10.3 热力学第一定律 能量守恒定律—2020-2021学年人教版高中物理选修3-3同步检测（word含答案）

热力学第一定律能量守恒定律练习
一、单选题
如图所示，汽缸内封闭一定质量的气体，不计活塞与缸壁间的摩擦，当外界大气压变化时，以下物理量中发生改变的有：①弹簧弹力的大小，②密封气体的体积，③密封气体的压强(????)
A. ①
B. ①②
C. ①③
D. ②③
如图所示，一定质量的理想气体，由状态a经过ab过程到达状态b或者经过ac过程到达状态c。设气体在状态b和状态c的温度分别为Tb和Tc，在过程ab和ac中吸收的热量分别为Qab和Qac，则(? ?)
A. Tb>Tc，Qab>Qac????????
B. Tb>Tc，QabC. Tb=Tc，Qab>Qac????????
D. Tb=Tc，Qab如图，用长为l的轻绳悬挂一质量为M的沙箱，沙箱静止。一质量为m的弹丸以速度v水平射入沙箱并留在其中，随后与沙箱共同摆动一小角度。不计空气阻力。对子弹射向沙箱到与其共同摆过一小角度的过程(? ? ?)
A. 若保持m、v、l不变，M变大，则系统损失的机械能变小
B. 若保持M、v、l不变，m变大，则系统损失的机械能变小
C. 若保持M、m、l不变，v变大，则系统损失的机械能变大
D. 若保持M、m、v不变，l变大，则系统损失的机械能变大
二氧化碳是导致“温室效应”的主要原因之一，人类在采取节能减排措施的同时，也是在研究控制温室气体的新方法，目前专家们正在研究二氧化碳的深海处理技术。在某次实验中，将一定质量的二氧化碳气体封闭在一个可以自由压缩的导热容器中，将容器缓慢移到海水某深处，气体体积减小为原来的一半，不计温度变化。此过程中(????)
A. 封闭的二氧化碳气体对外界做正功
B. 封闭的二氧化碳气体压强一定增大
C. 封闭的二氧化碳气体分子的平均动能增大
D. 封闭的二氧化碳气体一定从外界吸收热量
如图所示为导热气缸，内封有一定质量理想气体，活塞与气缸壁的接触面光滑，活塞上用弹簧悬挂。当周围环境温度不变，大气压缓慢变大之后，下列说法中正确的是(????)
A. 弹簧长度将改变
B. 气体内能将增加
C. 气体向外放出热量
D. 单位时间碰撞气缸单位面积的分子数不变
如图所示，一定质量的理想气体从状态A变化到状态B，再到状态C，最后变化到状态A，完成循环。下列说法正确的是(????)
A. 状态A到状态B是等温变化
B. 状态A时所有分子的速率都比状态C时的小
C. 状态A到状态B，气体对外界做功为12p0V0
D. 整个循环过程，气体从外界吸收的热量是12p0V0
如图所示，一定质量的理想气体从状态A经绝热过程到达状态B，再经等容过程到达状态C，最后经等温过程返回到状态A，已知在B到C的过程中，气体吸收热量为12J.下列说法正确的是
A. A到B过程气体温度升高
B. B到C过程气体内能增加12J
C. C到A过程气体吸收热量
D. 图线AB、BC、CA所围的面积表示做功12J
导热性能良好的气缸和活塞，密封一定质量的理想气体，气缸固定不动，保持环境温度不变，现用外力将活塞向下缓慢移动一段距离，则这一过程中(????)
A. 外界对缸内气体做功，缸内气体内能不变
B. 缸内气体放出热量，内能增大
C. 气缸内每个气体分子的动能保持不变
D. 单位时间内撞击到器壁上单位面积的分子数减小
关于对热力学定律，下列说法正确的是
A. 一定质量的理想气体在等压膨胀过程中，气体一定吸收热量
B. 气体向真空的自由膨胀是可逆的
C. 第二类永动机不违背能量守恒定律，随着科技的进步，第二类永动机可以制造出来
D. 由热力学第一定律可知做功和热传递都能改变物体的内能，同时做功和热传递也一定会改变内能
如图，从湖底形成的一个气泡，在缓慢上升到湖面的过程中没有破裂．若越接近水面，湖内水的温度越高，大气压强没有变化．将气泡内气体看做理想气体，则上升过程中，以下说法正确的是(????)
