气体温度tA=327 ℃。
(1)求气体在状态B时的温度。
(2)已知由状态B→D的过程中,气体对外做功W,气体与外界交换热量Q,试比较W与Q的大小,并说明原因。
答案:(1)27 ℃
(2)Q>W 原因见解析
解析:(1)气体由状态A变化到状态B
由查理定律可得
TB=TA=×(327+273) K=300 K
所以tB=27 ℃。
(2)由B→D的过程,气体温度升高,内能增大,由热力学第一定律ΔU=Q-W>0可得Q>W。
18.(16分)在如图所示的坐标系中,一定质量的某种理想气体先后发生以下两种状态变化过程:第一种变化是从状态A到状态B,外界对该气体做功为6 J;第二种变化是从状态A到状态C,该气体从外界吸收的热量为9 J。图线AC的反向延长线过坐标原点O,B、C两状态的温度相同,理想气体的分子势能为零。求:
(1)从状态A到状态C的过程,该气体对外界做的功W1和其内能的增量ΔU1;
(2)从状态A到状态B的过程,该气体内能的增量ΔU2及其从外界吸收的热量Q2。
答案:(1)0 9 J
(2)9 J 3 J
解析:(1)由题意知从状态A到状态C的过程,气体发生等容变化
该气体对外界做的功W1=0
根据热力学第一定律有ΔU1=W1+Q1
内能的增量ΔU1=Q1=9 J。
(2)从状态A到状态B的过程,体积减小,温度升高
该气体内能的增量ΔU2=ΔU1=9 J
根据热力学第一定律有ΔU2=W2+Q2
从外界吸收的热量Q2=ΔU2-W2=3 J。
9第三章热力学定律
1.功、热和内能的改变
课后训练巩固提升
基础巩固
1.做功和热传递是等效的,这里指的是( )
A.它们能使物体改变相同的温度
B.它们能使物体增加相同的热量
C.它们能使物体改变相同的内能
D.它们本质上是相同的
答案:C
解析:做功是其他形式的能量转化为内能,功的多少是内能转化的量度;热传递是内能的转移,热量是内能转移的量度。所以两者对改变系统的内能是等效的。故选项C正确。
2.在给自行车轮胎打气时,会发现轮胎内空气温度升高,这是因为( )
A.轮胎内气体压强不断增大,而容积不变
B.轮胎从外界吸热
C.外界空气温度本来就高于轮胎内气体温度
D.打气时,外界不断地对轮胎内气体做功
答案:D
解析:给自行车轮胎打气,人对轮胎内气体做功,气体内能增加,所以温度升高。故选项D正确。
3.下列关于内能与热量的说法正确的是( )
A.马铃薯所含热量高
B.内能越大的物体热量也越多
C.热量自发地从内能大的物体流向内能小的物体
D.热量自发地从温度高的物体流向温度低的物体
答案:D
解析:说法A是一种很常见的说法,在日常生活中似无须计较,但从物理学的角度来看,却有不妥,热量是过程量,不是状态量,不能像内能那样蕴含在物体中,选项A错。说法B与说法A存在相同的错误,此外,物体的内能与热量之间,在数量上没有必然联系,选项B错。两物体之间热量的流向只与它们的温度有关,与它们的内能无关,选项C错。
4.关于物体的内能和热量,下列说法正确的有( )
A.热水的内能比冷水的内能多
B.温度高的物体其热量必定多,内能必定大
C.在热传递过程中,内能大的物体其内能将减小,内能小的物体其内能将增大,直到两物体的内能相等
D.热量是热传递过程中内能转移的量度
答案:D
解析:物体的内能由温度、体积及物体的质量决定,不只由温度决定,故选项A、B都不对。内能大的物体不一定温度高,在热传递过程中完全有可能内能大的物体内能继续增大,内能小的物体内能继续减小,故选项C是错误的。关于热量的论述,选项D是正确的。
5.(多选)对于热量、功、内能三个量,下列说法正确的是 ( )
A.热量、功、内能三个量的物理意义是等同的
B.热量和功二者可作为物体内能大小的量度
C.热量、功和内能的国际单位都相同
D.热量和功是由过程决定的,而内能是由物体的状态决定的
答案:CD
解析:热量、功和内能的国际单位都是焦耳,但热量、功和内能三个量的物理意义是不同的,热量和功是过程量,内能是状态量,热量和功二者可作为物体内能改变的量度而不是内能大小的量度。故A、B错误,C、D正确。
6.用5 N的力垂直于活塞推动压缩绝热汽缸中的气体,活塞的位移为0.1 m时,气体内能的变化量是多少 内能增加了还是减少了
答案:增加了0.5 J
解析:外界对气体做功W=Fs=5×0.1 J=0.5 J,气体内能增加,增加量为0.5 J。
