1、热力学定律与能量守恒(建议用时45分钟)1.(多选)(2020成都模拟)下列说法正确的是() A.分子间距离增大时,分子间的引力和斥力都减小B.布朗运动就是气体或液体分子的无规则运动C.分子力减小时,分子势能不一定减小D.做功和热传递在改变系统内能方面是不等价的E.第二类永动机虽不违背能量转化与守恒定律,但也是不可能制成的【解析】选A、C、E。分子间距离增大时,分子间的引力和斥力都减小,故A正确;布朗运动是悬浮在液体中的固体小颗粒的无规则运动,是液体分子的无规则运动的反映,不是分子的运动,故B错误;根据分子力曲线可知,分子距离小于平衡距离时,表现为斥力,距离增大,分子力减小,分子力做正功,分子
2、势能减小;当分子间的距离大于平衡距离时,分子力表现为引力,分子力先增大后减小,距离增大,分子力做负功,分子势能增大,所以分子力减小时,分子势能不一定减小,故C正确。做功和热传递在改变系统内能方面是等价的,故D错误;第二类永动机虽不违背能量守恒定律,但违反热力学第二定律,仍不可能制成,故E正确。2.(多选)气象探测气球内充有常温常压的氦气,从地面上升至某高空的过程中,气球内氦气的压强随外部气压减小而逐渐减小,其温度因启动加热装置而保持不变。高空气温为-7.0 ,球内氦气可视为理想气体,下列说法中正确的是()A.在此过程,气球内氦气体积逐渐增大B.在此高空,关闭加热装置后,氦气分子平均动能增大C.
3、在此高空,关闭加热装置后,氦气将对外界做功D.在此高空,关闭加热装置后,氦气将对外放热【解析】选A、D。气体经历等温过程,压强减小,根据pV=C,在此过程,气球内氦气体积逐渐增大,故选项A正确;在此高空,关闭加热装置后,温度降低,故氦气分子平均动能减小,选项B错误;在此高空,压强固定,关闭加热装置后,温度降低,根据=C,体积减小,故外界对气体做功,选项C错误;在此高空,压强固定,关闭加热装置后,温度降低,故会对外放热,选项D正确。3.(多选)(2020丽江模拟)下列说法中正确的是()A.布朗运动就是悬浮在液体中的固体颗粒的无规则运动B.晶体和非晶体都有固定的熔点C.热量不可能从低温物体传到高温
4、物体D.物体的体积增大,分子势能不一定增加E.一定质量的理想气体,如果压强不变,体积增大,那么它一定从外界吸热【解析】选A、D、E。布朗运动是悬浮在液体中固体小颗粒的无规则运动,能反映液体分子的无规则运动,故A正确;晶体有固定的熔点,非晶体没有固定的熔点,故B错误;热量可以自发地由高温物体传到低温物体,在外界的影响下,也可以从低温物体传到高温物体,比如电冰箱,故C错误;当分子间的作用力表现为斥力时,物体的体积增大,分子间距增大,分子力做正功,分子势能减小;当分子间的作用力表现为引力时,物体的体积增大,分子间距增大,分子力做负功,分子势能增加,故D正确;一定质量的理想气体,如果压强不变,体积增大
5、,气体膨胀对外做功,由=C可以知道温度升高,则内能增加,根据热力学第一定律得知气体一定吸热,故E正确。故选A、D、E。4.(多选)如图为某实验器材的结构示意图,金属内筒和隔热外筒间封闭了一定体积的空气,内筒中有水。在水加热升温的过程中,被封闭的空气()A.内能增大B.压强增大C.分子间引力和斥力都减小D.所有分子运动速率都增大【解题指南】解答本题时应从以下四点进行分析:(1)空气体积不变,有W=0;内壁由于水的升温会吸收热量,有Q0。(2)由热力学第一定律U=W+Q判断内能增大。(3)由内能增大进一步判断温度升高,压强变大。(4)分子间的作用力与分子间距有关。【解析】选A、B。空气体积不变,做
6、功为0,即W=0。又因为外壁隔热,而内壁由于水的升温会吸收热量,故Q0, 由热力学第一定律U=W+Q可得U0,内能增加,A正确;空气体积不变,分子数密度不变,气体内能增加,温度升高,分子热运动变剧烈,对器壁撞击加强,故压强变大,B正确;分子间距离不变,故作用力大小不变,C错误;气体温度升高,分子的平均热运动速率加快,不代表每一个分子运动都加快,D错误。5.(多选)关于热力学定律,下列说法正确的是()A.为了增加物体的内能,必须对物体做功或向它传递热量B.对某物体做功,必定会使该物体的内能增加C.可以从单一热源吸收热量,使之完全变为功D.不可能使热量从低温物体传向高温物体E.功转变为热的实际宏观
