备战2024新高考15热力学定律、气体实验定律、气体图像、理想气体状态方程的应用专练及解析

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一、热力学定律
1.热力学第一定律的特殊情况
(1)若过程是绝热的，则Q＝0，W＝ΔU，外界对物体做的功等于物体内能的增加。
(2)若过程中不做功，则W＝0，Q＝ΔU，物体吸收的热量等于物体内能的增加。
(3)若过程的始、末状态物体的内能不变，则W＋Q＝0，即物体吸收的热量全部用来对外做功，或外界对物体做的功等于物体放出的热量。
2.热力学第一、第二定律的比较
二、气体实验定律
两个重要的推论
（1）查理定律的推论:Δp=p1T1ΔT
（2）盖-吕萨克定律的推论:ΔV=V1T1ΔT
三、理想气体的常见图像
1．一定质量的气体不同图像的比较
[注意]上表中各个常量“C”意义有所不同。可以根据pV＝nRT确定各个常量“C”的意义。
四、理想气体状态方程与气体实验定律的关系
p1V1T1=p2V2T2温度不变:p1V1=p2V2：玻意耳定律体积不变:p1T1=p2T2：查理定律压强不变:V1T1=V2T2：盖—吕萨克定律
【题型一】热力学定律
【典例1】（2024·北京丰台·一模）如图所示，一定质量的理想气体从状态A等压变化到状态B，下列说法正确的是（ ）
A．气体一定吸收热量B．分子的平均动能减小
C．气体的内能可能减少D．单位体积内的分子数增加
【典例2】在下列叙述中，正确的是（ ）
A．随着科技的发展，今后温度可以达到绝对零度
B．布朗运动就是液体分子的热运动
C．让一定质量的气体吸收热量，其内能可能减小
D．分子间的距离r存在某一值r0，此位置分子力为零。若r【典例3】①摩擦生热、②弹簧振子振动、③热传递和④气体自由膨胀，上述现象中能表明物理过程具有单向性的是（ ）
A．①、②和③B．②、③和④
C．①、②和④D．①、③和④
1．下列说法正确的是（ ）
A．射线、射线和射线是三种波长不同的电磁波
B．根据玻尔理论可知，氢原子核外电子跃迁过程中电子的电势能和动能之和不守恒
C．分子势能随着分子间距离的增大，可能先增大后减小
D．只要对物体进行不断的冷却，就可以把物体的温度降为绝对零度
2．斯特林发动机是独特的热机，它的效率几乎等于理论最大效率，称为卡诺循环效率。该发动机工作中经过由两个等容过程和两个等温过程组成的可逆循环，被称之为斯特林循环。如图所示，一定质量的理想气体，依次经过A→B→C→D→A循环，对此气体下列说法正确的是（ ）
A．A到B过程，气体放出热量
B．C到D过程，温度降低，每个气体分子运动速率都变小
C．D到A过程，气体分子单位时间内与器壁单位面积碰撞的次数减少
D．经过如图所示的一个斯特林循环过程，气体从外界吸收热量
3．（2024·山东聊城·一模）下列说法正确的是（ ）
A．某人搬家时将走时准确的摆钟从广州带到北京，摆钟走时变慢了
B．相同温度下液体中悬浮的花粉小颗粒越小，布朗运动越剧烈
C．热量自发地从低温物体传到高温物体是可以实现的
D．一定质量的理想气体保持压强不变，温度升高，单位时间内撞击器壁单位面积上的分子数减少
【题型二】 气体实验定律
【典例1】（2024·河北唐山·一模）如图所示，上端封闭下端开口的玻璃管在外力F的作用下，静止在水中，管内封闭一定质量的理想气体。调整F的大小，使玻璃管缓慢向下移动一小段距离，下列说法正确的是（ ）
A．气体的体积变大B．外力F变小
C．管中水面与管外水面高度差不变D．气体的压强变大
【典例2】（2024·四川南充·二模）如图甲为某种转椅的结构示意图，其升降部分由M、N两筒组成，两筒间密闭了一定质量的理想气体。图乙为气体分子速率分布曲线，初始时刻筒内气体所对应的曲线为b、人坐上椅子后M迅速向下滑动，设此过程筒内气体不与外界发生热交换，则此过程中（ ）
A．密闭气体压强增大，分子平均动能增大
B．外界对气体做功，气体分子的密集程度保持不变
C．密闭气体内能增大，容器壁单位面积单位时间内受到气体分子撞击的次数增加
D．密闭气体的分子速率分布曲线可能会变成a曲线
E．密闭气体的分子速率分布曲线可能会变成c曲线
