2020屆高考物理總復(fù)習(xí) 熱學(xué) 核心素養(yǎng)提升練三十八 熱力學(xué)定律與能量守恒（含解析）新人教版選修3-3

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1、　熱力學(xué)定律與能量守恒 (45分鐘　100分) 一、選擇題(本題共5小題，每小題7分，共35分，均為多選題) 1.關(guān)于熱現(xiàn)象和內(nèi)能，下列說(shuō)法正確的是 (　　) A.做功和熱傳遞都能改變物體的內(nèi)能 B.溫度升高，物體內(nèi)分子的平均動(dòng)能一定增加 C.外界對(duì)氣體做了功，則氣體的溫度一定升高 D.一定質(zhì)量的氣體，體積不變時(shí)，溫度越高，內(nèi)能越大 E.氣體能夠充滿(mǎn)容器的整個(gè)空間，是由于氣體分子間呈現(xiàn)出斥力的作用 【解析】選A、B、D。改變物體內(nèi)能的方式有兩種：做功和熱傳遞，故A項(xiàng)正確；溫度是分子平均動(dòng)能的標(biāo)志，溫度升高，物體內(nèi)分子的平均動(dòng)能一定增加，故B項(xiàng)正確；根據(jù)熱力學(xué)第一定律可知，ΔU

2、=W+Q，當(dāng)外界對(duì)氣體做了功，同時(shí)對(duì)外放熱，氣體的內(nèi)能可能不變，溫度不變，也可能內(nèi)能減小，溫度降低，故C項(xiàng)錯(cuò)誤；溫度是一定質(zhì)量理想氣體內(nèi)能的標(biāo)志，溫度越高，內(nèi)能增大，故D項(xiàng)正確；氣體分子間距離很大，分子作用力很弱，之所以能夠充滿(mǎn)整個(gè)容器，是由于氣體分子在永不停息地做無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，故E項(xiàng)錯(cuò)誤。 2.(2018·惠州模擬)對(duì)于一定量的稀薄氣體，下列說(shuō)法正確的是 (　　) A.氣體分子間距離增大，分子勢(shì)能一定增大 B.若氣體的壓強(qiáng)和體積都不變，其內(nèi)能也一定不變 C.在完全失重的狀態(tài)下，氣體的壓強(qiáng)為零 D.如果氣體從外界吸收熱10 J，同時(shí)對(duì)外做功8 J，則該氣體的內(nèi)能一定增大 2 J E

3、.氣體溫度不變時(shí)，體積減小，則每秒撞擊單位面積器壁的分子數(shù)增多 【解析】選B、D、E。分子勢(shì)能的大小隨分子間距離的增加先減小后增大，由于最初分子間距的大小不定，所以分子間距離增大時(shí)，分子勢(shì)能不一定增大，故A項(xiàng)錯(cuò)誤；一定量的稀薄氣體可看作理想氣體，若氣體的壓強(qiáng)和體積不變，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程=C，可知溫度不變，而溫度是一定質(zhì)量理想氣體內(nèi)能的唯一標(biāo)志，所以?xún)?nèi)能一定不變，故B項(xiàng)正確；氣體壓強(qiáng)是由于氣體分子熱運(yùn)動(dòng)撞擊器壁形成的，在完全失重狀態(tài)下，氣體分子的撞擊仍然存在，故氣體的壓強(qiáng)不為零，故C項(xiàng)錯(cuò)誤；氣體從外界吸收熱10 J，即：Q=10 J，氣體對(duì)外做功8 J，即：W=-8 J；根據(jù)熱力學(xué)第一定律

4、ΔU=W+Q可解得：ΔU=2 J，即氣體內(nèi)能一定增大2 J，故D項(xiàng)正確；一定質(zhì)量的氣體溫度不變時(shí)，分子運(yùn)動(dòng)的激烈程度不變，體積減小則單位體積內(nèi)分子的個(gè)數(shù)增加，壓強(qiáng)增大，說(shuō)明每秒撞擊單位面積器壁的分子數(shù)增多，故E項(xiàng)正確。 【加固訓(xùn)練】 (多選)(2018·開(kāi)封模擬)對(duì)于一定質(zhì)量的理想氣體，下列說(shuō)法正確的是(　　) A.體積不變，壓強(qiáng)減小的過(guò)程，氣體一定放出熱量，內(nèi)能減小 B.若氣體內(nèi)能增加，則外界一定對(duì)氣體做功 C.若氣體的溫度升高，則每個(gè)氣體分子的速度一定增大 D.若氣體壓強(qiáng)不變，氣體分子平均距離增大時(shí)，則氣體分子的平均動(dòng)能一定增大 E.氣體對(duì)器壁的壓強(qiáng)是由大量氣體分子對(duì)器壁不

