課時跟蹤檢測（五十七） 熱力學(xué)定律與能量守恒定律

課時跟蹤檢測（五十七）熱力學(xué)定律與能量守恒定律1．(2021·天津等級考改編)列車運行的平穩(wěn)性與車廂的振動密切相關(guān)，車廂底部安裝的空氣彈簧可以有效減振，空氣彈簧主要由活塞、汽缸及內(nèi)封的一定質(zhì)量的氣體構(gòu)成。上下乘客及劇烈顛簸均能引起車廂振動，上下乘客時汽缸內(nèi)氣體的體積變化緩慢，氣體與外界有充分的熱交換；劇烈顛簸時汽缸內(nèi)氣體的體積變化較快，氣體與外界來不及熱交換。若汽缸內(nèi)氣體視為理想氣體，在氣體壓縮的過程中()A．上下乘客時，氣體的內(nèi)能變小B．上下乘客時，氣體從外界吸熱C．劇烈顛簸時，外界對氣體做功D．劇烈顛簸時，氣體的溫度不變解析：選C上下乘客時汽缸內(nèi)氣體與外界有充分的熱交換，即發(fā)生等溫變化，溫度不變，故氣體的內(nèi)能不變，在體積壓縮的過程中，外界對氣體做功，故氣體向外界放熱，A、B錯誤；劇烈顛簸時汽缸內(nèi)氣體的體積變化較快，且氣體與外界來不及熱交換，氣體經(jīng)歷絕熱過程，外界對氣體做功，氣體的溫度升高，C正確，D錯誤。2.如圖所示，密封的礦泉水瓶中，距瓶口越近水的溫度越高。一開口向下、導(dǎo)熱良好的小瓶置于礦泉水瓶中，小瓶中封閉一段空氣。擠壓礦泉水瓶，小瓶下沉到底部；松開后，小瓶緩慢上浮。上浮過程中，小瓶內(nèi)氣體()A．內(nèi)能減少B．對外界做正功C．增加的內(nèi)能大于吸收的熱量D．增加的內(nèi)能等于吸收的熱量解析：選B小瓶內(nèi)的空氣可視為理想氣體，在小瓶緩慢上浮的過程中，瓶內(nèi)空氣的溫度隨水溫升高，內(nèi)能增加，故A錯誤；同時，瓶內(nèi)空氣的壓強減小，由理想氣體的狀態(tài)方程eq\f(pV,T)＝C，可知體積增大，氣體對外界做正功，故B正確；根據(jù)熱力學(xué)第一定律ΔU＝W＋Q，由于ΔU＞0，W＜0，則Q＞0，可見氣體吸收的熱量大于增加的內(nèi)能，故C、D錯誤。3．一定量的理想氣體從狀態(tài)a開始，經(jīng)歷三個過程ab、bc、ca回到原狀態(tài)，其p-T圖像如圖所示，下列判斷正確的是()A．過程ab中氣體一定吸熱B．過程bc中氣體既不吸熱也不放熱C．過程ca中外界對氣體所做的功等于氣體所放的熱D．a(chǎn)、b和c三個狀態(tài)中，狀態(tài)a時對應(yīng)分子的平均動能最大解析：選A從a到b的過程，根據(jù)圖線過原點可得eq\f(pa,Ta)＝eq\f(pb,Tb)，所以為等容變化過程，氣體沒有對外做功，外界也沒有對氣體做功，所以溫度升高只能是吸熱的結(jié)果，選項A正確。從b到c的過程溫度不變，可是壓強變小，說明體積膨脹，對外做功，根據(jù)熱力學(xué)第一定律ΔU＝W＋Q，可得氣體從外界吸熱，選項B錯誤。從c到a的過程，壓強不變，根據(jù)溫度降低說明內(nèi)能減少，根據(jù)熱力學(xué)第一定律ΔU＝W＋Q，所以外界對氣體做的功小于氣體放出的熱量，選項C錯誤。分子的平均動能與溫度有關(guān)，狀態(tài)a的溫度最低，所以分子平均動能最小，選項D錯誤。4．(2022·全國乙卷改編)一定量的理想氣體從狀態(tài)a經(jīng)狀態(tài)b變化到狀態(tài)c，其過程如T-V圖上的兩條線段所示。則氣體在()A．狀態(tài)a處壓強小于狀態(tài)c處的壓強B．由b變化到c的過程中，氣體的壓強不變C．由a變化到b的過程中，氣體從外界吸熱D．由a變化到b的過程中，從外界吸收的熱量等于其增加的內(nèi)能解析：選C根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程可知T＝eq\f(p,C)·V，即T-V圖像的斜率為eq\f(p,C)，故有pa＝pb>pc，故A、B錯誤；理想氣體由a變化到b的過程中，溫度升高，則內(nèi)能增大，由熱力學(xué)第一定律有ΔU＝Q＋W，而ΔU>0，W<0，則有ΔU＝Q－|W|，可得Q>0，Q>ΔU，即氣體從外界吸熱，且從外界吸收的熱量大于其增加的內(nèi)能，故C正確，D錯誤。