能力提升
1.下列实例说明做功改变了系统的内能的是( )
A.热水袋取暖 B.用双手摩擦给手取暖
C.把手放在火炉旁取暖 D.用嘴对手呵气给手取暖
答案:B
解析:双手摩擦做功,使手的内能增加,感到暖和;A、C、D都是通过热传递来改变系统的内能,选项B正确。
2.景颇族祖先发明的点火器如图所示,用牛角做套筒,木制推杆前端粘着艾绒,猛推推杆,艾绒即可点燃。对筒内封闭的气体,在此压缩过程中( )
A.气体温度升高,压强不变
B.气体温度升高,压强变大
C.气体对外界做正功,气体内能增加
D.外界对气体做正功,气体内能减少
答案:B
解析:压缩气体时,外界对气体做正功,气体内能增加,温度升高,压强增大,选项B对。
3.(多选)用绝热活塞把绝热容器隔成容积相同的两部分,先把活塞锁住,将质量和温度都相同的氢气和氧气分别充入容器的两部分,然后提起销子S,使活塞可以无摩擦地滑动,当活塞平衡时( )
A.氧气的温度不变 B.氢气的压强增大
C.氧气的体积减小 D.氧气的内能变大
答案:CD
解析:质量相同,则H2的分子数多,温度相同表明两气体分子平均动能相同,则H2压强大,释放后,活塞右移,H2体积变大,同时对O2做功,O2的温度升高,内能变大,故选CD。
4.如图所示,活塞将汽缸分成甲、乙两气室,汽缸、活塞(连同拉杆)是绝热的,且不漏气。以E甲、E乙分别表示甲、乙两气室中气体的内能,则在将拉杆缓慢向外拉的过程中( )
A.E甲不变,E乙减小 B.E甲不变,E乙增大
C.E甲增大,E乙不变 D.E甲增大,E乙减小
答案:D
解析:本题解题的关键是明确甲、乙两气室气体都历经绝热过程,内能改变取决于做功的情况。对甲气室内的理想气体,在拉杆缓慢向外拉的过程中,活塞左移,压缩气体,外界对甲气室的气体做功,其内能应增大;对乙气室内的气体,活塞左移,气体膨胀,气体对外界做功,内能应减小。
5.出租车常以天然气作为燃料,加气站储气罐中天然气的温度随气温升高的过程中,若储气罐内气体体积及质量均不变,则罐内气体(可视为理想气体)( )
A.压强增大,内能减小
B.吸收热量,内能增大
C.压强减小,分子平均动能增大
D.对外做功,分子平均动能减小
答案:B
解析:一定质量的气体,由理想气体状态方程可知,体积不变,温度升高,则压强增大,内能增大,故A、C错误。体积不变,气体不做功,内能增大,则吸收热量,故B正确。从微观角度来说,温度升高,分子平均动能增大,故D错误。
6.如图所示,容器A、B各有一个可以自由移动的轻活塞,活塞下面是水,上面是大气,大气压强恒定。A、B的底部由带有阀门K的管道相连,整个装置与外界绝热。起初,A中水面比B中的高,打开阀门,使A中的水逐渐流向B中,最后达到平衡。在这个过程中,下列说法正确的是( )
A.大气压力对水做功,水的内能减小
B.水克服大气压力做功,水的内能减小
C.大气压力对水不做功,水的内能不变
D.大气压力对水不做功,水的内能增加
答案:D
解析:平衡前,A容器中的活塞向下移动,设A中活塞横截面积为S1,移动距离为l1,大气压力推动A中活塞向下移动时对水做的功WA=p0S1l1
平衡前,B容器中的活塞向上移动,设B中活塞横截面积为S2,移动距离为l2,大气压力通过活塞对水做负功WB=-p0S2l2
由于水的总体积不变,因此S1l1=S2l2
即A容器中大气压力对水做的功与B容器中水克服大气压力做的功相等。在整个过程中,大气压力对水做的功是上述两个功(正功WA、负功WB)的代数和,即
WA+WB=p0S1l1-p0S2l2=0
选项A、B错误。
大气压力对水不做功,同时整个装置与外界绝热,没有热交换。但是水从容器A流向容器B的过程中,水的重心下降,水的重力做正功,水的重力势能减小,根据能量守恒定律,减少的水的势能转化为水的内能,水的内能增加,选项C错误,D正确。
7.(1)某同学做了一个小实验:先把空的锥形瓶放入冰箱冷冻,一小时后取出锥形瓶,并迅速把一个气球紧密地套在瓶颈上,然后将锥形瓶放进盛满热水的容器里,气球逐渐膨胀起来,如图所示。这是因为锥形瓶里的气体吸收了水的 ,温度 ,体积 。
(2)若只对一定质量的理想气体做1 500 J的功,可使其温度升高5 K。若改成只用热传递的方式,使气体温度同样升高5 K,那么气体吸收 J的热量。
答案:(1)热量 升高 增大 (2)1 500
