人教版高中物理选择性必修第3册课后习题 第三章 热力学定律 2.热力学第一定律

2.热力学第一定律
课后篇素养形成
必备知识基础练
1.一定质量的气体在保持压强恒等于1.0×105 Pa的状况下,体积从20 L 膨胀到30 L,这一过程中气体从外界吸热4×103 J,则气体内能的变化为( )
A.增加了5×103 J
B.减少了5×103 J
C.增加了3×103 J
D.减少了3×103 J
W外
=pΔV=1.0×105Pa×(30-20)×10-3m3=1.0×103J。

这一过程气体从外界吸热Q=4×103J。

热力学第一定律ΔU=W+Q,气体对外做功,W应取负值,则可得ΔU=-1.0×103J+4.0×103J=3.0×103J,即气体内能增加了3×103J。

故选项C正确。

2.(浙江金华三校高二下学期检测)如图所示,给旱区送水的消防车停于水平地面。

在缓慢放水过程中,若车胎不漏气,胎内气体温度不变,不计分子间势能,则胎内气体( )
A.从外界吸热
B.对外界做负功
C.分子平均动能减小
D.内能增加
,胎内气体压强减小,气体膨胀对外界做正功,选项B 错误;胎内气体温度不变,故分子平均动能不变,选项C错误;由于不计分子间势能,气体内能只与温度有关,温度不变,内能不变,选项D错
误;ΔU=W+Q,ΔU=0,W<0,故Q>0,气体从外界吸热,选项A正确。

3.(天津二模)如图所示,一个内壁光滑、导热良好的汽缸悬挂在天花板上,
轻质活塞上方封闭着理想气体,外界环境温度不变,若用向下的力F缓慢
将活塞向下拉动一小段距离,则( )
A.缸内气体的温度可能降低
B.缸内气体分子的平均动能会减小
C.缸内气体会吸热
D.若拉力F对活塞做的功为W,则缸内气体的内能减少了W
,缸内气体对外做功,温度会降低,但由于导热良好
的汽缸会吸热,最终温度与外界相同,分子平均动能不变,气体内能不变,
故A、B错误,C正确;根据以上分析结合热力学第一定律知,若拉力F对活塞做的功为W,则缸内气体吸热,内能不变,故D错误。

4.(江苏苏州期中)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,储气室内气体内能不变
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,储气室内气体吸热
D.喷水过程中,储气室内气体压强不变
,储气室内气体质量增大,温度不变,平均动能不变,但内能增大,故A、B错误。

喷水过程中,液体液面下降,气体体积增大,储气室内气体压强减小,气体体积增大,对外做功,而温度不变,由热力学第一定律知储气室内气体吸热,故C正确,D错误。

5.如图所示,汽缸和活塞与外界均无热交换,中间有一个固定的导热性良好的隔板,封闭着两部分气体A和B,活塞处于静止状态。

现通过电热丝对气体A加热一段时间,后来活塞达到新的平衡,不计气体分子势能,不计活塞与汽缸壁间的摩擦,大气压强保持不变,则下列判断正确的是( )
A.气体A吸热,但对外做功,内能不变
B.气体B吸热,对外做功,内能不变
C.气体A和气体B内每个分子的动能都增大
D.气体B分子单位时间内对器壁单位面积碰撞次数减少
A吸热Q>0,体积不变,W=0,根据热力学第一定律ΔU=Q+W,可知ΔU>0,气体温度升高,故A错误。

对B上方活塞进行受力分析,根据平衡条件可知,气体B的压强不变;由于隔板导热性良好,气体B会吸收A气体的
=C,压强不变,温度升高,故B错误。

气体热量,再根据理想气体状态方程pV
T
A和气体B温度都上升了,分子的平均动能都增大;分子平均动能是大量分子的一种统计规律,分子的平均动能增大,并非每一个分子的动能都会增大,故C错误。

根据气体压强的微观意义,气体压强和分子单位时间内对器壁单位面积碰撞次数、分子平均动能有关;在压强不变的情况下,气体B 的分子平均动能增大,气体B分子单位时间内对器壁单位面积碰撞次数减少,故D正确。

6.(山东肥城模拟)一定质量的理想气体由状态a经状态b、c到状态d,其体积V与热力学温度T关系如图所示,O、a、d三点在同一直线上,ab和cd平行于横轴,bc平行于纵轴,则下列说法正确的是( )
A.从状态a到状态b,气体放热
B.从状态a到状态b,每个气体分子的动能都增大
C.从状态b到状态c,气体对外做功,内能减小
D.从状态a到状态d,气体内能增加
a到状态b体积不变,发生的是等容变化,气体不做功W=0,温度升高,内能增加ΔU>0,根据热力学第一定律ΔU=W+Q,可知Q>0,气体吸收热量,故A错误;气体从状态a到状态b,温度升高,分子平均动能增大,但不是每个气体分子的动能都会增大,故B错误;由状态b变到状态c的过程中,温度不变,内能不变,ΔU=0,故C错误;从状态a到状态d温度升高,故气体内能增加,故D正确。

