新人教版高中物理选择性必修第三册第三章热力学定律第2节热力学第一定律基础训练含解析

第2节 热力学第一定律 课堂检测 1.（2021上海松江二中高二期中）被压瘪但尚未破裂的乒乓球放在热水里泡一会儿，就会重新鼓起来，这一过程乒乓球内的气体( ) A.吸热，对外做功，内能不变 B.吸热，对外做功，内能增加 C.温度升高，对外做功，内能不变 D.压强增大，单位体积内分子数增大 答案：B 解析：被压瘪但尚未破裂的乒乓球放在热水里泡一会儿，重新鼓起来，体积增大，则气体对外做功，温度升高，内能增大，由热力学第一定律可知，此过程气体吸热。 2.（多选）（2021天津静海大邱庄中学高三月考）一封闭容器中装有一定质量的理想气体，当气体被压缩时（容器壁与外界没有热量交换）( ) A.气体对外界做功 B.气体内能不变 C.气体温度升高 D.气体压强增大 答案：C ; D 解析：当气体被压缩时，外界对气体做功，即W>0；因容器壁与外界没有热量交换，则Q=0，根据热力学第一定律ΔU=W+Q，可知ΔU>0，即气体内能增加，温度升高；根据pVT=C，可知，V减小，T变大，则压强p变大。 3.（多选）（2021海南华中师范大学附属中学高三月考）一定质量的理想气体，从状态M开始，经状态N、Q回到原状态M，其p-V图像如图所示，其中QM平行于横轴，NQ平行于纵轴。则( ) A.M→N过程气体温度不变 B.N→Q过程气体吸热 C.N→Q过程气体内能减小 D.Q→M过程气体放出热量 答案：B ; D 解析：M→N过程气体压强降低、体积增大，由数学知识可知，压强与体积的乘积pV先增大后减小，结合理想气体状态方程pVT=C可知，温度先升高后降低，A项错误；N→Q过程体积不变，压强增大，根据理想气体状态方程可知，温度升高，内能增大，由热力学第一定律ΔU=W+Q可知，体积不变时气体没有做功，故气体一定吸热，B正确，C错误；Q→M过程气体压强不变，体积减小，体积减小外界对气体做功，即W>0，根据理想气体状态方程可知，温度降低，内能减小，由热力学第一定律ΔU=W+Q可知，气体一定放出热量，D项正确。 4.如图所示，一导热汽缸放在水平面上，其内封闭一定质量的某种理想气体，活塞通过滑轮组与一重物连接，并保持平衡，已知汽缸高度为h，开始时活塞在汽缸中央，初始温度为t，活塞横截面积为S，大气压强为p0。物体重力为G，活塞质量及一切摩擦不计，缓慢升高环境温度，使活塞上升Δx，封闭气体吸收了Q的热量，（汽缸始终未离开地面）求： （1）环境温度升高了多少？ （2）气体的内能的变化量。 答案：（1）2Δxh⋅(273 K+t)（2）Q-(p0S-G)Δx 解析：（1）活塞缓慢移动，任意状态都处于平衡状态，故气体做等压变化，由盖-吕萨克定律可知：VT=ΔVΔT，其中V=12Sh，ΔV=(Δx)S，解得Δt=ΔT=2Δxh⋅(273 K+t)。 （2）设汽缸内压强为p，由平衡条件得：pS=p0S-G， 封闭气体对外做功：W=pSΔx=(p0S-G)Δx， 由热力学第一定律得： ΔU=Q+(-W)=Q-(p0S-G)Δx 素养视角 科学思维 热力学第一定律与气体图像的综合问题 （1）根据气体图像的特点判断气体的温度、体积的变化情况，从而判断气体与外界的吸、放热关系及做功关系。 （2）结合热力学第一定律判断有关问题。 （3）在p-V图像中，图线与V轴围成的面积表示气体对外界或外界对气体做的功。 素养演练 1.