（北京專用）2020版高考物理總復習 第十四章 第3講 熱力學定律與能量守恒精練（含解析）

第3講　熱力學定律與能量守恒 A組　基礎(chǔ)鞏固 1.(2015北京理綜,13,6分)下列說法正確的是(　　) A.物體放出熱量,其內(nèi)能一定減小 B.物體對外做功,其內(nèi)能一定減小 C.物體吸收熱量,同時對外做功,其內(nèi)能可能增加 D.物體放出熱量,同時對外做功,其內(nèi)能可能不變 答案　C　根據(jù)熱力學第一定律ΔU=Q+W判斷,只有C項正確。 2.(2018東城一模)下列說法正確的是(　　) A.氣體對外界做功,其內(nèi)能一定減小 B.氣體從外界吸熱,其內(nèi)能一定增大 C.溫度越低,分子的平均動能越大 D.溫度越高,分子熱運動越劇烈 答案　D　根據(jù)熱力學第一定律ΔU=W+Q,氣體內(nèi)能的變化由做功和熱傳遞共同決定,不單取決于其中一個因素,因而A、B均錯誤;溫度越高,分子平均動能越大,溫度越低分子平均動能越小,所以C錯;溫度越高,分子無規(guī)則運動越劇烈,故D正確。 3.(2018海淀一模)關(guān)于熱現(xiàn)象,下列說法正確的是(　　) A.物體溫度不變,其內(nèi)能一定不變 B.物體溫度升高,其分子熱運動的平均動能一定增大 C.外界對物體做功,物體的內(nèi)能一定增加 D.物體放出熱量,物體的內(nèi)能一定減小 答案　B　由熱力學第一定律ΔU=W+Q知,物體內(nèi)能的變化由做功和熱傳遞共同決定,A、C、D錯誤。溫度是物體分子平均動能的標志,B正確。 4.(2017豐臺二模)下列說法中不正確的是(　　) A.布朗運動不是分子的熱運動 B.物體的溫度越高,分子熱運動越劇烈,分子的平均動能越大 C.當分子間距離增大時,分子間的引力和斥力都增大 D.氣體壓強產(chǎn)生的原因是大量氣體分子對器壁持續(xù)頻繁地撞擊 答案　C　當分子間距離增大時,分子間的引力和斥力都減小,C錯。 5.(2017石景山一模)快遞公司用密封性好、充滿氣體的塑料袋包裹易碎品,如圖所示。假設袋內(nèi)氣體與外界沒有熱交換,當充氣袋四周被擠壓時,袋內(nèi)氣體(　　) A.對外界做負功,內(nèi)能增大 B.對外界做負功,內(nèi)能減小 C.對外界做正功,內(nèi)能增大 D.對外界做正功,內(nèi)能減小 答案　A　無熱交換Q=0,被擠壓W>0,即外界對氣體做功。由熱力學第一定律ΔU=W+Q,可知ΔU>0,內(nèi)能增加。 6.(2018海淀二模)一定質(zhì)量的理想氣體,保持溫度不變的情況下壓縮體積,氣體壓強變大。下列說法正確的是(　　) A.氣體分子平均動能增大 B.氣體分子平均動能減小 C.單位體積內(nèi)的分子數(shù)增加 D.單位體積內(nèi)的分子數(shù)減少 答案　C　溫度是分子平均動能的標志,保持氣體的溫度不變,氣體分子的平均動能也不變,故選項A、B均錯誤;一定質(zhì)量的理想氣體分子的總數(shù)不變,當壓縮體積時,單位體積內(nèi)的分子數(shù)增加,故選項C正確,選項D錯誤。 7.一個標準大氣壓下,水在沸騰時,1 g的水由液態(tài)變成同溫度的水汽,其體積由1.043 cm3變?yōu)? 676 cm3。已知水的汽化熱為2 263.8 J/g。求: (1)體積膨脹時氣體對外界做的功W;(結(jié)果保留1位小數(shù)) (2)氣體吸收的熱量Q; (3)氣體增加的內(nèi)能ΔU。 答案　(1)169.7 J　(2)2 263.8 J　(3)2 094.1 J 解析　取1 g水為研究系統(tǒng),把大氣視作外界。1 g沸騰的水變成同溫度的水汽需要吸收熱量,同時由于體積膨脹,系統(tǒng)要對外做功,所以有ΔU<Q吸 (1)氣體在等壓(大氣壓)下膨脹做功 W=p(V2-V1)=1.013×105×(1 676-1.043)×10-6 J≈169.7 J　 (2)氣體吸收的熱量 Q=mL=1×2 263.8 J=2 263.8 J (3)根據(jù)熱力學第一定律得 ΔU=Q+W=[2 263.8+(-169.7)] J=2 094.1 J B組　綜合提能 1.