7、过程是不可逆过程【解析】选A、C、E。做功和热传递是改变物体内能的两种方式,选项A正确;对某物体做功,物体的内能不一定增加,因为如果放出的热量Q大于外界对物体做的功W,则物体的内能减少,选项B错误;热力学第二定律告诉我们,不可能从单一热源吸收热量,使之完全变为功而不引起其他变化,但在引起其他变化的情况下,可以从单一热源吸收热量,使之完全变为功,选项C正确;同理,在引起其他变化的情况下,也可使热量从低温物体传向高温物体,比如电冰箱可使内部低温物体热量传递到冰箱外高温空间,选项D错误;一切与热现象有关的宏观物理过程都具有方向性,功转变为热的实际宏观过程不可逆,选项E正确。6.(多选)(2019济宁
8、模拟)如图所示,在斯特林循环的p-V图像中,一定质量的理想气体从状态A依次经过状态B、C和D后再回到状态A。其中,AB和CD为等温过程,该循环过程中,下列说法正确的是()A.AB过程中,气体从外界吸收热量B.BC过程中,气体分子的热运动变得更激烈C.CD过程中,单位时间内碰撞单位面积器壁的分子数增多D.DA过程中,内能的增加量等于气体从外界吸收的热量E.AB过程比CD过程气体分子的平均动能小【解析】选A、C、D。理想气体的内能只与温度有关,根据热力学第一定律有U=W+Q判断气体是吸热还是放热;根据图像利用理想气体状态方程对每一个过程进行分析即可。AB为等温过程,一定质量的理想气体的温度不变,内
9、能不变,体积增大,气体对外做功,根据热力学第一定律可知气体从外界吸收热量,故A正确;BC过程中为等容变化,一定质量的理想气体的压强减小,温度降低,分子的平均动能减小,气体分子的热运动变慢,故B错误;CD过程为等温过程,一定质量的理想气体的压强增大,体积减小,分子密集程度增大,单位时间内碰撞单位面积器壁的分子数增多,故C正确;DA过程为等容变化,外界对气体不做功,一定质量的理想气体的压强增大,温度升高,内能的增加量等于气体从外界吸收的热量,故D正确;AB和CD为等温过程,BC过程中为等容变化,一定质量的理想气体的压强减小,温度降低,所以AB过程比CD过程温度高,气体分子的平均动能大,故E错误;故
10、选A、C、D。7.(多选)如图所示,轻质活塞a和b把绝热汽缸分成甲和乙两部分,两部分中分别密封有可视为理想气体的等质量的氢气和氧气。活塞a导热与汽缸壁相连。活塞b绝热可在汽缸内无摩擦滑动,但不漏气,其右方为大气。图中k为加热用的电炉丝,开始时,系统处于平衡状态,两部分中气体的温度和压强皆相同,现接通电源,缓慢加热一段时间后停止加热,系统又达到新的平衡。则下列说法正确的是()A.甲、乙中气体的温度都升高了B.甲、乙中气体的内能的增加量相等C.乙中气体吸收的热量大于其内能的增加D.电炉丝放出的总热量等于甲、乙中气体增加内能的总和E.乙气体中分子在单位时间内对活塞a的碰撞次数一定减小【解析】选A、C
11、、E。甲、乙中密封的气体是等量的,且a是导热的,b是绝热的,所以加热后再次达到新的平衡时,甲、乙中气体的温度一定相同;根据热力学第二定律分析甲、乙中气体的温度;由热力学第一定律分析甲、乙吸收热量和内能的变化关系;压强不变,体积增大,分子在单位时间内对活塞a的碰撞次数一定减小。因为甲、乙中密封的气体是等量的,且a是导热的,b是绝热的,所以加热后再次达到新的平衡时,甲、乙中气体的温度一定相同;由热力学第二定律可知,由甲、乙组成的系统在吸收电炉丝传来的热量后,这一总热量必然有一部分用来增加系统的内能,使得甲、乙气体中的温度升高,故A正确;因为甲、乙中气体升高的温度相同,但两边气体种类不相同,所以甲、
12、乙中气体的内能的增加量不相等,故B错误;根据热力学第一定律,乙中气体吸收的热量加气体对外所做的功等于其内能的增加,故C正确;电炉丝放出的总热量等于甲、乙中气体增加内能的总和再加上b活塞对外界大气做的功,故D错误。甲中的气体温度升高,其压强增加,而b活塞可在汽缸内无摩擦滑动,因此乙中气体的压强始终等于大气压强,根据盖-吕萨克定律,乙体积增大,乙气体中分子在单位时间内对活塞a的碰撞次数一定减小。故E正确;故选A、C、E。8.(多选)如图所示,一定质量的理想气体,由状态A经状态B变化到状态C。设由A到B、由B到C的过程中,外界对气体做的功分别为W1、W2,气体从外界吸收的热量分别为Q1、Q2,则()