5、斷碰撞而產(chǎn)生的 【解析】選A、D、E。理想氣體體積不變，根據(jù)查理定律，壓強(qiáng)與熱力學(xué)溫度成正比，壓強(qiáng)減小，溫度降低，內(nèi)能減小ΔU<0，因?yàn)轶w積不變，外界對(duì)氣體不做功W=0，根據(jù)熱力學(xué)第一定律ΔU=W+Q，知Q<0，氣體放出熱量，故A項(xiàng)正確；若氣體內(nèi)能增加則ΔU>0，根據(jù)熱力學(xué)第一定律ΔU=W+Q，可能氣體從外界吸熱大于氣體對(duì)外做功，或者不做功僅吸熱，故B項(xiàng)錯(cuò)誤；溫度升高，分子的平均動(dòng)能增加，分子的平均速率增加，但并不是每個(gè)分子的速度都增大，故C項(xiàng)錯(cuò)誤；若氣體壓強(qiáng)不變，根據(jù)蓋-呂薩克定律知體積與熱力學(xué)溫度成正比，氣體分子平均距離增大，體積增大，溫度升高，氣體分子的平均動(dòng)能一定增大，故D項(xiàng)正確；從

6、微觀(guān)角度講，被封閉氣體對(duì)器壁的壓強(qiáng)是由大量氣體分子對(duì)器壁的不斷碰撞而產(chǎn)生的，故E項(xiàng)正確。 3.關(guān)于熱力學(xué)定律，以下說(shuō)法正確的是 (　　) A.熱力學(xué)第一定律是能量守恒定律在熱力學(xué)中的體現(xiàn)，否定了創(chuàng)造和消滅能量的可能性，告訴我們第一類(lèi)永動(dòng)機(jī)不可能制成 B.熱力學(xué)第二定律反映了一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀(guān)自然過(guò)程都具有方向性，告訴我們第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)不可能制成 C.做功和熱傳遞都能改變物體的內(nèi)能，根據(jù)最后的結(jié)果可以區(qū)分是做功還是熱傳遞使物體溫度升高的 D.熱力學(xué)第一定律指出內(nèi)能可以與其他形式的能相互轉(zhuǎn)化，熱力學(xué)第二定律指出內(nèi)能不可能完全轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，故二者是相互矛盾的 E.熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)

7、第二定律分別從不同的角度揭示了與熱現(xiàn)象有關(guān)的物理過(guò)程所遵循的規(guī)律，二者相互獨(dú)立，又相互補(bǔ)充，都是熱力學(xué)的理論基礎(chǔ) 【解析】選A、B、E。做功和熱傳遞都能改變物體的內(nèi)能，根據(jù)最后的結(jié)果無(wú)法判斷是做功還是熱傳遞使物體溫度升高的，故C項(xiàng)錯(cuò)誤；熱力學(xué)第一定律是能量守恒定律在熱現(xiàn)象中的體現(xiàn)，熱力學(xué)第二定律則指出了能量轉(zhuǎn)化的方向性，二者并不矛盾，故D項(xiàng)錯(cuò)誤。 4.(2018·衡水模擬)關(guān)于熱力學(xué)定律，下列說(shuō)法正確的是 (　　) A.科技的進(jìn)步使得絕對(duì)零度可以實(shí)現(xiàn) B.在某一變化過(guò)程中外界對(duì)氣體做功，而氣體的內(nèi)能反而減小是可能的 C.5 ℃的水和5 ℃的紅墨水混合后，由于擴(kuò)散現(xiàn)象，混合溶液的溫

8、度會(huì)升高 D.任何熱機(jī)都工作在兩個(gè)熱源之間，在外界作用下可實(shí)現(xiàn)從低溫?zé)嵩刺幬鼰岫诟邷責(zé)嵩刺幏艧? E.熵為物體內(nèi)分子運(yùn)動(dòng)無(wú)序程度的量度，氣體向真空膨脹時(shí)不對(duì)外做功，但系統(tǒng)的熵是增加的 【解析】選B、D、E。絕對(duì)零度不可能達(dá)到，故A項(xiàng)錯(cuò)誤；做功和熱傳遞在改變物體內(nèi)能的效果上是相當(dāng)?shù)模谀骋蛔兓^(guò)程中外界對(duì)氣體做的功較少，而氣體對(duì)外放出的熱量較多，由ΔU=Q+W知其內(nèi)能必減小，故B項(xiàng)正確；5 ℃的水和5 ℃的紅墨水混合，雖然擴(kuò)散現(xiàn)象發(fā)生，但原來(lái)溫度相同，已經(jīng)達(dá)到了熱平衡態(tài)，混合后的溫度不變，分子運(yùn)動(dòng)的劇烈程度也不變，故C項(xiàng)錯(cuò)誤；任何熱機(jī)都工作在兩個(gè)熱源之間，不存在工作在單熱源狀態(tài)下的熱機(jī)，熱