A. 外界对气泡内气体做功
B. 气泡内气体从外界吸收热量
C. 气泡内气体的压强可能不变
D. 气泡内分子单位时间内对气泡壁单位面积的撞击力增大
下列现象可以用热力学第一定律解释的是
A. 两物体接触后，热量自发地从高温物体传递到低温物体
B. 蒸汽机不能把蒸汽的内能全部转化为机械能
C. 叶片搅拌绝热容器中的水，引起水温升高
D. 利用能源的过程中会发生“能量耗散”现象
二、多选题
下列关于热力学定律的说法正确的是(????)
A. 如果两个系统均与第三个系统处于热平衡状态，这两个系统的温度一定相等
B. 外界对某系统做正功，该系统的内能一定增加
C. 可以找到一种材料做成墙壁，冬天供暖时吸收热量温度升高，然后向房间自动释放热量供暖，然后再把热量吸收回去，形成循环供暖，只需要短时间供热后即可停止外界供热
D. 低温系统可以向高温系统传递热量
E. 无论科技如何进步与发展，绝对零度都不可以达到
气闸舱是载人航天器中供航天员进入太空或由太空返回用的气密性装置，其原理图如图所示。座舱A与气闸舱B之间装有阀门K，座舱A中充满空气，气闸舱B内为真空。航天员从太空返回气闸舱时，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。在此过程中(????)
A. 气体对外界做功，内能减少
B. 气体不做功，温度不变
C. 气体压强变小，气体分子的平均动能减少
D. 气体压强变小，气体分子单位时间对气缸壁单位面积碰撞的次数变少
如图所示，物块A，B静止在光滑的水平面上，质量均为1kg，B通过轻弹簧与墙相连，弹簧处于自然伸长状态，现给A一个向左的初速度v0=10m/s，使A向B撞去并瞬间锁定在一起，当弹簧被压缩至最短时解除锁定，物块A最终会被反弹出来，则下列说法正确的是(????)
A. 弹簧能获得的最大弹性势能为25J
B. 物块A最终的速度大小为5m/s
C. 整个过程中物块B对物块A产生的冲量大小为15N·s
D. 整个过程中的机械能损失37.5J
关于热力学定律，下列说法正确的是________．
A. 气体吸热后温度一定升高
B. 对气体做功可以改变其内能
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
E. 如果两个系统分别与状态确定的第三个系统达到热平衡，那么这两个系统彼此之间也必定达到热平衡
三、填空题
一定质量的理想气体，从初始状态A经状态B、C、D再回到状态A，其体积V与温度T的关系如图所示．图中TA、VA和TD为已知量．
①从状态A到B，气体经历的是______过程(填“等温”“等容”或“等压”)；
②从B到C的过程中，气体的内能______(填“增大”“减小”或“不变”)；
③从C到D的过程中，气体对外______(填“做正功”“做负功”或“不做功”)，同时______(填“吸热”或“放热”)；
④气体在状态D时的体积VD=______．
(1)空气压缩机在一次压缩过程中，活塞对汽缸中的气体做功为2.0×105J，同时气体的内能增加了1.5×105 J.试问：此压缩过程中，气体________(填“吸收”或“放出”)的热量等于__________J．(2)若一定质量的理想气体状态分别按下图所示的三种不同过程变化，其中表示等压变化的是________(填“A”、“B”或“C”)，该过程中气体的内能________(填“增加”、“减少”或“不变”)．
一定量的理想气体从状态M出发，经状态N、P、Q回到状态M，完成一个循环。从M到N、从P到Q是等温过程；从N到P、从Q到M是等容过程；其体积?温度图像(V?T图)如图所示。下列说法正确的是(????)