（2021山东胶州实验中学高三质检）如图所示，一定质量的理想气体从状态a依次经过状态b、c再回到状态a，其中，a→b为等温过程，b→c为等容过程，下列说法正确的是( ) A.a→b过程，气体和外界无热量交换 B.a→b过程，气体分子的速率均保持不变 C.b→c过程，气体内能减小 D.c→a过程外界对气体做的功与a→b过程气体对外做的功相等 答案：C 解析：a→b过程，气体发生的是等温变化，内能不变，此过程中，气体对外做功，根据热力学第一定律可知，气体吸收热量，A项错误；a→b过程，温度不变，气体分子的平均速率不变，不是每一个气体分子的速率均保持不变，B项错误；b→c过程，气体的体积不变，压强减小，则温度降低，故内能减小，C项正确； p-V图线与横轴所围的面积表示气体对外或外界对气体做功的大小，因此c→a过程外界对气体做的功小于a→b过程气体对外做的功，D项错误。 课时评价作业 见学用《作业本》125页 基础达标练 1.(多选)下列过程，可能发生的是( ) A.物体吸收热量，对外做功，同时内能增加 B.物体吸收热量，对外做功，同时内能减少 C.外界对物体做功，同时物体吸热，内能减少 D.物体对外界做功，同时物体放热，内能增加 答案：A ; B 解析：根据热力学第一定律可知做功和热传递都可以改变物体的内能。 2.一定量的气体膨胀对外做功100 J，同时对外放热40 J，气体内能的增量ΔU是( ) A.60J B.-60J C.-140J D.140J 答案：C 解析：由热力学第一定律得ΔU=W+Q=-100 J-40 J=-140 J。 3.如图所示，某同学将空的薄金属筒开口向下压入水中。设水温均匀且恒定，筒内空气无泄漏，不计气体分子间相互作用，则被淹没的金属筒在缓慢下降过程中，筒内空气体积减小，则筒内空气( ) A.从外界吸热 B.内能增大 C.向外界放热 D.内能减小 答案：C 解析：金属筒缓慢下降过程中，外界对筒内气体做功，而筒与水有热交换、水温恒定，所以筒内空气要向外界放热，温度保持不变，从而使内能保持不变。 4.(多选)如图所示，活塞将一定质量的气体封闭在直立圆筒形导热的汽缸中，活塞上堆放细沙，活塞处于静止状态，现逐渐取走细沙，使活塞缓慢上升，直到细沙全部取走。若活塞与汽缸之间的摩擦可忽略，则在此过程中的下列说法中正确的是( ) A.气体对外做功，气体温度可能不变 B.气体对外做功，内能可能不变 C.气体压强可能增大，内能可能不变 D.气体从外界吸热，内能一定增加 答案：A ; B 解析：由于汽缸是导热的，可以与外界进行热交换，所以细沙减少时，气体膨胀对外做功，可能由于与外界进行热交换吸热使内能不变，但压强减小。 5.如图是密闭的汽缸，外力推动活塞P压缩气体，对汽缸内气体做功800 J，同时气体向外界放热200 J，下列关于汽缸内气体的说法，正确的是( ) A.温度升高，内能增加600 J B.温度升高，内能减少200 J C.温度降低，内能增加600 J D.温度降低，内能减少200 J 答案：A 解析：由热力学第一定律ΔU=W+Q可知内能增加了600 J，内能增加，气体分子的平均动能增加，温度升高。 6.在一个大气压下，1 kg 100℃的水变为1 kg 100℃的水蒸气的过程，下列说法中正确的是( ) A.内能不变，对外界做功，一定是吸热过程 B.内能增加，吸收的热量等于内能的增加量 C.内能不变，吸收的热量等于对外界做的功 D.内能增加，从外界吸热，吸收的热量等于对外界做的功和增加的内能之和 答案：D 解析：水变成同温度的水蒸气时，分子间距从r0增大到约10r0，体积要扩大约1 000倍，故需克服大气压力对外做功，同时克服分子力做功，分子势能增加，内能增加，由热力学第一定律ΔU=Q+W，可知Q=ΔU-W，其中W为负值，故D项正确。 7.