9、量能自發(fā)地從高溫?zé)嵩磦飨虻蜏責(zé)嵩?，但要從低溫?zé)嵩刺幬鼰岫诟邷責(zé)嵩刺幏艧幔仨氂型饬ψ龉?，迫使工質(zhì)循環(huán)，故D項(xiàng)正確；由熱力學(xué)第二定律知熵為物體內(nèi)分子運(yùn)動(dòng)無(wú)序程度的量度，涉及熱現(xiàn)象的宏觀(guān)過(guò)程熵總是增加的，故E項(xiàng)正確。 5.(2017·全國(guó)卷Ⅲ)如圖所示，一定質(zhì)量的理想氣體從狀態(tài)a出發(fā)，經(jīng)過(guò)等容過(guò)程ab到達(dá)狀態(tài)b，再經(jīng)過(guò)等溫過(guò)程bc到達(dá)狀態(tài)c，最后經(jīng)等壓過(guò)程ca回到狀態(tài)a。下列說(shuō)法正確的是 (　　) A.在過(guò)程ab中氣體的內(nèi)能增加 B.在過(guò)程ca中外界對(duì)氣體做功 C.在過(guò)程ab中氣體對(duì)外界做功 D.在過(guò)程bc中氣體從外界吸收熱量 E.在過(guò)程ca中氣體從外界吸收熱量 【解析】

10、選A、B、D。在過(guò)程ab中，氣體體積不變，外界不對(duì)氣體做功，氣體也不對(duì)外做功，即W=0，壓強(qiáng)增大，溫度升高，內(nèi)能增加，A正確，C錯(cuò)誤；在過(guò)程ca中，氣體體積減小，外界對(duì)氣體做功，即W>0，B正確；在過(guò)程bc中，溫度不變，內(nèi)能不變，即ΔU=0，體積增加，W<0，由熱力學(xué)第一定律ΔU=W+Q，Q>0，即氣體從外界吸熱，D正確；在過(guò)程ca中，壓強(qiáng)不變，體積減小，溫度降低，即W>0，ΔU<0，由ΔU=W+Q可知Q<0，故氣體向外界放出熱量，E錯(cuò)誤。 【加固訓(xùn)練】 (2018·佛山模擬)一定質(zhì)量的理想氣體經(jīng)歷了如圖所示的狀態(tài)變化，問(wèn)： (1)若從A到B的過(guò)程中，氣體的內(nèi)能減少了300 J，則

11、從A到B氣體吸收或放出的熱量是多少？ (2)如果知道氣體由A狀態(tài)經(jīng)B、C到D狀態(tài)的過(guò)程中，氣體的最高溫度T=800 K，則氣體在此過(guò)程中達(dá)到的最低溫度是多少？ 【解析】(1)從A到B，外界對(duì)氣體做功，有： W=pΔV=20×104×(4-2)×10-3 J=400 J 根據(jù)熱力學(xué)第一定律： ΔU=W+Q 可得：Q=ΔU-W=-700 J 故氣體放熱700 J。 (2)根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程為一定值， 可判定C狀態(tài)溫度最低，D狀態(tài)溫度最高，故： TD=T=800 K 根據(jù)理想氣體的狀態(tài)方程可得： = 代入圖象中數(shù)據(jù)解得： TC== K=133.3 K 答案：(1)放出

12、熱量700 J　(2)133.3 K 二、計(jì)算題(本題共4小題，共65分) 6.(15分)某同學(xué)制作了一個(gè)簡(jiǎn)易溫度計(jì)：如圖，一根兩端開(kāi)口的玻璃管水平穿過(guò)玻璃瓶口處的橡皮塞，玻璃管內(nèi)有一段長(zhǎng)度可忽略的水銀柱。當(dāng)溫度為T(mén)= 280 K時(shí)，水銀柱剛好處在瓶口位置，此時(shí)該裝置密封氣體的體積V=480 cm3。已知大氣壓強(qiáng)為p0=1.0×105 Pa，玻璃管內(nèi)部橫截面積為S=0.4 cm2，瓶口外玻璃管的長(zhǎng)度為L(zhǎng)=48 cm。 求：(1)該溫度計(jì)能測(cè)量的最高溫度。 (2)假設(shè)水銀柱從瓶口處緩慢移動(dòng)到最右端的過(guò)程中，密封氣體從外界吸收Q=7 J熱量，問(wèn)在這一過(guò)程中該氣體的內(nèi)能如何變化？變化了

