人教版 (2019)选择性必修 第三册2 热力学第一定律复习练习题

第三章  热力学定律

2热力学第一定律

【基础巩固】

1.气体膨胀对外做功100 J,同时从外界吸收了120 J的热量,它的内能的变化是 (　　)

A.减小20 J　　　　　　　B.增大20 J

C.减小220 J D.增大220 J

解析:气体对外做功W=-100 J,吸收热量Q=120 J.由热力学第一定律有ΔU=W+Q=-100 J+120 J=20 J.ΔU>0,说明气体的内能增加.故选项B正确.

答案:B

2.关于物体的内能及其变化,下列说法正确的是 (　　)

A.物体的温度改变时,其内能必定改变

B.物体对外做功,其内能不一定改变;向物体传递热量,其内能也不一定改变

C.物体对外做功,其内能必定改变;物体向外传出一定热量,其内能必定改变

D.若物体与外界不发生热交换,则物体的内能必定不变

解析:内能是物体内分子热运动的动能和分子势能的总和,物体温度变化,物体的分子平均动能变化,内能不一定改变,选项A错误.改变内能有两种方式:做功和传热.由热力学第一定律可知选项B正确,选项C、D错误.

答案:B

3.一定量的气体吸收热量,体积膨胀并对外做功,则此过程的末态与初态相比 (　　)

A.气体内能一定增加

B.气体内能一定减少

C.气体内能一定不变

D.气体内能的变化不能确定

解析:热力学第一定律ΔU=Q+W,气体吸收热量Q>0,体积膨胀对外做功W<0,因为不能确定Q与W值的大小,所以不能判断ΔU的正负,气体内能的变化也就不能确定,选项D正确.

答案:D

4.负压救护车、负压病房在疫情防治中发挥了重要的作用,负压是指空间内的气压略低于外界环境的大气压.若负压空间的温度和外界温度相同,负压空间中的气体和外界环境中的气体都可以看成理想气体,则下列说法正确的是              (　　)

A.负压空间中气体分子的平均动能小于外界环境中气体分子的平均动能

B.负压空间中气体单位体积内的分子数小于外界环境中气体单位体积内的分子数

C.负压空间中每个气体分子的运动速率都小于外界环境中每个气体分子的运动速率

D.负压空间中气体的内能等于外界环境中同体积的气体的内能

解析:温度是分子平均动能的标志,负压空间的温度和外界温度相同,故负压空间内气体分子的平均动能等于外界环境中气体分子的平均动能,A错误.气体的压强由单位体积气体的分子数和气体分子撞击器壁的力度决定,现内外温度相等,即气体分子平均动能相等(撞击力度相等),若压强要减小形成负压,则要求负压空间内单位体积气体分子的个数小于外界环境中单位体积气体分子的个数,B正确.负压空间内气体分子的平均动能等于外界环境中气体分子的平均动能,二者气体分子的平均运动速率相等,故C错误.内能的大小与物质的量、温度、体积等有关,内外压强不等,相同体积和温度的负压空间内的气体物质的量少,所以内能小,故D错误.

答案:B

5.(多选)如图所示,用绝热活塞把绝热容器隔成容积相等的两部分,先把活塞锁定,将质量和温度都相同的理想气体氢气和氧气分别充入容器的两部分,然后解除锁定,活塞可以无摩擦地滑动,当活塞平衡时              (　　)

A.氢气的温度不变 B.氢气的压强减小

C.氢气的体积增大 D.氧气的温度升高

解析:氢气和氧气的质量虽然相同,但氢气的摩尔质量小,氢气的物质的量大,又因为初始状态下氢气和氧气的体积和温度相同,所以氢气产生的压强大,解除锁定后,活塞将向氧气一方移动,这时氢气对外做功,又无传热,由ΔU=W+Q可知,氢气内能减少,温度降低,压强减小;对氧气而言,外界对它做功,体积减小,由ΔU=W+Q知,无传热的情况下,氧气内能增加,温度升高,压强增大.

