高中物理第十三章熱學(xué)基礎(chǔ)課3　熱力學(xué)定律與能量守恒定律

基礎(chǔ)課3熱力學(xué)定律與能量守恒定律一、選擇題(以下每小題均為多項選擇題)1．下列關(guān)于熱力學(xué)第二定律的說法中正確的是() A．所有符合能量守恒定律的宏觀過程都能真的發(fā)生 B．一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀自然過程都是不可逆的 C．機械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，但內(nèi)能無法全部用來做功而轉(zhuǎn)化成機械能 D．氣體向真空的自由膨脹是可逆的 E．熱運動的宏觀過程有一定的方向性 解析符合能量守恒定律，但違背熱力學(xué)第二定律的宏觀過程不能發(fā)生，選項A錯誤；一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀自然過程都是不可逆的，選項B正確；機械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，但內(nèi)能無法全部用來做功而轉(zhuǎn)化成機械能，選項C正確；氣體向真空的自由膨脹是不可逆的，選項D錯誤；熱運動的宏觀過程有一定的方向性，選項E正確。 答案BCE2．下列對熱學(xué)相關(guān)知識的判斷中正確的是() A．對一定質(zhì)量的氣體加熱，其內(nèi)能一定增大 B．物體溫度升高時，物體內(nèi)的每個分子的速率都將增大 C．對一定質(zhì)量的理想氣體，當(dāng)它的壓強、體積都增大時，其內(nèi)能一定增大 D．功轉(zhuǎn)化為熱的實際宏觀過程是不可逆過程 E．自然界中的能量雖然是守恒的，但有的能量便于利用，有的不便于利用，故要節(jié)約能源 解析氣體內(nèi)能變化由做功和熱傳遞共同決定，A錯誤；溫度升高，分子的平均動能增大，部分分子速率也會減小，B錯誤；理想氣體壓強和體積增大，溫度一定增大，內(nèi)能一定增大，C正確；一切涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都是不可逆的，D正確；自然界中的能量在數(shù)量上是守恒的，但能量在轉(zhuǎn)化過程中，品質(zhì)逐漸降低，可利用的能量在逐漸減少，故要節(jié)約能源，E正確。 答案CDE3．關(guān)于物體的內(nèi)能，以下說法中正確的是() A．物體吸收熱量，內(nèi)能一定增大 B．物體放出熱量，同時對外做功，內(nèi)能一定減少 C．物體體積改變，內(nèi)能可能不變 D．不可能從單一熱源吸收熱量，使之完全變?yōu)楣?E．質(zhì)量相同的0℃的水的內(nèi)能比0℃的冰的內(nèi)能大 解析物體吸收熱量，若同時對外做功，其內(nèi)能可能減少，選項A錯誤；根據(jù)熱力學(xué)第一定律，物體放出熱量，同時對外做功，內(nèi)能一定減少，選項B正確；物體體積改變，例如理想氣體體積改變，只要溫度不變，其內(nèi)能不變，選項C正確；可以從單一熱源吸收熱量，使之完全變?yōu)楣?，但是會引起其他變化，選項D錯誤；0℃的水變成0℃的冰需要放出熱量，故質(zhì)量相同的0℃的水的內(nèi)能比0℃的冰的內(nèi)能大，選項E正確。 答案BCE4．夏天，小明同學(xué)把自行車輪胎上的氣門芯拔出的時候，會覺得從輪胎里噴出的氣體涼，如果把輪胎里的氣體視為理想氣體，則關(guān)于氣體噴出的過程，下列說法正確的是() A．氣體的內(nèi)能減少 B．氣體的內(nèi)能不變 C．氣體來不及與外界發(fā)生熱交換，對外做功，溫度降低 D．氣體膨脹時，熱量散得太快，使氣體溫度降低了 E．