13、多少？ 【解析】(1)當(dāng)水銀柱到達(dá)管口時(shí)，所測(cè)氣溫最高，設(shè)為T(mén)2，此時(shí)氣體體積為V2； 初狀態(tài)：T1=280 K， V1=480 cm3 末狀態(tài)：V2=480+48×0.4=499.2 cm3 由等壓變化知：= 代入數(shù)據(jù)解得：T2=291.2 K=18.2 ℃。 (2)水銀柱向右移動(dòng)過(guò)程中，外界對(duì)氣體做功為： W=-p0SL=-1.0×105×0.4×10-4×0.48=-1.92 J； 由熱力學(xué)第一定律可知： 內(nèi)能變化量為：ΔU=W+Q 代入數(shù)據(jù)解得：ΔU=5.08 J； 即內(nèi)能增加了5.08 J。 答案：(1)18.2 ℃　(2)內(nèi)能增加　5.08 J 【加固訓(xùn)

14、練】 (2018·達(dá)州模擬)在圖甲所示的密閉汽缸內(nèi)裝有一定質(zhì)量的理想氣體，圖乙是它從狀態(tài)A變化到狀態(tài)B的V-T圖象。已知AB的反向延長(zhǎng)線(xiàn)通過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)，氣體在A(yíng)點(diǎn)的壓強(qiáng)為p=1.0×105 Pa，在從狀態(tài)A變化到狀態(tài)B的過(guò)程中，氣體吸收的熱量Q=6.0×102 J，求： (1)氣體在狀態(tài)B的體積VB。 (2)此過(guò)程中氣體內(nèi)能的增量ΔU。 【解析】(1)由V-T圖象通過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)，則知從A到B理想氣體發(fā)生等壓變化。由蓋—呂薩克定律得：= 解得：VB=VA=8.0×10-3 m3 (2)外界對(duì)氣體做的功： W=-p(VB-VA)=-2×102 J 根據(jù)熱力學(xué)第一定律： ΔU=Q

15、+W 解得：ΔU=400 J 答案：(1)8.0×10-3 m3　(2)400 J 7.(16分)(2018·淄博模擬)如圖所示，某小組在一次實(shí)驗(yàn)中，將底面積S=30 cm2、導(dǎo)熱性良好的薄壁圓筒開(kāi)口向下豎直緩慢地放入水中，筒內(nèi)封閉了一定質(zhì)量的氣體(可視為理想氣體)。當(dāng)筒底與水面相平時(shí)，圓筒恰好靜止在水中，此時(shí)水的溫度t1=7 ℃，筒內(nèi)氣柱的長(zhǎng)度h1=14 cm，若大氣壓強(qiáng)p0=1.0×105 Pa，水的密度ρ=1.0×103 kg/m3，重力加速度g取10 m/s2(計(jì)算結(jié)果保留3位有效數(shù)字)。 (1)當(dāng)水的溫度緩慢升高至27 ℃時(shí)，筒底露出水面一定高度。該過(guò)程中，氣體吸收的熱

16、量為5 J，則氣體的內(nèi)能變化了多少？ (2)若水溫升至27 ℃后保持不變，用力將圓筒緩慢下移至某一位置(水足夠深)，撤去該力后圓筒恰能靜止，求此時(shí)筒底到水面的距離H。 【解題指導(dǎo)】解析本題應(yīng)注意以下兩點(diǎn)： (1)以封閉氣體和圓筒為研究對(duì)象，分析氣體狀態(tài)變化過(guò)程(等溫變化，等容變化)。 (2)對(duì)封閉氣體運(yùn)用玻意耳定律，求出封閉氣體的長(zhǎng)度變化量Δh，即可求出外界對(duì)氣體做功，結(jié)合熱力學(xué)第一定律，可解出氣體的內(nèi)能的變化。 【解析】(1)設(shè)溫度升高后圓筒內(nèi)外液面高度差為h2，圓筒質(zhì)量為m，封閉氣體發(fā)生等壓變化 初態(tài)：體積V1=h1S，溫度T1=280 K 末態(tài)：體積V2=(h2+Δh)S，

