高中物理教科版 能力提升训练：选修3-3　热力学定律与能量守恒定律Word版含解析

热力学定律与能量守恒定律
一、选择题
1．(2019·河北唐山模拟)根据热力学定律，下列说法正确的是(　　)
A．第二类永动机违反能量守恒定律，因此不可能制成
B．效率为100%的热机是不可能制成的
C．电冰箱的工作过程表明，热量可以从低温物体向高温物体传递
D．从单一热源吸收热量，使之完全变为功是提高机械效率的常用手段
E．吸收了热量的物体，其内能也不一定增加
解析：第二类永动机不可能制成，是因它违反了热力学第二定律，故A错误；效率为100%的热机是不可能制成的，故B正确；电冰箱的工作过程表明，热量可以从低温物体向高温物体传递，故C正确；从单一热源吸收热量，使之完全变为功而不引起其他变化是不可能实现的，它不是提高机械效率的常用手段，故D错误；改变内能的方式有做功和热传递，吸收了热量的物体，其内能也不一定增加，E正确．
答案：BCE
2．(2019·吉林长春质检)下列各说法正确的是(　　)
A．气体扩散现象表明气体分子间存在斥力
B．对于同一理想气体，温度越高，分子平均动能越大
C．热量总是自发地从分子平均动能大的物体传递到分子平均动能小的物体
D．用活塞压缩汽缸内的理想气体，对气体做了3.0×105 J的功，同时气体向外界放出1.5×105 J的热量，则气体内能增加了1.5×105 J
E．饱和汽压与分子密度有关，与温度无关
解析：气体扩散现象表明气体分子在做无规则运动，选项A错误；由于温度是分子平均动能的标志，故对于同一理想气体，温度越高，分子平均动能越大，选项B正确；分子的平均动能大，则说明物体的温度高，热量总是自发地从高温物体传递到低温物体，选项C正确；用活塞压缩汽缸内的理想气体，根据热力学第一定律，对气体做了3.0×105 J的功，同时气体向外界放出1.5×105 J的热量，则气体内能增加了1.5×105 J，选项D正确；饱和汽压与温度有关，且随着温度的升高而增大，选项E错误．
答案：BCD
3．下列对热学相关知识的判断中正确的是(　　)
A．对一定质量的气体加热，其内能一定增大
B．物体温度升高时，物体内的每个分子的速率都将增大
C．对一定质量的理想气体，当它的压强、体积都增大时，其内能一定增大
D．功转化为热的实际宏观过程是不可逆过程
E．自然界中的能量虽然是守恒的，但有的能量便于利用，有的不便于利用，故要节约能源
解析：气体内能变化由做功和热传递共同决定，A错误；温度升高，分子的平均动能增大，部分分子速率也会减小，B错误；理想气体压强和体积增大，温度一定增大，内能一定增大，C正确；一切涉及热现象的宏观过程都是不可逆的，D正确；自然界中的能量在数量上是守恒的，但能量在转化过程中，品质逐渐降低，可利用的能量在逐渐减少，故要节约能源，E正确．
答案：CDE
4．关于热力学定律，以下说法正确的是(　　)
A．热力学第一定律是能量守恒定律在热力学中的体现，否定了创造和消灭能量的可能性，告诉我们第一类永动机不可能制成
B．热力学第二定律反映了一切与热现象有关的宏观自然过程都具有方向性，告诉我们第二类永动机不可能制成
C．做功和热传递都能改变物体的内能，根据最后的结果可以区分是做功还是热传递使物体温度升高的
D．热力学第一定律指出内能可以与其他形式的能相互转化，热力学第二定律指出内能不可能完全转化为机械能，故二者是相互矛盾的
E．热力学第一定律和热力学第二定律分别从不同的角度揭示了与热现象有关的物理过程所遵循的规律，二者相互独立，又相互补充，都是热力学的理论基础
解析：做功和热传递都能改变物体的内能，根据最后的结果无法判断是做功还是热传递使物体温度升高的，选项C错误；热力学第一定律是能量守恒定律在热现象中的体现，热力学第二定律则指出了能量转化的方向性，二者并不矛盾，选项D错误．
答案：ABE
5．关于物体的内能，以下说法中正确的是(　　)
A．物体吸收热量，内能一定增大
B．物体放出热量，同时对外做功，内能一定减少
C．物体体积改变，内能可能不变
D．不可能从单一热源吸收热量，使之完全变为功
E．质量相同的0 ℃的水的内能比0 ℃的冰的内能大
解析：物体吸收热量，若同时对外做功，其内能可能减少，选项A错误；根据热力学第一定律，物体放出热量，同时对外做功，内能一定减少，选项B正确；物体体积改变，例如理想气体体积改变，只要温度不变，其内能不变，选项C正确；可以从单一热源吸收热量，使之完全变为功，但是会引起其他变化，选项D错误；0 ℃的水变成0 ℃的冰需要放出热量，故质量相同的0 ℃的水的内能比0 ℃的冰的内能大，选项E正确．
答案：BCE
6．(2019·广西桂林模拟)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V-T图象如图所示，pa、pb、pc分别表示状态a、b、c的压强，下列判断正确的是(　　)
A．过程ab中气体一定吸热
B．pc＝pb>pa
C．过程bc中分子势能不断增大
D．过程bc中每一个分子的速率都减小
E．过程ca中气体吸收的热量等于对外界做的功