关键能力提升练
7.(多选)如图所示,一定质量的理想气体,由状态A沿直线AB过程变化到状态B,再由B沿直线BC过程变化到状态C,然后由C沿直线CA过程变化到状态A,在此循环过程中,下列说法正确的是( )
A.在AB过程中,气体分子的平均速率先增大后减小
B.在AB过程中,气体对外做的功大于气体吸收的热量
C.在BC过程中,气体的内能增大
D.在CA过程中,气体对外不做功
E.经过ABCA一个循环过程,气体对外做的功等于从外界吸收的热量
解析根据pV
T
=C可知T与pV成正比,气体由状态A沿直线AB变化到状态B,由图看出,pV先增大后减小,则温度T先升高后降低,则分子平均动能先增大后减小,分子平均速率也先增大后减小,故A正确;根据理想气体状态方
程得p A V A
T A =p B V B
T B
,可得T A=T B,所以由状态A到状态B,温度不变,内能不
变,ΔU=0,从A到B体积变大,气体对外界做功,W<0,根据热力学第一定律知ΔU=W+Q,知Q>0,气体吸热且吸收的热量等于气体对外做的功,故B错误;
在BC过程中,根据理想气体状态方程得p B V B
T B =p C V C
T C
,可得T B=4T C,所以气体
的内能减小,故C错误;在C到A过程中体积不变,气体对外界不做功,故D 正确;经过ABCA一个循环过程,气体的温度不变,内能不变,根据热力学第
一定律,知ΔU=W+Q,气体对外做的功等于从外界吸收的热量,故E正确。

所以A、D、E正确,B、C错误。

8.(多选)如图所示,两端开口、下端连通的导热汽缸,用两个轻质绝热活塞(截面积分别为S1和S2)封闭一定质量的理想气体,活塞与汽缸壁间无摩擦。

在左端活塞上缓慢加细沙,活塞从A下降h高度到B位置时,活塞上细沙的总质量为m。

在此过程中,用外力F作用在右端活塞上,使活塞位置始终不变。

整个过程环境温度和大气压强p0保持不变,系统始终处于平衡状态,
重力加速度大小为g。

下列说法正确的是( )
A.整个过程,外力F做功大于0,小于mgh
B.整个过程,理想气体的分子平均动能保持不变
C.整个过程,理想气体的内能增大
D.整个过程,理想气体向外界释放的热量小于(p0S1h+mgh)
E.左端活塞到达B位置时,外力F等于mgS2
S1
S2没有移动,所以外力F做功为零,选项A错误。

由于环境温度不变,汽缸导热,汽缸内理想气体温度不变,分子平均动能不变,所以理想气体内能不变,选项B正确,C错误。

整个过程中,因为m是不断增加的,压力做功小于p0S1h+mgh,根据热力学第一定律可知,选项D正确。

选右侧活塞为研究对象,根据平衡条件有F+p0S2=pS2;选左侧活塞为研究对象,根据平衡条件有mg+p0S1=pS1,联立解得F=mgS2
,选项E正确。

S1
9.(江苏一模)(1)下图为某同学设计的一个温度计,一金属球形容器上部有一开口的玻璃管,玻璃管内水银柱封闭着一定质量的理想气体,外界大气压保持不变,当水银柱缓慢上升时,容器内壁的单位面积上受到气体分子的平均作用力(选填“增大”“不变”或“减小”),气体对外做功(选填“大于”“等于”或“小于”)吸收的热量。

(2)如果玻璃管内部横截面积为S,当外界热力学温度为T1时,空气柱长度为l1,现把容器浸在热力学温度为T2的热水中,空气柱长度变为l2,不计容器的热胀冷缩,试求该容器球形部分内部的容积V。

不变小于(2)(l2T1-l1T2)S
T2-T1
封闭气体的压强p=p0+ρgh,压强不变,容器内壁的单位面积上受
到气体分子的平均作用力不变;水银柱缓慢上升时,气体体积增大,气体对
外界做功(W<0),根据理想气体状态方程pV
T
=C,温度一定升高,内能增大(ΔU>0),再根据热力学第一定律ΔU=Q+W>0,所以|W|<Q,即气体对外做功小于吸收的热量。

(2)气体初状态体积为V1=V+l1S,温度为T1,气体末状态体积为V2=V+l2S,温
度为T2,气体等压变化,根据盖-吕萨克定律V1
T1=V2
T2
得V=(l2T1-l1T2)S
T2-T1。

10.(山东模拟)为了方便监控高温锅炉外壁的温度变化,可在锅炉的外壁
上镶嵌一个导热性能良好的汽缸,汽缸内封闭气体温度与锅炉外壁温度相等。

如图所示,汽缸右壁的压力传感器与活塞通过轻弹簧连接,活塞左侧封闭气体可看作理想气体。

已知大气压强为p0,活塞横截面积为S,不计活塞质量和厚度及与汽缸壁的摩擦。

当锅炉外壁温度为T0时,活塞与汽缸左壁的间距为L,传感器的示数为0。

温度缓慢升高到某一值时,传感器的示数
为p0S,若弹簧的劲度系数为p0S
L。

(1)求此时锅炉外壁的温度;
(2)若已知该过程汽缸内气体吸收的热量为Q,求气体内能的增加量。

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0 (2)Q-3p 0SL 2
传感器的示数为p 0S 时,封闭气体的压强为p=p 0+F S =2p 0
活塞向右移动的距离为x=F k =L 由理想气体状态方程p 0LS T 0=p (L+x )S T 解得T=4T 0。

(2)该过程气体对外做功为W=p 0S+2p 0S
2L=3p 0SL
2
根据热力学第一定律可得ΔU=Q -W=Q-3p 0SL 2。