物理鲁科版 (2019)第3章 热力学定律本章综合与测试随堂练习题

第3章　热力学定律

本章达标检测

(满分:100分;时间:90分钟)

一、选择题(共6小题,每小题6分,共36分)

1.(2020北京海淀中关村中学高考物理模拟试卷)一定质量的理想气体,在温度升高的过程中(　　)

A.气体的内能一定增加

B. 外界一定对气体做功

C. 气体一定从外界吸收热量

D. 气体分子的平均动能可能不变

2.(2020辽宁葫芦岛协作校一模)(多选)对于热力学定律,下列说法正确的是(　　)

A.第一类永动机不可能实现,因为违背了能量守恒定律

B.热力学第一定律指出,不可能达到绝对零度

C.热力学第一定律指出,一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的热量与外界对它所做功的和

D.热力学第二定律指出,不能从单一热源吸热全部用来对外做功而不产生其他影响

E.电冰箱的制冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界,违背了热力学第二定律

3.(2020四川宜宾叙州一中高三下第一次线上考试)(多选)关于热力学第一定律和热力学第二定律,下列说法中正确的是(　　)

A.一定质量的理想气体经历一缓慢的绝热膨胀(对外做功)过程,气体的内能减少

B.气体向真空的自由膨胀是不可逆的

C.热力学第一定律也可表述为第一类永动机不可能制成

D.热力学第二定律可描述为“不可能使热量由低温物体传递到高温物体”

E.0 ℃的水和0 ℃的冰的内能是相等的

4.(2020重庆西南大学附中高三月考)(多选)恒温环境中,在导热良好的注射器内用活塞封闭了一定质量的理想气体。用力缓慢向外拉活塞,此过程中(　　)

A.封闭气体分子间的平均距离增大

B.封闭气体分子的平均速率减小

C.活塞对封闭气体做正功

D.封闭气体的内能不变

E.封闭气体从外界吸热

5.(2020山东济南高三新高考模拟)如图所示,水平放置的封闭绝热气缸,被一锁定的绝热活塞分为体积相等的a、b两部分。已知a部分气体为1 mol氧气,b部分气体为2 mol氧气,两部分气体温度相等,均可视为理想气体。解除锁定,活塞滑动一段距离后,两部分气体各自再次达到稳定状态时,它们的体积分别为Va、Vb,温度分别为Ta、Tb。下列选项正确的是(　　)

A.Va>Vb,Ta>Tb B.Va>Vb,Ta<Tb

C.Va<Vb,Ta<Tb D.Va<Vb,Ta>Tb

6.(2020安徽滁州高三下停课不停学线上测试)(多选)如图所示为一定质量的理想气体发生状态变化的p-V图像,1、2是两条等温线,A、B是等温线1上的两点,C、D是等温线2上的两点,若气体按图线从A→B→C→D→A进行状态变化,则下列说法正确的是(　　)

A.等温线1对应的气体温度比等温线2对应的气体温度高

B.气体从状态A变化到状态B,气体一定吸收热量

C.气体从状态B变化到状态C,气体吸收的热量比气体做功多

D.气体从状态C变化到状态D,气体分子密度增大了,但气体分子的平均速率不变

E.气体从A→B→C→D→A的过程中,气体做的总功为零

二、非选择题(共5小题,64分)

7.(2020江苏南通二模)(12分)如图所示,一定质量的理想气体从状态A到状态B,再从状态B到状态C,最后从状态C回到状态A。已知气体在状态A的体积VA=3.0×10-3 m3,从B到C过程中气体对外做功1 000 J。求:

(1)气体在状态C时的体积;

(2)气体在A→B→C→A的整个过程中气体吸收的热量。

8.(2020广东实验中学高三下月考)(15分)一定质量的理想气体经历了如图所示的 A®B®C®D®A 循环,该过程每个状态视为平衡态,各状态参数如图所示。A 状态的压强为1.2 ´105 Pa,求:

(1)B 状态的温度;

(2)完成一个循环,气体与外界进行热交换转移的热量。

9.(2020江苏常州高三下检测)(10分)如图所示,圆柱形气缸竖直放置,质量m=3.0 kg,横截面积S=1.0×10-3 m2的活塞封闭一定质量的理想气体,活塞与气缸壁封闭良好,不计摩擦,不计活塞和气缸的厚度。开始时活塞距气缸底距离h1=0.50 m,此时温度T1=300 K。给缸内气体缓慢加热至T2,活塞上升到距离气缸底h2=0.80 m处,同时缸内气体内能增加250 J,已知外界大气压p0=1.0×105 Pa,取g=10 m/s2。求:

(1)缸内气体加热后的温度T2;

(2)此过程中缸内气体吸收的热量Q。

10.(2020云南临沧一中5月理综)(14分)如图所示,固定在水平面上有一开口向上的导热性能良好足够高的气缸,质量为m=5 kg、横截面面积为S=50 cm2的活塞放在大小可忽略的固定挡板上,将一定质量的理想气体封闭在气缸中,开始气缸内气体的温度为t1=27 ℃、压强为p1=1.0×105 Pa。已知大气压强为p0=1.0×105 Pa,重力加速度为g=10 m/s2。

(1)现将环境的温度缓慢升高,当活塞刚好离开挡板时,温度为多少摄氏度?

(2)继续升高环境的温度,使活塞缓慢地上升H=10 cm,在这一过程中理想气体的内能增加了18 J,则气体与外界交换的热量为多少?

11.(2020四川雅安高三上高考一诊)(13分)如图所示,一总质量m=10 kg的绝热气缸放在光滑水平面上,用横截面积S=1.0×10-2 m2的光滑绝热薄活塞将一定质量的理想气体封闭在气缸内,活塞杆的另一端固定在墙上,外界大气压强p0=1.0×105 Pa。当气体温度为27 ℃时,密闭气体的体积为2.0×10-3 m3(0 ℃对应的热力学温度为273 K)。

(1)求从开始对气体加热到气体温度缓慢升高到360 K的过程中,气体对外界所做的功;

(2)若地面与气缸间的动摩擦因数μ=0.2,现要使气缸向右滑动,则缸内气体的温度至少应降低多少摄氏度?(设最大静摩擦力与滑动摩擦力相等,活塞一直在气缸内,气体质量可忽略不计,重力加速度g取10 m/s2。)

答案全解全析

第3章　热力学定律

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一、选择题

1.A　一定质量的理想气体(不计分子势能),在温度升高的过程中,分子的平均动能增大,所以气体的内能一定增大,故A正确,D错误;根据热力学第一定律ΔU=W+Q得,内能增大,有可能是吸收热量,也有可能是外界对气体做功,故B、C错误。

2.ACD　第一类永动机要求既不消耗能量又能源源不断地对外做功,违背了能量守恒定律,所以不可能制成,故A正确;绝对零度无法达到不是由热力学第一定律指出的,故B错误;根据热力学第一定律ΔU=Q+W可知,一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的和,故C正确;热力学第二定律指出,不能从单一热源吸热全部用来对外做功而不产生其他影响,故D正确;电冰箱的制冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界,同时要消耗一定的电能,所以不违背热力学第二定律,故E错误。

3.ABC　一定质量的理想气体经历一缓慢的绝热膨胀(对外做功)过程,则Q=0,W<0,根据ΔU=W+Q可知,气体的内能减小,故A正确;热力学第二定律表明:凡是与热现象有关的宏观过程都具有方向性,是不可逆的,故气体向真空的自由膨胀是不可逆的,故B正确;热力学第一定律也可表述为第一类永动机不可能制成,故C正确;热力学第二定律可描述为“不可能使热量由低温物体传递到高温物体,而不引起其他变化”,故D错误;内能取决于物质的量、温度和体积,只有温度无法确定内能的大小,故E错误。

4.ADE　对于一定质量的某种理想气体,气体的内能和分子平均速率只取决于温度,由题目可知,温度不变,则封闭气体的内能不变,封闭气体分子的平均速率也不变,故B错误,D正确;用力向外缓慢拉动活塞过程中,气体体积增大,则分子间的平均距离增大,气体对活塞做正功,则活塞对气体做负功,故A正确,C错误;根据ΔU=W+Q可知,温度不变,则内能U不变,即ΔU=0,用力向外缓慢拉动活塞,气体体积增大,则W<0,故Q>0,即气体从外界吸收热量,故E正确。

5.D　a、b两部分气体的体积相等,温度相等,a部分气体为1 mol氧气,b部分气体为2 mol氧气,所以b部分气体分子更加稠密,压强更大。解除锁定后,活塞向a方向移动,所以Va<Vb。根据热力学第一定律:ΔU=W+Q,由于活塞及气缸均绝热,Q=0,对于a部分气体,外界对其做功,内能增加,温度升高;对于b部分的气体,对外做功,内能减少,温度降低,所以Ta>Tb。故选项D正确,A、B、C错误。