解析:(1)锥形瓶内的气体要从热水杯中吸收水的热量,温度升高,体积增大。
(2)做功和热传递都可以改变物体的内能,且是等效的。
54.热力学第二定律
课后训练巩固提升
基础巩固
1.下列说法正确的是( )
A.生活中常用的电动机是把电能全部转化为机械能的装置
B.热机是将内能全部转化为机械能的装置
C.随着技术不断发展,可以把内燃机得到的全部内能转化为机械能
D.虽然不同形式的能量可以相互转化,但不可能将已转化成内能的能量全部收集起来加以完全利用
答案:D
解析:由于电阻的存在,电流通过电动机时一定发热,电能不能全部转化为机械能,A错误。根据热力学第二定律知,热机不可能将内能全部转化为机械能,B错误。C项说法违背热力学第二定律,C错误,只有D正确。
2.热力学定律表明,自然界中进行的热现象的宏观过程( )
A.有的只遵守热力学第一定律
B.有的只遵守热力学第二定律
C.有的既不遵守热力学第一定律,也不遵守热力学第二定律
D.都遵守热力学第一定律和热力学第二定律
答案:D
解析:热力学第一定律和热力学第二定律是热力学的基本定律,对所有涉及热现象的宏观过程都成立,自然界中的一切活动都遵守热力学第一定律和热力学第二定律,故选项D正确,选项A、B、C错误。
3.“能源危机”是当今世界各国共同面临的问题。对此,下列措施可行的是( )
A.人人都要自觉做到节约用水、节约用电,不浪费和人为毁坏物品
B.关闭现有的火力发电站
C.各地都要兴建水力和风力发电站
D.停止使用石油资源,而以核能和太阳能取代
答案:A
解析:受地域环境的限制,风力、水力发电站不能在各地兴建,因而不能关闭火力发电站,故B、C错误。受技术限制,核能和太阳能尚未大规模被利用,所以也不能停止使用石油资源,故D错误。
4.下列说法正确的是( )
A.热量能够从高温物体传到低温物体,但不能从低温物体传到高温物体
B.不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功而不引起其他变化
C.功可以全部转化为热,但热不能全部转化为功
D.凡是不违反能量守恒定律的过程都一定能实现
答案:B
解析:热量能够自发地从高温物体传到低温物体,也能在一定的条件下从低温物体传到高温物体,如电冰箱,故A错误。不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功,而不引起其他变化,这是热力学第二定律的内容,故B正确。功可以全部转化为热,热也可以全部转化为功,但会引起其他变化,故C错误。不违背能量守恒定律的过程不一定都能实现,还不能违背热力学第二定律,故D错误。
5.关于热力学定律和分子动理论,下列说法正确的是( )
A.一定质量的气体吸收热量,其内能一定增大
B.不可能使热量由低温物体传递到高温物体
C.若两分子间距离增大,分子势能一定增大
D.若两分子间距离减小,分子间引力和斥力都增大
答案:D
解析:据热力学第一定律ΔU=W+Q可知,气体吸收热量对外做功,内能不一定增大,A错。热量可以由低温物体传递到高温物体但要引起其他变化,B错。当分子间作用力表现为斥力时,两分子间距离增大,分子势能减小,C错。两分子间距离减小,分子间引力和斥力都增大,D对。
6.(多选)关于第二类永动机,下列说法正确的是( )
A.没有冷凝器,只有单一的热源,能将从单一热源吸收的热量全部用来做功,而不引起其他变化的热机是第二类永动机
B.第二类永动机违反了能量守恒定律,所以不可能制成
C.第二类永动机不可能制成,说明机械能可以全部转化为内能,内能却不可能全部转化为机械能
D.第二类永动机不可能制成,说明机械能可以全部转化为内能,内能却不可能全部转化为机械能,同时不引起其他变化
答案:AD
解析:根据所学的热机知识可知选项A正确。第二类永动机不违反能量守恒定律,但是违反热力学第二定律,所以选项B错误。机械能可以全部转化为内能,内能在引起其他变化时可以全部转化为机械能,选项C错误,D正确。
7.制冷机是一种利用工作物质,使热量从低温物体传到高温物体的装置,通过制冷机的工作可以使一定空间内的物体温度低于环境温度并维持低温状态。夏天,将室内一台正在工作的电冰箱的门打开,试分析这是否可以降低室内的平均温度 为什么
答案:不会降低室内的平均温度。若将一台正在工作的电冰箱的门打开,虽然可以不断向室内释放冷气,但同时冰箱的箱体向室内散热,就整个房间来说,由于外界通过导线不断有能量输入,室内的温度会不断升高。