答案:BCD

6.(多选)一定质量的理想气体从状态A经过状态B变化到状态C,其V-T图像如图所示.下列说法正确的有              (　　)

A.A→B的过程中,气体对外界做功

B.A→B的过程中,气体放出热量

C.B→C的过程中,气体压强不变

D.A→B→C的过程中,气体内能增加

解析:由题图可知,从A到B的过程中,气体的体积减小,外界对气体做功,气体的温度不变,内能不变,根据热力学第一定律可知,气体放出热量,选项A错误,B正确.从B到C过程中,是一个常数,气体发生的是等压变化,气体的温度降低,内能减少,选项C正确,选项D错误.

答案:BC

7.一个气泡从恒温水槽的底部缓慢向上浮起,若不计气泡内气体分子势能的变化,则 (　　)

A.气泡对外做功,内能不变, 同时放热

B.气泡对外做功,内能不变,同时吸热

C.气泡内能减小,同时放热

D.气泡内能不变,不吸热也不放热

解析:气泡缓慢上升的过程中,温度不变,内能不变,ΔU=0,但压强逐渐减小,由玻意耳定律pV=恒量,可知体积V逐渐增大,气泡对外做功,即W<0,由热力学第一定律得Q=-W>0,故气泡从外界吸收热量,且吸收的热量全部用来对外做功,选项B正确.

答案:B

8.在标准大气压下,水在沸腾时,1 g的水由液态变成同温度的水蒸气,其体积由1.043 cm3变为1 676 cm3.已知水的汽化热L=2 263.8 J/g,标准大气压为1.013×105 Pa.求:

(1)1 g的水由液态变为气态体积膨胀时气体对外界做的功W;

(2)气体吸收的热量Q;

(3)气体增加的内能ΔU.

解析: (1)气体在标准大气压下膨胀做功

W=p(V2-V1)=1.013×105×(1 676-1.043)×10-6 J=169.7 J.

(2)气体吸收的热量

Q=mL=1×2 263.8 J=2 263.8 J.

(3)根据热力学第一定律得气体增加的内能

ΔU=Q+W=2 263.8 J+(-169.7) J=2 094.1 J.

答案:(1)169.7 J　(2)2 263.8 J　(3)2 094.1 J

【拓展提高】

9.(2021·全国乙卷)(多选)如图,一定量的理想气体从状态a(p0,V0,T0)经热力学过程ab、bc、ca后又回到状态a.对于ab、bc、ca三个过程,下列说法正确的是 (　　)

A.ab过程中,气体始终吸热

B.ca过程中,气体始终放热

C.ca过程中,气体对外界做功

D.bc过程中,气体的温度先降低后升高

E.bc过程中,气体的温度先升高后降低

解析:由理想气体的p-V图可知,理想气体经历ab过程,体积不变,则W=0,而压强增大,由pV=nRT可知,理想气体的温度升高,则内能增大,由ΔU=Q+W可知,气体一直吸热,故A正确;理想气体经历ca过程为等压压缩,则外界对气体做功W>0,由pV=nRT知温度降低,即内能减少ΔU<0,由ΔU=Q+W可知,Q<0,即气体放热,故B正确,C错误;由pV=nRT可知,p-V图像的坐标围成的面积反映温度,b状态和c状态的坐标面积相等,而中间状态的坐标面积更大,故bc过程的温度先升高后降低,故D错误,E正确.

答案:ABE

10.(多选)如图所示,一绝热容器被隔板K隔成a、b两部分.已知a内有一定量的稀薄气体,b内为真空,抽开隔板K后a内气体进入b,最终达到平衡状态.在此过程中              (　　)

A.气体对外界做功,内能减少

B.气体不做功,内能不变

C.气体压强变小,温度降低

D.气体压强变小,温度不变

解析:绝热容器中的稀薄气体与外界没有传热,Q=0,稀薄气体向真空扩散没有做功,W=0.根据热力学第一定律可知稀薄气体的内能不变,因此温度不变,选项A、C错误,选项B正确.稀薄气体扩散体积增大,压强必然减小,选项D正确.