A. 从M到N是吸热过程?
B. 从N到P是吸热过程
C. 从P到Q气体对外界做功
D. 从Q到M是气体对外界做功
E. 从Q到M气体的内能减少
下图所示，内壁光滑的气缸水平放置。一定质量的理想气体被密封在气缸内，外界大气压强为P0。现对气缸缓慢加热，气体吸收热量Q后，体积由V1增大为V2。则在此过程中，气体分子平均动能_________(选增“增大”、“不变”或“减小”)，气体内能变化了_____________。
答案和解析
1.【答案】D
【解答】
以气缸和活塞组成的系统为研究对象，系统处于平衡状态，因此弹力弹力等于系统重力，因为重力不变，，因此弹簧弹力不变，故①错误；
以气缸为研究对象，设大气压强为P0，有：P0S=mg+PS，当大气压强P0变化时，气体压强P发生变化，气体体积发生变化。故②③正确，故D正确，ABC错误。
2.【答案】C
【解答】
由理想气体状态方程可知paVaTa=pcVcTc=pbVbTb，即2p0·V0Tc=p0·2V0Tb，得Tc=?Tb，且为理想气体，则气体在?b、?c状态内能相等，因?a到?b和?a到?c的ΔU相同；而?a到?c过程中气体体积不变，?W=0，?a到?b过程中气体膨胀对外做功，?W<0，根据热力学第一定律：Δ?U=?Q+?W可知?a到?b吸收的热量?Qab大于?a到?c吸收的热量?Qac，即?Qab>?Qac，故C正确，ABD错误。
3.【答案】C
【解答】
弹丸击中沙箱过程系统水平方向动量守恒，以弹丸的初速度方向为正方向，
由动量守恒定律得：mv=(M+m)v′，解得：v′=mvM+m，
弹丸与沙箱一起摆动过程系统机械能守恒，由能量守恒定律可知，
整个过程系统损失的机械能：△E=12mv2?12(M+m)v′2=Mmv22(M+m)；
A、若保持m、v、l不变，M变大，系统损失的机械能：△E=Mmv22(M+m)=mv22(1+mM)变大，故A错误；
B、若保持M、v、l不变，m变大，则系统损失的机械能：△E=Mmv22(M+m)=Mv22(1+Mm)变大，故B错误；
C、若保持M、m、l不变，v变大，则系统损失的机械能：△E=Mmv22(M+m)变大，故C正确；
D、若保持M、m、v不变，l变大，则系统损失的机械能：△E=Mmv22(M+m)不变，故D错误；
4.【答案】B
【解析】解：A、气体体积减为原来的一半，外界对气体做正功，故A错误。
B、温度不变，气体体积减半，根据玻意耳定律可知，气体压强增大，故B正确；
C、温度不变，所以气体的气体分子的平均动能不变，故C错误。
D、温度不变，内能不变，根据热力学第一定律△U=W+Q，外界对气体做正功，则封闭气体向外界传递热量，故D错误；
5.【答案】C
【解答】
A.分析活塞和气缸受力情况，根据平衡状态可知，它们受到重力和弹簧的弹力的作用，所以弹簧的弹力大小等于二者的重力，与大气压力无关，故A错误；
B.周围环境温度不变，所以气体的温度不变，所以气体的内能不变，故B错误；
C.由于大气压强增大，所以封闭气体的压强增大，根据气体的实验定律可知，温度不变，压强增大，体积减小，所以外界对气体做功，由热力学第一定可知封闭气体一定放出热量，故C正确；
D.压强增大，体积减小，所以相等时间内碰撞气缸单位面积的分子数一定增大，故D错误。
6.【答案】D
【解答】
A.从状态A到状态B，体积和压强都增大，根据理想气体状态方程?pV?T?=C，温度一定升高，故A错误。
B.从状态C到状态A，压强不变，体积减小，根据理想气体状态方程?pV?T?=C，温度一定降低，分子平均速率减小，但平均速率是统计规律，对于具体某一个分子并不适应，故不能说状态A时所有分子的速率都比状态C时的小，故B错误。
C.从状态A到状态B，压强的平均值p=p0+2p02=32p0，气体对外界做功的大小等于外界对气体做功大小W1=??p?(VB?VA)=32??p0V0，故C错误。
D.从状态B到状态C为等容变化，外界对气体不做功，即W2=0；
从状态C到状态A为等压变化，体积减小，外界对气体做功W3=p0(2V0?V0)=p0V0，
对于整个循环过程，内能不变，ΔU=0，根据热力学第一定律ΔU=Q+W，得Q+W1+W2+W3=0，代入数据解得：Q=12p0V0，故D正确。