能力提升
1.如图所示的汽缸内有一定质量的理想气体,汽缸壁是导热的,缸外环境保持恒温,活塞与汽缸壁的接触是光滑的,且不漏气。现将活塞杆与外界连接,使其缓慢地向右移动,这样气体将等温膨胀并通过杆对外做功。若已知理想气体的内能只与温度有关,则下列说法正确的是( )
A.气体是从单一热源吸热,全用来对外做功,因此此过程违反热力学第二定律
B.气体从单一热源吸热,但并未全用来对外做功,所以此过程不违反热力学第二定律
C.气体是从单一热源吸热,全用来对外做功,但此过程不违反热力学第二定律
D.以上三种说法都不对
答案:C
解析:热力学第二定律从机械能与内能转化过程的方向性来描述,是不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功,而不引起其他变化。本题中如果没有外界的帮助,比如外力拉动活塞杆使活塞向右移动,使气体膨胀对外做功,导致气体温度略微降低,气体是不可能从外界吸收热量的,即这一过程虽然是气体从单一热源吸热,全用来对外做功,但引起了其他变化,所以此过程不违反热力学第二定律。故选项C正确。
2.下列说法正确的是( )
A.热力学第二定律否定了以特殊方式利用能量的可能性
B.电流流过导体转化为内能,反过来,可将内能收集起来,再转化成相同大小的电流
C.可以做成一种热机,由热源吸取一定的热量而对外做功
D.冰可以熔化成水,水也可以结成冰,这个现象违背了热力学第二定律
答案:C
解析:热力学第二定律说明了一切与热现象有关的宏观过程都是有方向性的,但并没有否定以特殊方式利用能量的可能性,故A项错误。功和内能的转化具有方向性,其逆过程是不可能自发实现的,故B项错误。只要不要求吸收的热量全部用来做功而不产生其他影响,就可以做成一种热机,由热源吸取一定热量而对外做功,故C项正确。冰熔化成水,水结成冰,都伴随着能量的转移,不是自发进行的,没有违背热力学第二定律,故D项错误。
3.(多选)关于热传递的说法正确的是( )
A.热量只能从高温物体传递到低温物体,而不能从低温物体传递到高温物体
B.热量只能从低温物体传递到高温物体,而不能从高温物体传递到低温物体
C.热量既可以从高温物体传递到低温物体,又可以从低温物体传递到高温物体
D.热量会自发地从高温物体传递到低温物体,而不会自发地从低温物体传递到高温物体
答案:CD
解析:热量可以自发地从高温物体传到低温物体,但不能自发地从低温物体传到高温物体,若从低温物体传到高温物体,势必会引起其他变化,选项C、D正确。
4.(多选)下列关于热机的说法正确的是( )
A.热机是把内能转化为机械能的装置
B.热机是把机械能转化为内能的装置
C.只要对内燃机不断进行革新,它就可以把燃料燃烧释放的内能全部转化为机械能
D.即使没有漏气,也没有摩擦等能量损失,内燃机也不能把内能全部转化为机械能
答案:AD
解析:由热机的定义可知A正确,B错误。内燃机工作时内能的损失有多种途径,所以内燃机不可能把燃料燃烧释放的内能全部转化为机械能,故D正确,C错误。
5.蒸汽机、内燃机等热机以及电冰箱工作时都利用了气体状态变化来实现能量的转移和转化,我们把这些气体称为工质。某热机经过一个循环后,工质从高温热库吸热Q1,对外做功W,又对低温热库放热Q2,工质完全恢复初始状态。根据热力学第一定律,在工质的一个循环中,Q1、Q2、W三者之间满足的关系是 。热机的效率η=不可能达到100%,从能量转化的角度,说明 能不能完全转化为 能,而不引起其他变化。
答案:Q1=W+Q2 内 机械
解析:由热力学第一定律可知,Q1、Q2、W三者之间满足的关系是Q1=W+Q2。热机的效率η=不可能达到100%,从能量转化的角度,说明内能不能完全转化为机械能,而不引起其他变化。
6.用两种不同的金属丝组成一个回路,接触点1插在热水中,接触点2插在冷水中,如图所示,电流计指针会发生偏转,这就是温差发电现象,这一实验是否违反热力学第二定律 热水和冷水的温度是否会发生变化 简述这一过程中能的转化情况。
答案:不违反热力学第二定律。热水温度降低,冷水温度升高。热水的内能一部分转化为电能,另一部分转化为冷水的内能。
解析:温差发电现象中产生了电能是因为热水中的内能减少,一部分转化为电能,一部分传递给冷水,不违反热力学第二定律。
6