【典例3】（2024·湖北·二模）某物理兴趣小组受“蛟龙号”载人潜水器的启发，设计了一个测定水深的深度计。如图，导热性能良好的汽缸Ⅰ、Ⅱ内径相同，长度均为L，内部分别有轻质薄活塞A、B，活塞密封性良好且可无摩擦左右滑动，汽缸Ⅰ左端开口。外界大气压强为，汽缸Ⅰ内通过活塞A封有压强为的气体，汽缸Ⅱ内通过活塞B封有压强为的气体，一细管连通两汽缸，初始状态A、B均位于汽缸最左端。该装置放入水下后，通过A向右移动的距离可测定水的深度。已知相当于h高的水柱产生的压强，不计水温变化，装置的内径远小于水的深度，被封闭气体视为理想气体。
（1）当A向右移动时，求该深度计所处位置水的深度；
（2）求该深度计能测量的最大水深。
1．（2024·河北·模拟预测）某同学制作了一个简易的大气压强测量计。如图所示，用胶塞封闭体积为的广口瓶。U形玻璃管倒插入广口瓶，用胶管与直玻璃管连接，内部充有一定水。测量时首先打开胶塞再重新封闭，调整胶管使U形管水面与直玻璃管水面相平，并记录U形管左侧水面位置k。现用容积为的注射器注入与大气压强相等的气体，上下调整直玻璃管，使U形管左侧水面仍在k位置，测出直玻璃管液面p到k位置的高度差为，已知水的密度为，重力加速度为g，不计U形管的体积，则大气压强为（ ）
A．B．C．D．
2．（2024·河南周口·二模）如图，容积为的汽缸竖直放置，导热良好，右上端有一阀门连接抽气孔。汽缸内有一活塞，初始时位于汽缸底部高度处，下方密封有一定质量、温度为的理想气体。现将活塞上方缓慢抽至真空并关闭阀门，然后缓慢加热活塞下方气体。已知大气压强为，活塞产生的压强为，活塞体积不计，忽略活塞与汽缸之间摩擦。则在加热过程中（ ）
A．开始时，活塞下方体积为
B．温度从升至，气体对外做功为
C．温度升至时，气体压强为
D．温度升至时，气体压强为
3．（23-24高三下·黑龙江·阶段练习）如图甲所示，型活塞固定在水平面上，一定质量的理想气体被封闭在导热性能良好的、质量为的汽缸中，活塞截面积为，活塞与汽缸内壁无摩擦且不漏气，大气压强为。重力加速度取，改变环境温度，缸内气体体积随温度变化如图乙所示，求：
（1）从状态A变化到状态，气体温度升高多少；
（2）在状态时，活塞对卡口的作用力多大。
【题型三】 气体图像
【典例1】（2024·新疆乌鲁木齐·二模）一空心弹力球内充有一定质量的理想气体，若用手指将弹力球迅速捏瘪后又恢复原状的过程可视为绝热过程，球内气体的压强、体积和温度分别用p、V和T表示，下列关于该过程的图像可能正确的是（ ）
A．B．
C．D．
【典例2】（2024·湖北·二模）如图为一定质量的理想气体经历a→b→c过程的压强p 随摄氏温度t变化的图像，其中ab平行于 t轴，cb 的延长线过坐标原点。下列判断正确的是（ ）
A．a→b过程，所有气体分子的运动速率都减小
B．a→b过程，单位时间撞击单位面积器壁的分子数增加
C．b→c过程，气体体积保持不变，从外界吸热，内能增加
D．b→c过程，气体膨胀对外界做功，从外界吸热，内能增加
【典例3】（2024·内蒙古包头·二模）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a、其p﹣V图像如图所示。ab、bc、ca皆为直线，ca平行于p轴，bc平行于V轴。关于理想气体经历的三个过程，下列说法正确的是（ ）
A．ca过程中，温度升高
B．a、b两个状态下的气体温度相等
C．ca过程中，外界一定对气体做功
D．bc过程中，气体一定向外界放热
E．ab过程中，气体分子的平均动能先变大后变小
1．（2024·北京延庆·一模）一定质量的理想气体从状态a开始，经历三个过程，先后到达状态b和c，最后回到原状态a，其p­T图像如图所示。下列判断正确的是（ ）
A．从状态a到状态b的过程中，气体既不吸热也不放热
B．从状态b到状态c的过程中，气体的内能增加
C．从状态c到状态a的过程中，气体的体积不变
D．a、b和c三个状态中，状态a时分子的平均动能一定最大
2．（2024·青海海东·二模）一定质量的某种理想气体，在不同温度下的气体热运动速率的统计分布图如图所示。下列说法正确的是（ ）