7.【答案】B
【解答】
A.A到B过程气体绝热，由于气体体积增大，对外界做功，故由热力学第一定律可知，气体内能减小，温度降低，故A错误；
B.B到C过程气体体积不变，与外界无做功过程，但该过程吸热12J，故由热力学第一定律可知气体内能增加12J，故B正确；
C.C到A过程气体等温变化，由于温度是理想气体内能的标志，故气体内能不变，而该过程气体的体积减小，外界对气体做功，故由热力学第一定律可知，气体释放热量，故C错误；
D.气体的压强与体积的乘积表示气体与外界做功的多少。气体从A态开始到由回到A态，内能变化为零，且BC过程气体与外界之间无做功过程。设AB过程，气体对外做功为W1，CA过程，外界对气体做功为W2，释放的热量为：Q，且由于该等温过程内能不变，故有：Q=W2，整个过程由热力学第一定律可得：?W1+12J+W2?Q=0，解得W1=12J，即AB过程气体对外界做功12J，故D错误。
8.【答案】A
【解析】解：AB、由于气缸和活塞导热性能良好，且环境温度不变，因此在将活塞向左缓慢压一段距离过程中，气体温度不变，气体内能不变，由△U=W+Q可知，外界对气体做功，内能不变，气体将放出热量，故A正确，B错误；
C、温度不变，说明气体分子平均动能不变，而并非指每个气体分子的动能均保持不变，故C错误；
D、气体温度不变，体积缩小，根据理想气体状态方程可知，其压强增大，单位时间内撞击到器壁上单位面积上的分子数增多，故D错误；
9.【答案】A
【解答】
A、气体等压膨胀时，温度升高，气体对外做功，根据热力学第一定律可知气体一定吸热，故 A正确；
B、气体向真空的自由膨胀是不可逆的．故B错误；
C、第二类永动机不违背能量守恒定律，但是违背了热力学第二定律，所以即使随着科技的进步，第二类永动机也不可以制造出来，故C错误；
D、由热力学第一定律可知做功和热传递都能改变内能．如果对外做的功在数值上等于物体吸收的热量，则物体的内能不变．即同时做功和热传递不一定会改变内能，故D错误．
10.【答案】B
【解答】
A.气泡上升过程中，温度升高，与水面的距离减小，则根据pVT=C，可知体积变大，气体对外做功，故A错误；
B.气体温度升高，内能变大，气体对外做功，根据ΔU=W+Q，可知气泡内气体从外界吸收热量，故B正确；
CD.因大气压强不变，则随着水深度的减小，气泡的压强减小，根据气体压强的微观意义可知，气泡内分子单位时间内对气泡壁单位面积的撞击力变小，故CD错误。
11.【答案】C
【解析】热力学第一定律实质是能量守恒定律，它指出了热功等效和转换关系。热力学第二定律则描述了热现象的方向性规律。
A.两物体接触后，热量自发地从高温物体传递到低温物体，反应了热力学第二定律，但不属于热力学第一定律解释的范畴，A错误；
B.蒸汽机不能把蒸汽的内能全部转化为机械能，反应了热机的效率达不到100%，可以用热力学第二定律解释，B错误；
C.叶片搅拌绝热容器中的水，引起水温升高，表述了通过做功的手段实现机械能与内能间的转换，符合力学第一定律，C正确；
D..“能量耗散”现象符合热力学第二定律，热现象的宏观过程具有方向性，D错误。
12.【答案】ADE
【解答】
A、如果两个系统均与第三个系统处于热平衡状态，这两个系统的温度一定相等，故A正确；
B、根据△U=W+Q可知，外界做正功即W>0，有可能同时放热即Q<0，那么内能的变化不确定，故B错误；
C、根据热力学第二定律，题中所述的问题是不可能实现的，故C错误；
D、低温系统向高温系统传递热量是可以实现的，前提是要引起其他变化，故D正确；
E、绝对零度不可以达到，故E正确
13.【答案】BD
【解答】
A、座舱A中空气向真空舱B扩散，不用克服外力做功，有W=0，而这个过程中系统与外界没有热交换，有Q=0，根据热力学第一定律：△U=Q+W=0，即内能不变，故A错误。
B、W=0，即气体不做功，△U=0，即温度不变，故B正确。
C、温度是分子平均动能的标志，温度不变，分子的平均动能不变；根据理想气体状态方程pVT=C，温度不变，体积增大，则压强p减小，故C错误。