5．(2022·重慶高考)2022年5月15日，我國自主研發(fā)的“極目一號”Ⅲ型浮空艇創(chuàng)造了海拔9032米的大氣科學(xué)觀測世界紀錄。若在浮空艇某段上升過程中，艇內(nèi)氣體溫度降低，體積和質(zhì)量視為不變，則艇內(nèi)氣體(視為理想氣體)()A．吸收熱量 B．壓強增大C．內(nèi)能減小 D．對外做負功解析：選C由于浮空艇上升過程中體積和質(zhì)量均不變，則艇內(nèi)氣體不做功；根據(jù)eq\f(pV,T)＝C，可知溫度降低，則艇內(nèi)氣體壓強減小，氣體內(nèi)能減小；又根據(jù)ΔU＝W＋Q，可知氣體放出熱量。故選C。6．(2022·北京高考)如圖所示，一定質(zhì)量的理想氣體從狀態(tài)a開始，沿圖示路徑先后到達狀態(tài)b和c。下列說法正確的是()A．從a到b，氣體溫度保持不變B．從a到b，氣體對外界做功C．從b到c，氣體內(nèi)能減小D．從b到c，氣體從外界吸熱解析：選D一定質(zhì)量的理想氣體從狀態(tài)a開始，沿題圖路徑到達狀態(tài)b過程中氣體發(fā)生等容變化，壓強減小，根據(jù)查理定律eq\f(p,T)＝C，可知氣體溫度降低，再根據(jù)熱力學(xué)第一定律ΔU＝Q＋W，由于氣體不做功，內(nèi)能減小，則氣體放熱，A、B錯誤；一定質(zhì)量的理想氣體從狀態(tài)b沿題圖路徑到達狀態(tài)c過程中氣體發(fā)生等壓變化，體積增大，根據(jù)eq\f(V,T)＝C，可知氣體溫度升高，內(nèi)能增大，再根據(jù)熱力學(xué)第一定律ΔU＝Q＋W，可知b到c過程氣體從外界吸熱，且吸收的熱量大于對外界做功的值，C錯誤，D正確。7．(2022·湖南高考改編)利用“渦流效應(yīng)”可實現(xiàn)冷熱氣體的分離。如圖，一冷熱氣體分離裝置由噴嘴、渦流室、環(huán)形管、分離擋板和冷熱兩端管等構(gòu)成。高壓氮氣由噴嘴切向流入渦流室中，然后以螺旋方式在環(huán)形管中向右旋轉(zhuǎn)前進，分子熱運動速率較小的氣體分子將聚集到環(huán)形管中心部位，而分子熱運動速率較大的氣體分子將聚集到環(huán)形管邊緣部位。氣流到達分離擋板處時，中心部位氣流與分離擋板碰撞后反向，從A端流出，邊緣部位氣流從B端流出。下列說法正確的是()A．A端為熱端，B端為冷端B．A端流出的氣體內(nèi)能一定大于B端流出的C．該裝置氣體進出過程滿足能量守恒定律，但違背了熱力學(xué)第二定律D．該裝置氣體進出的過程既滿足能量守恒定律，也滿足熱力學(xué)第二定律解析：選D依題意，中心部位為熱運動速率較低的氣體，與擋板碰撞后反彈，從A端流出，而邊緣部位熱運動速率較高的氣體從B端流出；同種氣體分子平均熱運動速率較大，其對應(yīng)的溫度也就較高，所以A端為冷端，B端為熱端，故A錯誤；從A端流出的氣體分子平均動能小于從B端流出的氣體分子平均動能，內(nèi)能的多少還與分子數(shù)有關(guān)，不能得出從A端流出的氣體內(nèi)能一定大于從B端流出的氣體內(nèi)能，故B錯誤；該裝置將冷熱氣體進行分離，噴嘴處有高壓，即通過外界做功而實現(xiàn)的，并非自發(fā)進行的，沒有違背熱力學(xué)第二定律；溫度較低的從A端流出，溫度較高的從B端流出，也符合能量守恒定律，故C錯誤，D正確。8．一定質(zhì)量的理想氣體由狀態(tài)a經(jīng)狀態(tài)b、c又回到狀態(tài)a，其壓強p與體積V的關(guān)系如圖所示，變化過程有等容、等溫和絕熱過程，則下列說法正確的是()A．①過程可能為等溫變化B．②過程氣體從外界放熱C．全過程氣體向外界放出的熱量大于從外界吸收的熱量D．