17、溫度T2=300 K 根據(jù)蓋—呂薩克定律可得： = 解得：h2+Δh=15 cm=0.15 m 圓筒靜止，筒內(nèi)外液面高度差不變， 則h2=0.14 m， 故Δh=0.15 m-0.14 m=0.01 m 圓筒的橫截面積：S=30 cm2=0.003 m2 外界對(duì)氣體做功： W=-(ρgh1+p0)SΔh 代入數(shù)據(jù)可得：W=-3.04 J 根據(jù)熱力學(xué)第一定律可得： ΔU=W+Q 可知：ΔU=5 J-3.04 J=1.96 J 即該過(guò)程中氣體內(nèi)能增加了1.96 J (2)設(shè)圓筒懸浮時(shí)封閉氣體的長(zhǎng)度為h3 桶底恰與水面齊平時(shí)有： ρgh1S=mg 圓筒后來(lái)平衡時(shí)有

18、： ρgh3S=mg 所以有：h1=h3 故該過(guò)程中，封閉氣體發(fā)生等容變化， 初態(tài)：壓強(qiáng)p1=ρgh1+p0，溫度：T1=280 K 末態(tài)：壓強(qiáng)p3=ρg(h1+H)+p0， 溫度：T3=300 K 根據(jù)查理定律可得：= 解得此時(shí)筒底到水面的距離： H=72.4 cm。 答案：(1)1.96 J　(2)72.4 cm 8.(16分)如圖所示，缸壁光滑的柱形汽缸固定在水平面上，中間開(kāi)口與大氣相通，大氣壓強(qiáng)p0=1×105 Pa，一勁度系數(shù)k=1×103 N/m的彈簧與兩活塞連接，處于原長(zhǎng)，活塞截面積S=1×10-3 m2。A、B兩室有同種理想氣體，壓強(qiáng)均為p0，兩活塞距左、

19、右兩壁均為l0=0.10 m，除B室右壁導(dǎo)熱外，其他缸壁和活塞均絕熱?，F(xiàn)對(duì)左室緩慢加熱，當(dāng)A室氣體吸收1 000 J的熱量時(shí)它對(duì)活塞做了200 J的功，B室活塞向右移動(dòng)了0.02 m，該過(guò)程中設(shè)外界溫度保持不變，A、B氣室均不漏氣。求： (1)A中氣體內(nèi)能的變化量。 (2)A中活塞移動(dòng)的距離。 【解析】(1)由題意得：A室氣體Q=1 000 J、 W=-200 J 由熱力學(xué)第一定律得： ΔU=Q+W=1 000-200 J=800 J 即內(nèi)能增加800 J。 (2)B室氣體等溫變化，由玻意耳定律得： p0l0S=plS l=l0-0.02 m=0.08 m 代入數(shù)據(jù)解

20、得：p=1.25×105 Pa B中活塞受力平衡：p0S+kx=pS 代入數(shù)據(jù)解得：x=0.025 m 所以A中活塞向右移動(dòng)：x+0.02 m=0.045 m 答案：(1)800 J　(2)0.045 m 9.(18分)(2019·荊州模擬)如圖所示的p-V圖象記錄了一定量的理想氣體經(jīng)歷的緩慢變化過(guò)程A→B→C，其中AB段是體積保持不變的過(guò)程，BC段是絕熱過(guò)程。已知該理想氣體內(nèi)能與溫度的關(guān)系為U=CT，其中C=10 J/K，A點(diǎn)的熱力學(xué)溫度為T(mén)A=450 K。試求B→C過(guò)程中外界對(duì)氣體所做的功。 【解析】A→B過(guò)程為等容變化，由查理定律得 = 解得：TB== K=189 K 等容過(guò)程沒(méi)有做功，由熱力學(xué)第一定律，此過(guò)程放熱 根據(jù)理想氣體內(nèi)能與溫度的關(guān)系為U=CT得： 放出熱量為：Q=C(TA-TB)=2 610 J 對(duì)A、C兩狀態(tài)由理想氣體狀態(tài)方程得： = 代入數(shù)據(jù)解得：TC=300 K B→C過(guò)程無(wú)熱傳遞，A→B過(guò)程無(wú)做功， 對(duì)A→B→C全過(guò)程由熱力學(xué)第一定律得： C(TC-TA)=W-Q 即B→C過(guò)程外界對(duì)氣體做功為： W=Q+C(TC-TA)=2 610 J+10×(300-450)J=1 110 J 答案：1 110 J - 11 -