D、根据气体压强微观意义，气体压强与气体分子单位时间对气缸壁单位面积碰撞的次数、分子平均动能有关；因为分子平均动能不变，气体压强减小，所以气体分子单位时间对气缸壁单位面积碰撞的次数变少，故D正确。
14.【答案】ABC
【解答】
A.A向B撞去并瞬间锁定在一起，该过程由动量守恒定律可得：m1v0=m1+m2v，解得二者的共同速度为：v=5m/s，此后二者整体压缩弹簧，该过程满足机械能守恒，故有：12m1+m2v2=Ep，解得弹簧能获得的最大弹性势能为：Ep=25J，A正确；
B.后二者被反弹，当弹簧恢复原长时，A获得最终速度，此时由于机械能守恒可得：Ep=12m1+m2v′2，解得物块A最终的速度大小为：v′=5m/s，故B正确；
C.由动量定理可得整个过程中物块B对物块A产生的冲量大小：I=m1v′?m1v0，由于A的初末速度方向相反，故冲量的大小为：I=15N·s，故C正确；
D.由于整体过程中，只有AB二者锁定瞬间，由于二者共速有机械能损失，故整个过程中的机械能损失：ΔE=12m1v02?12m1+m2v2=25J，故D错误。
15.【答案】BDE
【解答】
A.物体吸收热量，同时对外做功，如二者相等，则内能可能不变，所以气体吸热后温度不一定升高，故A错误；
B.做功和热传递都能改变内能；所以对气体做功可以改变其内能。故B正确；
C.根据理想气体的状态方程可知，理想气体等压膨胀过程中压强不变，体积增大则气体的温度一定升高，所以气体的内能增大；气体的体积增大对外做功而内能增大，所以气体一定吸热，故C错误；
D.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，而却能自发地从高温到低温传递，故D正确；
E.根据热平衡定律可知，如果两个系统分别与状态确定的第三个系统达到热平衡，那么这两个系统彼此之间也必定达到热平衡，故E正确。
16.【答案】等容；不变；做负功；放热；TDTAVA
【解析】解：①由图知从状态A到B，对应的体积不变，故气体经历的是等容变化；
②理想气体的内能置于温度有关，从B到C的过程中温度不变，则气体的内能不变；
③从C到D的过程中体积变小，则外界对气体做功，即气体对外界做负功，但温度降低，根据热力学第一定律知气体放热；
④D→A为等压变化，根据盖吕萨克定律：VATA=VDTD
解得：VD=TDTAVA
故答案为：①等容；②不变；③做负功；④TDTAVA．
根据理想气体方程pVT=C，变形得V=CpT，C为常数，结合数学知识知V?T图象的斜率表示1p，斜率不变则压强不变．
①从状态A到B，对应的体积不变；
②温度不变，则内能不变；
③根据热力学第一定律判断气体是放热还是吸热；
④根据D→A为等压变化，由盖吕萨克定律列方程求解．
知道V?T图象中过原点的直线表示的是等压线，直线斜率越小对应的压强越大．
17.【答案】(1)放出；5×104J；
(2)C；增加
【解答】
(1)由热力学第一定律得
△U=W+Q
且由题有W=2.0×105?J，△U=1.5×105?J
解得Q=?5×104?J，所以气体放出热量为5×104J.
(2)A图表示等温变化；B图表示等容变化；C图表示等压变化，并且C图中表示温度升高，所以理想气体内能增加．
故答案为：(1)放出，5×104?J.(2)C，增加．
18.【答案】BCE
【解答】
A、从M到N理想气体温度不变，则内能不变，即，但体积减小，说明外界对气体做功，即，由热力学第一定律：，可知，所以是一个放热过程，故A错误；
B、从N到P理想气体温度升高，则内能增大，即，但体积不变，说明外界没有对气体做功，气体也没有对外界做功，即，由热力学第一定律：，可知，所以是一个吸热过程，故B正确；
C、从P到Q体积增大，说明气体对外界做功，故C正确；
D、从Q到M理想气体体积不变，说明外界没有对气体做功，气体也没有对外界做功，即，故D错误；
E、从Q到M理想气体温度降低，内能减小，故E正确；
19.【答案】增大；Q?P0v2?V1。
【解答】
温度是分子热运动平均动能的标志，温度升高，气体分子平均动能增大；
根据热力学第一定律得：ΔU=Q+W，而W=?P0SΔL=?P0ΔV=?P0(V2?V1)，所以气体内能变化了ΔU=Q?P0(V2?V1)。