氣體分子的平均動能減小 解析氣體噴出時，來不及與外界交換熱量，發(fā)生絕熱膨脹，Q＝0，對外做功，熱力學(xué)第一定律的表達式為W＝ΔU，內(nèi)能減少，溫度降低，溫度是分子平均動能的標志，則A、C、E正確。 答案ACE5．(2017·河南、河北、山西聯(lián)考)下列說法正確的是() A．分子間距離增大時，分子間的引力減小，斥力增大 B．當(dāng)分子間的作用力表現(xiàn)為引力時，隨分子間距離的增大分子勢能增大 C．一定質(zhì)量的理想氣體發(fā)生等溫膨脹，一定從外界吸收熱量 D．一定質(zhì)量的理想氣體發(fā)生等壓膨脹，一定向外界放出熱量 E．熵的大小可以反映物體內(nèi)分子運動的無序程度 解析分子間距離增大時，分子間的引力和斥力均減小，選項A錯誤；當(dāng)分子間的作用力表現(xiàn)為引力時，隨分子間距離的增大分子勢能增大，選項B正確；一定質(zhì)量的理想氣體發(fā)生等溫膨脹，溫度不變，內(nèi)能不變，對外做功，一定從外界吸收熱量，選項C正確；一定質(zhì)量的理想氣體發(fā)生等壓膨脹，對外做功，根據(jù)蓋—呂薩克定律，等壓膨脹，溫度一定升高，內(nèi)能增大，一定吸收熱量，選項D錯誤；熵是系統(tǒng)內(nèi)分子運動無序性的量度，其大小可以反映物體內(nèi)分子運動的無序程度，選項E正確。 答案BCE6．下列有關(guān)熱學(xué)的說法中正確的是() A．氣體放出熱量，其分子的平均動能一定減小 B．氣體溫度升高，分子的平均動能一定增大 C．隨著科技的進步，物體的溫度可以降低到－300℃ D．熱量可以從低溫物體傳遞到高溫物體 E．對物體做功，物體的內(nèi)能可能減小 解析由熱力學(xué)第一定律可知，氣體放出熱量，其內(nèi)能不一定減小，溫度不一定降低，故分子平均動能不一定減小，選項A錯誤；溫度是分子平均動能的標志，溫度越高，分子的平均動能越大，選項B正確；根據(jù)熱力學(xué)第三定律可知，絕對零度(－273℃)是不可能達到的，所以－300℃是不可能達到的，選項C錯誤；在一定的條件下，熱量可以從低溫物體傳遞到高溫物體，選項D正確；根據(jù)熱力學(xué)第一定律可知，對物體做功的同時，若物體向外界放出熱量，其內(nèi)能可能減小，選項E正確。 答案BDE7．在一個標準大氣壓下，1g水在沸騰時吸收了2260J的熱量后變成同溫度的水蒸氣，對外做了170J的功。已知阿伏加德羅常數(shù)NA＝6.0×1023mol－1，水的摩爾質(zhì)量M＝18g/mol。下列說法中正確的是() A．分子間的平均距離增大 B．水分子的熱運動變得更劇烈了 C．水分子總勢能的變化量為2090J D．在整個過程中能量是不守恒的 E．1g水所含的分子數(shù)為3.3×1022個 解析液體變成氣體后，分子間的平均距離增大了，選項A正確；溫度是分子熱運動劇烈程度的標志，由于兩種狀態(tài)下的溫度是相同的，故兩種狀態(tài)下水分子熱運動的劇烈程度是相同的，選項B錯誤；水發(fā)生等溫變化，分子平均動能不變，因水分子總數(shù)不變，分子的總動能不變，根據(jù)熱力學(xué)第一定律ΔU＝Q＋W，可得水的內(nèi)能的變化量ΔU＝2260J－170J＝2090J，即水的內(nèi)能增大2090J，則水分子的總勢能增大了2090J，選項C正確；在整個過程中能量是守恒的，選項D錯誤；1g水所含的分子數(shù)為n＝eq\f(m,M)NA＝eq\f(1,18)×6.0×1023＝3.3×1022(個)，選項E正確。 答案ACE二、非選擇題8．如圖1所示，為測量大氣壓強的實驗裝置，將一定質(zhì)量的氣體密封在燒瓶內(nèi)，燒瓶通過細玻璃管與注射器和裝有水銀的U形管連接，最初豎直放置的U形管兩臂中的水銀柱等高，燒瓶中氣體體積為800mL；現(xiàn)用注射器緩慢向燒瓶中注入200mL的水，穩(wěn)定后兩臂中水銀面的高度差為25cm，不計玻璃管中氣體的體積，環(huán)境溫度不變。