A．温度升高，图像的极值变大
B．温度升高，图像的极大值点变大
C．气体在状态②时具有的内能较大
D．温度升高时每个分子的动能都增大
E．两图像与横轴围成的面积相等
3．（2024·安徽·一模）如图，是一定质量的理想气体状态变化过程的图像．气体先由a状态沿双曲线变化到b状态，再沿与横轴平行的直线变化到c状态．最后沿与纵轴平行的直线回到a状态．以下说法中错误的是（ ）
A．过程气体温度不变
B．过程气体放出热量
C．过程气体对外界做功，同时吸收热量
D．过程气体放出热量
【题型四】 理想气体状态方程
【典例1】（2024·全国·模拟预测）一定质量的理想气体从状态A变化到状态B，其状态变化过程的图像如图所示，AB为倾斜直线，C为AB的中点，下列说法正确的是（ ）
A．从状态A到状态C是等温过程
B．从状态A到状态B气体的温度一直降低
C．从状态A到状态C的过程中气体一定吸热
D．从状态A到状态B的过程中气体对外所做的功等于气体吸收的热量
【典例2】（2024·河北保定·一模）一定质量的理想气体，从状态A开始，经历B、C两个状态又回到状态A，压强p与体积V的关系图像如图所示，与横轴平行，等腰的面积为，的反向延长线经过坐标原点O，已知气体在状态C的温度为，再根据图像所提供的其它已知信息，下列说法正确的是（ ）
A．气体在状态A的体积为B．气体在状态B的压强为
C．气体在状态A的温度为D．从状态B到状态C，外界对气体做的功为
【典例3】（2024·云南昭通·模拟预测）一定质量的理想气体，从A状态经B、C变化到D状态的变化过程的图像如图所示，AB与横轴平行，BC与纵轴平行，ODC在同一直线上．已知气体在A状态时温度为，从A状态至C状态的过程中气体吸收了的热量，求：
（1）气体在D状态时的温度；
（2）从A状态到C状态的过程中，气体内能的改变量。
1．（2024·吉林·一模）如图所示为一定质量的理想气体从状态a→b→c→d→a过程的图像，其中ac的连线过原点，bc、da连线与横轴平行，cd连线与纵轴平行。则下列说法正确的是（ ）
A．从状态a到状态b，气体对外做正功
B．从状态b到状态c，单位时间、单位面积撞击器壁的分子数不变
C．从状态c到状态d，气体向外放出热量
D．a到b气体对外做的功等于c到d外界对气体做的功
2．（2024·江西九江·二模）一定质量的理想气体从状态a开始，经，，三个过程后回到初始状态a，其图像如图所示。下列说法正确的是（ ）
A．在a→b过程中，单位时间、单位面积与器壁碰撞的分子数减少热力学第一定律
热力学第二定律
定律揭示的问题
从能量守恒的角度揭示了功、热量和内能改变量三者的定量关系
自然界中出现的宏观过程是有方向性的
机械能和内能的转化
当摩擦力做功时，机械能可以全部转化为内能
内能不可能在不引起其他变化的情况下完全变成机械能
热量的传递
热量可以从高温物体自发传向低温物体
说明热量不能自发地从低温物体传向高温物体
两定律的关系
在热力学中，两者既相互独立，又互为补充，共同构成了热力学知识的理论基础
类别
特点(其中C为常量)
举例
p­V
pV＝CT，即pV之积越大的等温线温度越高，线离原点越远
p­eq \f(1,V)
p＝CTeq \f(1,V)，斜率k＝CT，即斜率越大，温度越高
p­T
p＝eq \f(C,V)T，斜率k＝eq \f(C,V)，即斜率越大，体积越小
V­T
V＝eq \f(C,p)T，斜率k＝eq \f(C,p)，即斜率越大，压强越小
B．在b→c过程中，气体增加的内能等于从外界吸收的热量
C．在c→a过程中，气体既不吸热也不放热
D．气体由a→b放出的热量大于由b→c气体吸收的热量
3．（2023·广东·高考真题）在驻波声场作用下，水中小气泡周围液体的压强会发生周期性变化，使小气泡周期性膨胀和收缩，气泡内气体可视为质量不变的理想气体，其膨胀和收缩过程可简化为如图所示的图像，气泡内气体先从压强为、体积为、温度为的状态等温膨胀到体积为、压强为的状态，然后从状态绝热收缩到体积为、压强为、温度为的状态到过程中外界对气体做功为．已知和．求：

（1）的表达式；
（2）的表达式；
（3）到过程，气泡内气体的内能变化了多少？