下列說法正確的是(　　) A.液體中懸浮微粒的無規(guī)則運動稱為布朗運動 B.液體分子的無規(guī)則運動稱為布朗運動 C.物體從外界吸收熱量,其內(nèi)能一定增加 D.物體對外界做功,其內(nèi)能一定減少 答案　A　布朗運動是指懸浮在液體中的微粒的無規(guī)則運動,而不是液體分子的運動,故A選項正確,B選項錯誤;由熱力學第一定律ΔU=W+Q知,若物體從外界吸收熱量同時對外做功,其內(nèi)能可能不變,也可能減少,還可能增加,C選項錯誤;物體對外做功同時從外界吸熱,其內(nèi)能可能增加,也可能不變,還可能減少,D選項錯誤。 2.如圖為某種椅子與其升降部分的結(jié)構(gòu)示意圖,M、N兩筒間密閉了一定質(zhì)量的氣體,M可沿N的內(nèi)壁上下滑動。設筒內(nèi)氣體不與外界發(fā)生熱交換,在M向下滑動的過程中(　　) A.外界對氣體做功,氣體內(nèi)能增大 B.外界對氣體做功,氣體內(nèi)能減小 C.氣體對外界做功,氣體內(nèi)能增大 D.氣體對外界做功,氣體內(nèi)能減小 答案　A　在M向下滑動的過程中,M、N內(nèi)被封閉氣體體積減小,所以外界對氣體做功。由熱力學第一定律及M、N內(nèi)氣體與外界沒有熱交換可知外界對氣體做功,氣體內(nèi)能一定增加。故A正確,B、C、D錯誤。 3.(2017朝陽二模)科學精神的核心是對未知的好奇與探究。小君同學想尋找教科書中“溫度是分子平均動能的標志”這一結(jié)論的依據(jù)。她以氦氣為研究對象進行了一番探究。經(jīng)查閱資料得知:第一,理想氣體的模型為氣體分子可視為質(zhì)點,分子間除了相互碰撞外,分子間無相互作用力;第二,一定質(zhì)量的理想氣體,其壓強p與熱力學溫度T的關(guān)系式為p=nkT,式中n為單位體積內(nèi)氣體的分子數(shù),k為常數(shù)。 她猜想氦氣分子的平均動能可能跟其壓強有關(guān)。她嘗試從理論上推導氦氣的壓強,于是建立如下模型:如圖所示,正方體容器靜止在水平面上,其內(nèi)密封著理想氣體——氦氣,假設每個氦氣分子的質(zhì)量為m,氦氣分子與器壁各面碰撞的機會均等;與器壁碰撞前后瞬間,分子的速度方向都與器壁垂直,且速率不變。 請根據(jù)上述信息幫助小君完成下列問題: (1)設單位體積內(nèi)氦氣的分子數(shù)為n,且其熱運動的平均速率為v。 a.求一個氦氣分子與器壁碰撞一次受到的沖量大小I; b.求該正方體容器內(nèi)氦氣的壓強p; c.請以本題中的氦氣為例推導說明:溫度是分子平均動能(即12mv2)的標志。 (2)小君還想繼續(xù)探究機械能的變化對氦氣溫度的影響,于是進行了大膽設想:如果該正方體容器以水平速度u勻速運動,某時刻突然停下來,若氦氣與外界不發(fā)生熱傳遞,請你推斷該容器中氦氣的溫度將怎樣變化?并求出其溫度變化量ΔT。 答案　見解析 解析　(1)a.對與器壁碰撞的一個氦氣分子,由動量定理可得I=2mv b.設正方體容器某一側(cè)壁面積為S,則Δt時間內(nèi)碰壁的氦氣分子數(shù)為 N=16n·SvΔt 由動量定理得FΔt=N·I 由牛頓第三定律可得器壁受到的壓力F'=F 由壓強的定義式得p=F'S 聯(lián)立得p=13nmv2 c.由于壓強p和熱力學溫度T的關(guān)系式為p=nkT 聯(lián)立得Ek=12mv2=32kT 由上式可得:分子的平均動能Ek與熱力學溫度T成正比,故溫度是分子平均動能的標志。 (2)設正方體容器中有N'個氦氣分子,當氦氣隨容器勻速運動時,整個氣體機械運動的動能為12(N'm)u2,設此時氦氣的溫度為T1,容器內(nèi)氦氣的內(nèi)能等于分子熱運動的動能之和即N'·32kT1。 當氦氣隨容器突然停止時,氣體機械運動的動能為零,設此時氦氣溫度為T2,則該容器內(nèi)氦氣的內(nèi)能為N'·32kT2。 根據(jù)能量守恒定律有 12(N'm)u2+32N'kT1=32N'kT2 解得ΔT=T2-T1=mu23k 所以氦氣溫度升高,升高的溫度為ΔT=mu23k 6