13、A.W1=0,W20B.Q10,Q20C.|W1|+|W2|=|Q1|+|Q2|D.|W1|+|W2|0;BC过程为等温变化过程,气体内能不变,即U2=0,又气体压强增大,体积减小,外界对气体做正功W20,据热力学第一定律可知U2=W2+Q2,所以Q2=-W20,A正确;Q10,Q20,B错误;因为Q2=-W20,则|W1|+|W2|Q1|+|Q2|,所以D正确,C错误。故选A、D。9.一定质量的理想气体经历如图所示的AB、BC、CA三个变化过程,设气体在状态A、B时的温度分别为TA和TB,则TA_(选填“大于”“等于”或“小于”)TB;气体从BC的过程中吸热950 J,则此过程中气体内能增加
14、了_J。【解析】根据气体状态方程判断状态A、B的温度,根据W=pV求出气体压力做功,再由热力学第一定律求内能增量。根据=C知,TA=TB从B到C气体发生等压变化,外界对气体做的功为:W=-pV=-4105(4-2)10-3 J=-800 J根据热力学第一定律有:U=Q+W得:U=950 J+(-800 J)=150 J答案:等于15010.如图所示,在汽缸右侧封闭一定质量的理想气体,压强与大气压强相同。把汽缸和活塞固定,使汽缸内气体升高到一定的温度,气体吸收的热量为Q1,气体的内能为U1。如果让活塞可以自由滑动(活塞与汽缸间无摩擦、不漏气),也使汽缸内气体温度升高相同温度,其吸收的热量为Q2,
15、气体的内能为U2,则Q1_Q2,U1_U2。(均选填“大于”“等于”或“小于”)【解析】一定量的理想气体的内能由温度决定,温度变化量相同,物体内能变化相同;根据题意判断气体做功情况,应用热力学第一定律分析答题。一定量的气体的内能由温度决定,两种情况下气体温度变化情况相同,气体内能变化量相等,即:U1=U2=U;第一种情况,汽缸与活塞都固定不动,气体体积不变,气体不做功,W1=0;第二种情况,活塞自由移动,气体体积增大,气体对外做功,W2UQ1。答案:小于等于11.如图为一定质量的理想气体的体积V随热力学温度T的变化关系图像。由状态A变化到状态B的过程中气体吸收热量Q1=220 J,气体在状态A
16、的压强为p0=1.0105 Pa。求:(1)气体在状态B时的温度T2。(2)气体由状态B变化到状态C的过程中,气体向外放出的热量Q2。【解题指南】(1)气体从状态A到状态B发生等压变化,根据盖-吕萨克定律求解。(2)气体从A到B根据热力学第一定律求出内能增量U1,气体从B到C温度降低,内能减少,理想气体内能只与温度有关,所以B到C内能减少量等于A到B的内能增量,由B到C再根据热力学第一定律即可求解BC过程气体放出的热量。【解析】(1)气体从A到B发生等压变化,根据盖-吕萨克定律有=,即=代入数据解得T2=600 K(2)A到B过程气体从外界吸热,对外界做功,内能增加:U1=W1+Q1W1=-p
17、0V=-1105110-3 J=-100 JU1=-100 J+220 J=120 JC状态与A状态内能相等,B到C过程,对外界不做功,内能减少U2=-120 JU2=Q2+W2即-120=Q2+0所以Q2=-120 J,气体放出热量120 J答案:(1)600 K(2)120 J12.(2020桂林模拟)如图所示,一排球球内气体的压强为p0 ,体积为V0 ,温度为T0 ,用打气筒对排球充入压强为p0 ,温度为T0 的气体,使球内气体压强变为3 p0 , 同时温度升至2 T0 ,充气过程中气体向外放出Q的热量 ,假设排球体积不变,气体内能U与温度的关系为U=kT (k为正常数),求:(1)打气
18、筒对排球充入压强为p0,温度为T0的气体的体积;(2)打气筒对排球充气过程中打气筒对气体做的功。【解析】 (1) 打气筒对排球充入压强为 p0 、温度为 T0 的气体的体积为 V ,以排球内气体与充入的气体整体为研究对象。气体的初状态参量: p1=p0;V1=V0+V;T1=T0 气体的末状态参量: p2=3p0;V2=V0;T2=2T0根据理想气体状态方程得:=代入解得:V=0.5V0(2)因为气体内能 U 与温度的关系为 U=kT所以打气过程内能变化:U=k(2T0-T0)=kT0由热力学第一定律得:U=W+(-Q)解得打气筒对气体做的功:W=Q+kT0答案:(1) 0.5V0(2)Q+kT0