如图所示，有一导热性良好的汽缸放在水平面上，活塞与汽缸壁间的摩擦不计，汽缸内用一定质量的活塞封闭了一定质量的气体，忽略气体分子间的相互作用(即分子势能视为零)，忽略环境温度的变化，现缓慢推倒汽缸，在此过程中( ) A.气体吸收热量，内能不变 B.汽缸内分子的平均动能增大 C.单位时间内撞击汽缸壁单位面积上的分子数增多 D.汽缸内分子撞击汽缸壁的平均作用力增大 答案：A 解析：由题图可知，该过程气体对外做功，由于忽略环境温度变化，温度不变，内能不变，由热力学第一定律可知，气体吸收热量，内能不变。 8.（2021江苏南通高三月考）如图，在一个空的铝制易拉罐中插入一根透明吸管，接口用蜡密封，在吸管内引入一小段油柱（长度可以忽略）。如果不计大气压的变化，这就是一个简易“温度计”，已知大气压强是1.0×105Pa，易拉罐的容积是300 cm3，均匀吸管内部的横截面积为0.2 cm2，吸管露出的长度为20 cm，当温度为27℃时，油柱刚好在吸管和易拉罐的接口处。缓慢升高环境温度，易拉罐中气体从外界吸热10 J，油柱恰好到达吸管管口，求： （1）此时环境温度T； （2）易拉罐中气体内能的变化ΔU。 答案：（1）304 K（2）9.6 J 解析：（1）由于气体做等压变化，故V1T1=V2T1 , 代入数据可得300 cm3(273+27)K=300 cm3+0.2×20 cm3T 解得T=304 K （2）气体做等压变化，气体对外做功W=pΔV=1×105×0.2×10-4×0.2 J=0.4 J 由热力学第一定律得ΔU=-W+Q=-0.4 J+10 J=9.6 J 素养提升练 9.飞机在万米高空飞行时，舱外气温往往在-50℃以下。在研究大气现象时可把温度、压强相同的一部分气体作为研究对象，叫作气团。气团直径可达几千米。由于气团很大，边缘部分与外界的热交换对整个气团没有明显影响，可以忽略。高空气团温度很低的原因可能是( ) A.地面的气团上升到高空的过程中膨胀，同时对外放热，使气团自身温度降低 B.地面的气团上升到高空的过程中收缩，同时从周围吸收热量，使周围温度降低 C.地面的气团上升到高空的过程中膨胀，气团对外做功，气团内能大量减少，气团温度降低 D.地面的气团上升到高空的过程中收缩，外界对气团做功，故周围温度降低 答案：C 解析：由热力学第一定律知，物体内能的变化ΔU与做功W和传递的热量Q有关，满足ΔU=W+Q，气团在上升的过程中不断膨胀，气体对外做功，又由于气团很大，其边缘与外界的热交换可忽略，因而其内能不断减小，所以气团的温度会降低，故C项正确。 10.(多选)（2021江苏上冈高级中学高二月考）如图是某喷水壶示意图。未喷水时阀门K闭合，压下压杆A可向瓶内储气室充气；多次充气后按下按柄B打开阀门K，水会自动经导管从喷嘴处喷出。储气室内气体可视为理想气体，充气和喷水过程温度保持不变，则( ) A.充气过程中，储气室内气体内能增大 B.充气过程中，储气室内气体分子平均动能增大 C.喷水过程中，储气室内气体放热 D.喷水过程中，储气室内气体压强减小 答案：A ; D 解析：充气过程中，储气室内气体的质量增加，气体的温度不变，故气体分子的平均动能不变，气体内能增大，A项正确，B项错误；喷水过程中，气体对外做功，体积增大，而气体温度不变，则气体吸热，所以气体压强减小，C项错误，D项正确。 11.(多选)（2021福建永安第三中学高三月考）一定质量的理想气体从状态A经过状态B和C又到状态D。其压强p随温度T变化的图线如图所示，其中A到B、C到D的图线为过原点的直线，B到C为等温过程。