答案:BD

11.(多选)一定量的理想气体从状态a开始,经历三个过程a→b、b→c、c→a回到状态a,其p-T 图像如图所示.下列判断正确的是              (　　)

A.过程a→b中气体一定吸热

B.过程b→c中气体既不吸热也不放热

C.过程c→a中外界对气体所做的功等于气体所放的热

D.a、b、c三个状态中,状态a中的分子平均动能最小

解析:a→b为等容变化过程,W=0,温度升高,内能增大,ΔU>0,由热力学第一定律ΔU=Q+W知Q>0,气体吸热,选项A正确.b→c为等温变化过程,ΔU=0,体积增大,气体对外做功,W<0,由ΔU=Q+W得Q>0,气体吸热,选项B错误.c→a为等压变化过程,温度降低,内能减小,ΔU<0,体积减小,外界对气体做功,W>0,由热力学第一定律ΔU=Q+W得Q<0,且|Q|>W,选项C错误.温度是分子平均动能的标志,Ta<Tb=Tc,选项D正确.

答案:AD

12.(多选)如图所示,a、b、c、d表示一定质量的理想气体状态变化过程中的四个状态,图中线段ad平行于横坐标轴,线段dc平行于纵坐标轴,线段ab的延长线过原点.下列说法正确的是              (　　)

A.从状态d到c,气体不吸热也不放热

B.从状态c到b,气体放热

C.从状态a到d,气体对外做功

D.从状态b到a,气体吸热

解析:气体从状态d到c,温度不变,内能不变,由于压强减小,气体体积增大,对外做功,由ΔU=Q+W可知,气体吸收热量,故A错误.气体从状态c到状态b经历降压、降温过程,同时体积减小,外界对气体做功,由ΔU=Q+W可知,气体放热,故B正确.气体从状态a到状态d经历等压升温的过程,内能增加,同时体积增大,所以气体对外做功,同时吸收热量,C正确.气体从状态b到状态a经历等容变化过程,气体的压强增大,温度升高,内能增大,而在这个过程中气体的体积没有变化,气体没有做功,气体内能的增大是气体吸收热量的结果,故D正确.

答案:BCD

13.如图所示,一圆柱形绝热汽缸竖直放置,通过绝热活塞封闭着一定质量的理想气体.活塞的质量为m,横截面积为S,与容器底部相距h,此时封闭气体的温度为T1.现通过电热丝缓慢加热气体,当气体吸收热量Q时,气体温度上升到T2.已知大气压强为p0,自由落体加速度为g,不计活塞与汽缸间的摩擦,求:

(1)活塞上升的高度;

(2)加热过程中气体内能的增加量.

解析:(1)气体发生等压变化,有=,

解得Δh=h.

(2)加热过程中气体对外做功为

W=pSΔh=(p0S+mg)h,

由热力学第一定律知内能的增加量为

ΔU=Q-W=Q-(p0S+mg)h.

答案:(1)h   (2)Q-(p0S+mg)h

【挑战创新】

14.蛟龙号深潜器在执行某次实验任务时,外部携带一装有氧气的汽缸,汽缸导热良好,活塞与缸壁间无摩擦且与海水相通.已知海水温度随深度增加而降低,则深潜器下潜过程中,下列说法正确的是              (　　)

A.每个氧气分子的动能均减小

B.氧气放出的热量等于其内能的减少量

C.氧气分子单位时间撞击缸壁单位面积的次数增加

D.氧气分子每次对缸壁的平均撞击力增大

解析:氧气的温度降低,氧气分子热运动的平均动能减小,并不是每一个分子的动能都减小,A错误.海水温度随深度增加而降低,氧气的温度也降低,内能降低,ΔU为负值;汽缸内的氧气的压强随深度增加而增加,根据理想气体状态方程可知氧气的体积减小,则外界对氧气做功,W为正值.根据热力学第一定律可知氧气放出的热量大于其内能的减少量,故B错误.氧气的温度降低,氧气分子的平均动能减小,单个分子对器壁的平均撞击力减小,由于氧气的压强增大,根据压强的微观意义可知,氧气分子单位时间撞击缸壁单位面积的次数增加,C正确,D错误.

答案:C