6.BCD　由题图可知,一定质量的理想气体从状态A变化到状态D的过程中,气体的压强保持不变,体积变大,温度升高;等温线1对应的气体温度比等温线2对应的气体温度低,故A错误;气体从状态A变化到状态B,温度不变,内能不变ΔU=0,体积变大,气体对外界做功W<0,根据热力学第一定律ΔU=Q+W可知,Q>0,气体一定吸收热量,故B正确;气体从状态B变化到状态C,温度升高,内能增大ΔU>0,体积变大,气体对外界做功W<0,根据热力学第一定律ΔU=Q+W可知,Q>0,而且气体吸收的热量比气体做功多,故C正确;气体从状态C变化到状态D,温度不变,体积变小,所以气体分子数密度增大,但气体分子的平均速率不变,故D正确;体积增大,气体外做功,体积减小,外界对气体对做功,p-V图像的图线与横轴围成的面积表示气体做的功,所以气体从A→B→C→D→A的过程中,气体做的总功不为零,故E错误。

二、非选择题

7.答案　(1)9.0×10-3 m3　(2)400 J

解析　(1)气体从C→A,发生等压变化=(2分)

解得VC=9.0×10-3 m3(1分)

(2)气体从A→B过程,根据查理定律=C可知气体发生等容变化,则WAB=0(2分)

气体从B→C,气体膨胀对外做功,则

WBC=-1 000 J(1分)

气体从C→A,气体体积减小,外界对气体做功,则

WCA=pC(VC-VA)=600 J(1分)

全过程中W=WAB+WBC+WCA=-400 J(1分)

初、末状态温度相同,所以全过程ΔU=0(1分)

根据热力学第一定律ΔU=Q+W(2分)

解得吸收热量Q=-W=400 J(1分)

8.答案　(1)600 K　 (2)180 J

解析　(1)理想气体从A状态到B状态的过程中,压强保持不变,根据盖—吕萨克定律有=(2分)

代入数据解得TB=TA=×300 K=600 K(1分)

(2)理想气体从A状态到B状态的过程中,外界对气体做功为

W1=-pA(VB-VA)(1分)

解得W1=-120 J(1分)

气体从B状态到C状态的过程中,体积保持不变,根据查理定律有=(2分)

解得pC=3.0×105 Pa(1分)

从C状态到D状态的过程中,外界对气体做功为

W2=pC(VC-VD)(1分)

解得W2=300 J(1分)

一次循环过程中外界对气体所做的总功为

W=W1+W2=-120 J+300 J=180 J(1分)

理想气体从A状态完成一次循环,回到A状态,始、末温度不变,所以内能不变。根据热力学第一定律ΔU=W+Q(2分)

解得Q=-180 J(1分)

故完成一个循环,气体对外界放热180 J。(1分)

9.答案　(1)480 K　(2)289 J

解析　(1)气体做等压变化,根据盖—吕萨克定律可得

=(2分)

解得T2=480 K(1分)

(2)缸内气体压强p=p0+=1.3×105 Pa(1分)

在气体膨胀的过程中,气体对外做功为W=pΔV=39 J (2分)

根据热力学第一定律有ΔU=-W+Q(2分)

得Q=ΔU+W=289 J(2分)

10.答案　(1)57 ℃　(2)73 J

解析　(1)气体的状态参量T1=(27+273)K=300 K,p1=1.0×105 Pa

对活塞由平衡条件得p2S=p0S+mg(2分)

解得p2=1.1×105 Pa(1分)

由查理定律得=(2分)

解得T2=330 K(1分)

则t2=(330-273)℃=57 ℃(2分)

(2)继续加热时,理想气体等压变化,则温度升高,体积增大,气体膨胀对外界做功,外界对气体做功为

W=-p2SH=-55 J(2分)

根据热力学第一定律ΔU=W+Q,(2分)

可得理想气体从外界吸收的热量Q=ΔU-W=73 J(2分)

11.答案　(1)40 J　(2)6 ℃

解析　(1)气体压强不变,由盖—吕萨克定律得=(2分)

解得V2=T2=2.4×10-3 m3(1分)

气体对外界所做的功W=p0·ΔV=p0(V2-V1)(2分)

代入数据解得W=40 J(1分)

(2)当气体降温,气缸刚要发生移动时,气体等容变化,则

=(2分)

对气缸,由平衡条件有p0S=p3S+μmg(2分)

代入数据解得T3=294 K(2分)

故应降温Δt=6 ℃(1分)