则下列说法正确的是( ) A.A状态体积小于B状态体积 B.B→C过程，气体吸热 C.C→D过程，气体吸热 D.D状态体积大于B状态体积 答案：B ; D 解析：A→B过程，根据理想气体状态方程pVT=C知气体做等容变化，体积不变，A项错误；B→C过程，气体温度不变，根据理想气体状态方程pVT=C知压强减小，体积增大，对外做功，根据热力学第一定律可知要保持温度不变则需要吸热，B项正确；C→D过程，气体做等容变化，体积不变，根据理想气体状态方程pVT=C知压强减小，温度降低，根据热力学第一定律可知气体放热，C项错误；D状态体积与C状态体积相同，B→C过程体积增大，所以D状态体积大于B状态体积，D项正确。 12.（2021辽宁适应性测试）某民航客机在一万米左右高空飞行时，需利用空气压缩机来保持机舱内外气体压强之比为4∶1。机舱内有一导热汽缸，活塞质量m=2 kg、横截面积S=10 cm2，活塞与汽缸壁之间密封良好且无摩擦。客机在地面静止时，汽缸如图(a)所示竖直放置，平衡时活塞与缸底相距l1=8 cm；客机在高度h处匀速飞行时，汽缸如图(b)所示水平放置，平衡时活塞与缸底相距l2=10 cm。汽缸内气体可视为理想气体，机舱内温度可认为不变。已知大气压强随高度的变化规律如图(c)所示，地面大气压强p0=1.0×105Pa，地面重力加速度g=10 m/s2。 （1）判断汽缸内气体由图(a)状态到图(b)状态的过程是吸热还是放热，并说明原因； （2）求高度h处的大气压强，并根据图(c)估测出此时客机的飞行高度。 答案：（1）见解析 （2）0.24×105Pa104m 解析：（1）根据热力学第一定律ΔU=W+Q，由于气体体积膨胀，对外做功，而内能保持不变，因此吸热 （2）初态封闭气体的压强p1=p0+mgS=1.2×105Pa 根据p1l1S=p2l2S，可得p2=0.96×105Pa 由于机舱内外气体压强之比为4∶1，则舱外气体压强p2'=14p2=0.24×105Pa，对应题图可知飞行高度为104m。 创新拓展练 13.如图所示，一定质量的理想气体经历了A→B→C→D→A的循环，该过程每个状态都视为平衡态，各状态参数如图所示。A状态的压强为pA=1.2×105Pa，求： （1）B状态的温度TB； （2）C状态的压强pC； （3）完成一个循环，气体与外界热交换的热量是多少？是吸热还是放热？ 答案：（1）600 K（2）3×105Pa（3）180 J放热 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VATA=VBTB 代入数据解得TB=VBVATA=2×10-31×10-3×300 K=600 K （2）由理想气体状态方程pAVATA=pCVCTC得pC=3×105Pa （3）理想气体从A状态到B状态的过程中，外界对气体做功W1=-pA(VB-VA)，解得W1=-120 J 气体从B状态到C状态过程中，体积不变，外界对气体做功为零；从C状态到D状态的过程中，外界对气体做功W2=pC(VC-VD)，解得W2=300 J；从D状态到A状态过程中，体积不变，外界对气体做功为零 一次循环过程中外界对气体所做的总功W=W1+W2=180 J 理想气体从A状态完成一次循环，回到A状态，始末温度相同，所以内能不变 根据热力学第一定律ΔU=W+Q 解得Q=-180 J 故完成一个循环，气体向外界放热180 J。 特别提醒本题是理想气体实验定律和热力学第一定律的综合应用。解题的关键是准确分析气体各个状态的参量。在运用热力学第一定律时，注意做功W和热量Q的符号，即气体对外做功和气体放热为负，外界对气体做功和气体从外界吸热为正。