因為氣體返回狀態(tài)a時體積不變，所以外界不對氣體做功解析：選C①過程若為等溫變化，②過程為等容變化，溫度升高，則③過程為絕熱變化，外界對氣體做正功，氣體溫度升高，不可能回到初始狀態(tài)，A錯誤；②過程為等容變化，溫度升高，氣體內(nèi)能增大，外界沒有對氣體做功，氣體從外界吸熱，B錯誤；②過程外界沒有對氣體做功，根據(jù)p-V圖線和橫坐標軸所圍面積表示氣體與外界做功的大小，③過程外界對氣體做的正功大于①過程氣體對外界做的負功，因此全過程外界對氣體做正功，氣體內(nèi)能不變，故全過程氣體向外界放出的熱量大于從外界吸收的熱量，C正確，D錯誤。9．如圖，兩端開口、下端連通的導(dǎo)熱汽缸，用兩個輕質(zhì)絕熱活塞(截面積分別為S1和S2)封閉一定質(zhì)量的理想氣體，活塞與汽缸壁間無摩擦。在左端活塞上緩慢加細沙，活塞從A下降h高度到B位置時，活塞上細沙的總質(zhì)量為m。在此過程中，用外力F作用在右端活塞上，使活塞位置始終不變。整個過程環(huán)境溫度和大氣壓強p0保持不變，系統(tǒng)始終處于平衡狀態(tài)，重力加速度為g。下列說法正確的是()A．整個過程，外力F做功大于0，小于mghB．整個過程，氣體的內(nèi)能增大C．整個過程，氣體向外釋放的熱量小于(p0S1h＋mgh)D．左端活塞到達B位置時，外力F等于eq\f(mgS1,S2)解析：選C整個過程中右邊活塞的位置始終不變，外力F不做功，A錯誤；整個過程中系統(tǒng)的溫度不變，所以一定質(zhì)量的理想氣體的分子平均動能不變，內(nèi)能不變，B錯誤；當左邊活塞到達B位置時汽缸內(nèi)氣體的壓強最大，最大壓強p＝eq\f(mg,S1)＋p0，所以外界對氣體做的功小于p0S1h＋mgh，由于內(nèi)能不變，故理想氣體向外界釋放的熱量小于(p0S1h＋mgh)，C正確；根據(jù)左、右兩邊氣體的壓強相等，有p0＋eq\f(mg,S1)＝p0＋eq\f(F,S2)，解得F＝eq\f(mgS2,S1)，D錯誤。10．如圖所示，一定質(zhì)量的理想氣體從狀態(tài)A變化到狀態(tài)B，AB的反向延長線過原點。已知氣體在狀態(tài)A時的壓強p＝1×105Pa。氣體從狀態(tài)A變化到狀態(tài)B的過程中吸收的熱量Q＝1.2×103J，求：(1)氣體在狀態(tài)B時的體積VB；(2)在氣體從狀態(tài)A變化到狀態(tài)B的過程中，氣體內(nèi)能的增量ΔU。解析：(1)氣體從A狀態(tài)變化到B狀態(tài)的過程中做等壓變化，有eq\f(VA,TA)＝eq\f(VB,TB)根據(jù)圖像VA＝1×10－2m3，TA＝280K，TB＝420K解得VB＝1.5×10－2m3。(2)氣體對外界做的功為W＝p(VB－VA)＝500J根據(jù)熱力學(xué)第一定律，在氣體從狀態(tài)A變化到狀態(tài)B的過程中，氣體內(nèi)能的增量ΔU＝Q－W＝700J。答案：(1)1.5×10－2m3(2)700J11.某民航客機在一萬米左右高空飛行時，需利用空氣壓縮機來保持機艙內(nèi)外氣體壓強之比為4∶1。機艙內(nèi)有一導(dǎo)熱汽缸，活塞質(zhì)量m＝2kg、橫截面積S＝10cm2，活塞與汽缸壁之間密封良好且無摩擦?？蜋C在地面靜止時，汽缸如圖(a)所示豎直放置，平衡時活塞與缸底相距l(xiāng)1＝8cm；客機在高度h處勻速飛行時，汽缸如圖(b)所示水平放置，平衡時活塞與缸底相距l(xiāng)2＝10cm。汽缸內(nèi)氣體可視為理想氣體，機艙內(nèi)溫度可認為不變。已知大氣壓強隨高度的變化規(guī)律如圖(c)所示，地面大氣壓強p0＝1.0×105Pa，地面重力加速度g＝10m/s2。(1)判斷汽缸內(nèi)氣體由圖(a)狀態(tài)到圖(b)狀態(tài)的過程是吸熱還是放熱，并說明原因；(2)求高度h處的大氣壓強，并根據(jù)圖(c)估測出此時客機的飛行高度。解析：(1)根據(jù)熱力學(xué)第一定律有ΔU＝W＋Q，由于氣