解析：由题图知，该理想气体从a到b为等容变化，外界对气体做功为零，温度升高，内能增大，根据ΔU＝Q＋W，可知气体一定吸热，选项A正确；从b到c为等压变化，故pc＝pb，而从a到b为等容变化，根据查理定律p＝CT，可知温度升高，压强变大，故pb>pa，选项B正确；理想气体没有分子势能，选项C错误；从b到c，温度降低，分子的平均动能降低，平均速率减小，但不是每一个分子的速率都减小，选项D错误；从c到a，气体发生等温变化，内能不变，气体对外界做功，吸收热量，根据ΔU＝Q＋W可知，气体吸收的热量等于对外界做的功，选项E正确．
答案：ABE
7．(2018·高考全国卷Ⅰ)如图，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
E．状态d的压强比状态b的压强小
解析：由理想气体状态方程＝可知，pb>pa，即过程①中气体的压强逐渐增大，选项A错误；由于过程②中气体体积增大，所以过程②中气体对外做功，选项B正确；过程④中气体体积不变，气体对外做功为零，温度降低，内能减小，根据热力学第一定律，过程④中气体放出热量，选项C错误；由于状态c、d的温度相等，理想气体的内能只与温度有关，可知状态c、d的内能相等，选项D正确；由b到c的过程，作过状态b、c的等压线，分析可得pb>pc，由c到d的过程，温度不变，Vcpd，所以pb>pc>pd，选项E正确．
答案：BDE
二、非选择题
8．如图所示，圆柱形容器内用活塞封闭一定质量的理想气体，已知容器横截面积为S，活塞重为G，大气压强为p0.若活塞固定，封闭气体温度升高1 ℃，需吸收的热量为Q1；若活塞不固定，仍使封闭气体温度升高1 ℃，需吸收的热量为Q2.不计一切摩擦，在活塞可自由移动时，封闭气体温度升高1 ℃，活塞上升的高度h应为多少？
解析：活塞固定时，由热力学第一定律，气体增加的内能ΔU＝Q1，活塞不固定时，设外界对气体做功为W，活塞上升的高度为h，则
ΔU＝Q2＋W＝Q2－(p0Sh＋Gh)
故h＝.
答案：
9．(2019·湖北黄冈高三适应性考试)如图所示，一定质量的理想气体从A状态经过一系列的变化，最终回到A状态，已知A状态的温度为27 ℃，求C状态的温度以及全过程中气体吸(放)热量．
解析：气体由A到B过程：
初状态：pA＝1×105 Pa，TA＝300 K，VA＝10 L
末状态：pB＝2×105 Pa，VB＝20 L
由理想气体状态方程得＝
可得TB＝1 200 K
B到C过程为等容变化，有＝
可得TC＝2 400 K
tC＝(2 400－273) ℃＝2 127 ℃
整个过程中气体温度不变，即ΔU＝Q＋W＝0
由p-V图象可知外界对气体做的功等于A、B、C、D四点所组成的四边形的面积，由几何知识知W＝1.5×103 J
则Q＝－1.5×103 J，即气体放出热量为1.5×103 J
答案：2 127 ℃　气体放出热量为1.5×103 J
10．将如图所示的装置的右端部分汽缸B置于温度始终保持不变的环境中，绝热汽缸A和导热汽缸B均固定在地面上，由刚性杆连接的绝热活塞与两汽缸间均无摩擦，开始时两形状相同的长方体汽缸内装有理想气体，压强均为p0、体积均为V0、温度均为T0，缓慢加热A中气体，使汽缸A的温度升高到1.5T0，稳定后，求：
(1)汽缸A中气体的压强pA以及汽缸B中气体的体积VB；
(2)此过程中B中气体吸热还是放热？试分析说明．
解析：(1)因为此时活塞处于平衡状态，根据平衡条件可知pA＝pB，选汽缸A中气体为研究对象，根据理想气体状态方程得p0V0·＝pAVA·，
选汽缸B中气体为研究对象，根据玻意耳定律得p0V0＝pBVB，
又因为2V0＝VA＋VB，
联立得pA＝pB＝1.25p0，VB＝0.8V0.
(2)因为B中气体温度不变，所以内能不变，活塞对B中气体做正功，由热力学第一定律可知气体放热．
答案：(1)1.25p0　0.8V0　(2)见解析
11．(2019·山东青岛高三质检)如图所示，一根两端开口、横截面积为S＝2 cm2足够长的玻璃管竖直插入水银槽中并固定(插入水银槽中的部分足够深)．管中有一个质量不计的光滑活塞，活塞下封闭着长L＝21 cm的气柱，气体的温度为t1＝7 ℃，外界大气压取p0＝1.0×105 Pa(相当于75 cm高的汞柱的压强)．g取10 m/s2.
(1)若在活塞上放一个质量为m＝0.1 kg的砝码，保持气体的温度t1不变，则平衡后气柱为多长？
(2)若保持砝码的质量不变，对气体加热，使其温度升高到t2＝77 ℃，此时气柱为多长？
(3)若在(2)过程中，气体吸收的热量为10 J，则气体的内能增加多少？
解析：(1)被封闭气体的初状态：p1＝p0＝1.0×105 Pa，V1＝LS＝42 cm3，T1＝280 K
末状态：p2＝p0＋＝1.05×105 Pa，V2＝L2S，T2＝T1＝280 K
根据玻意耳定律，有p1V1＝p2V2，即p1L＝p2L2
得L2＝L＝20 cm.
(2)对气体加热过程中，气体的压强不变
p3＝p2，V3＝L3S，T3＝350 K
根据盖—吕萨克定律，有＝，即＝
得L3＝L2＝25 cm.
(3)气体对外做的功
W＝p2Sh＝p2S(L3－L2)＝1.05 J
根据热力学第一定律得
ΔU＝－W＋Q＝－1.05 J＋10 J＝8.95 J
即气体的内能增加8.95 J.
答案：(1)20 cm　(2)25 cm　(3)8.95 J