求圖1 (1)大氣壓強p0(用“cmHg”做壓強單位)； (2)此過程中外界對燒瓶內(nèi)的氣體________(填“做正功”、“做負功”、“不做功”)，氣體將________(填“吸熱”或“放熱”)。 解析(1)設(shè)大氣壓強為p0 初狀態(tài)：p1＝p0，V1＝800mL 注入水后：p2＝p0＋p，V2＝600mL 由玻意耳定律得：p1V1＝p2V2 解得：p0＝75cmHg。 (2)氣體體積減小，外界對氣體做正功，溫度不變，氣體的內(nèi)能不變，由熱力學(xué)第一定律知，應(yīng)對外放熱。 答案(1)75cmHg(2)做正功放熱9．一定質(zhì)量的氣體，在從狀態(tài)1變化到狀態(tài)2的過程中，吸收熱量280J，并對外做功120J，試問： (1)這些氣體的內(nèi)能怎樣發(fā)生變化？變化了多少？ (2)如果這些氣體又返回原來的狀態(tài)，并放出了240J熱量，那么在返回的過程中是氣體對外界做功，還是外界對氣體做功？做功多少？ 解析(1)由熱力學(xué)第一定律可得ΔU＝W＋Q＝－120J＋280J＝160J，氣體的內(nèi)能增加了160J。 (2)由于氣體的內(nèi)能僅與狀態(tài)有關(guān)，所以氣體從狀態(tài)2回到狀態(tài)1的過程中內(nèi)能應(yīng)減少，其減少量應(yīng)等于從狀態(tài)1到狀態(tài)2的過程中內(nèi)能的增加量，則從狀態(tài)2到狀態(tài)1的內(nèi)能應(yīng)減少160J，即ΔU′＝－160J，又Q′＝－240J，根據(jù)熱力學(xué)第一定律得：ΔU′＝W′＋Q′，所以W′＝ΔU′－Q′＝－160J－(－240J)＝80J，即外界對氣體做功80J。 答案(1)增加160J(2)外界對氣體做功80J10．(2016·山西忻州一中等四校聯(lián)考)一定質(zhì)量的理想氣體從狀態(tài)A變化到狀態(tài)B再變化到狀態(tài)C，其狀態(tài)變化過程的p－V圖象如圖2所示。已知該氣體在狀態(tài)A時的溫度為27℃。圖2 (1)求該氣體在狀態(tài)B、C時的溫度； (2)該氣體從狀態(tài)A到狀態(tài)C的過程中是吸熱還是放熱？傳遞的熱量是多少？ 解析(1)氣體從狀態(tài)A到狀態(tài)B做等容變化，由查理定律有eq\f(pA,TA)＝eq\f(pB,TB)，解得TB＝200K，即tB＝－73℃； 氣體從狀態(tài)B到狀態(tài)C做等壓變化，由蓋－呂薩克定律有eq\f(VB,TB)＝eq\f(VC,TC)，解得TC＝300K，即tC＝27℃。 (2)因為狀態(tài)A和狀態(tài)C溫度相等，且理想氣體的內(nèi)能是所有分子的動能之和，溫度是分子平均動能的標志，所以在這個過程中ΔU＝0， 由熱力學(xué)第一定律ΔU＝Q＋W得Q＝－W。 在整個過程中，氣體在B到C過程對外做功，故 W＝－pBΔV＝－200J。 即Q＝－W＝200J，是正值，所以氣體從狀態(tài)A到狀態(tài)C過程中是吸熱，吸收的熱量Q＝200J。 答案(1)－73℃27℃(2)吸收熱量200J11．(2017·濰坊模擬)如圖3所示在絕熱汽缸內(nèi)，有一絕熱輕活塞封閉一定質(zhì)量的氣體，開始時缸內(nèi)氣體溫度為27℃，封閉氣柱長9cm，活塞橫截面積S＝50cm2?，F(xiàn)通過汽缸底部電阻絲給氣體加熱一段時間，此過程中氣體吸熱22J，穩(wěn)定后氣體溫度變?yōu)?27℃。已知大氣壓強等于105Pa，求：圖3 (1)加熱后活塞到汽缸底端的距離； (2)此過程中氣體內(nèi)能改變了多少。 解析(1)取被封閉的氣體為研究的對象，開始時氣體的體積為L1S，溫度為：T1＝(273＋27)K