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2024教科版高中物理选择性必修第三册同步
综合拔高练
五年高考练
考点1 热力学第一定律的理解与应用
1.[2023全国甲,33(1)]在一汽缸中用活塞封闭着一定量的理想气体,发生下列缓慢变化过程,气体一定与外界有热量交换的过程是 ( )
A.气体的体积不变,温度升高
B.气体的体积减小,温度降低
C.气体的体积减小,温度升高
D.气体的体积增大,温度不变
E.气体的体积增大,温度降低
2.(2022山东,5)如图所示,内壁光滑的绝热汽缸内用绝热活塞封闭一定质量的理想气体,初始时汽缸开口向上放置,活塞处于静止状态,将汽缸缓慢转动90°过程中,缸内气体 ( )
A.内能增加,外界对气体做正功
B.内能减小,所有分子热运动速率都减小
C.温度降低,速率大的分子数占总分子数比例减少
D.温度升高,速率大的分子数占总分子数比例增加
3.[2021湖南,15(1)]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
考点2 气体实验定律和热力学第一定律的综合应用
4.[2023全国乙,33(1)]对于一定量的理想气体,经过下列过程,其初始状态的内能与末状态的内能可能相等的是 ( )
A.等温增压后再等温膨胀
B.等压膨胀后再等温压缩
C.等容减压后再等压膨胀
D.等容增压后再等压压缩
E.等容增压后再等温膨胀
5.(2020天津,5)水枪是孩子们喜爱的玩具,常见的气压式水枪储水罐示意图如图所示。从储水罐充气口充入气体,达到一定压强后,关闭充气口。扣动扳机将阀门M打开,水即从枪口喷出。若在水不断喷出的过程中,罐内气体温度始终保持不变,则气体 ( )
A.压强变大
B.对外界做功
C.对外界放热
D.分子平均动能变大
6.[2022全国甲,33(1)]一定量的理想气体从状态a变化到状态b,其过程如p-T图上从a到b的线段所示。在此过程中 ( )
A.气体一直对外做功
B.气体的内能一直增加
C.气体一直从外界吸热
D.气体吸收的热量等于其对外做的功
E.气体吸收的热量等于其内能的增加量
7.[2022全国乙,33(1)]一定量的理想气体从状态a经状态b变化到状态c,其过程如T-V图上的两条线段所示。则气体在 ( )
A.状态a处的压强大于状态c处的压强
B.由a变化到b的过程中,气体对外做功
C.由b变化到c的过程中,气体的压强不变
D.由a变化到b的过程中,气体从外界吸热
E.由a变化到b的过程中,从外界吸收的热量等于其增加的内能
8.(2022江苏,7)如图所示,一定质量的理想气体分别经历a→b和a→c两个过程,其中a→b为等温过程,状态b、c的体积相同,则 ( )
A.状态a的内能大于状态b
B.状态a的温度高于状态c
C.a→c过程中气体吸收热量
D.a→c过程中外界对气体做正功
9.(2023新课标,21)如图所示,一封闭着理想气体的绝热汽缸置于水平地面上,用轻弹簧连接的两绝热活塞将汽缸分为f、g、h三部分,活塞与汽缸壁间没有摩擦。初始时弹簧处于原长,三部分中气体的温度、体积、压强均相等。现通过电阻丝对f中的气体缓慢加热,停止加热并达到稳定后 ( )
A.h中的气体内能增加
B.f与g中的气体温度相等
C.f与h中的气体温度相等
D.f与h中的气体压强相等
10.(2023浙江1月选考,17)某探究小组设计了一个报警装置,其原理如图所示。在竖直放置的圆柱形容器内用面积S=100 cm2、质量m=1 kg的活塞密封一定质量的理想气体,活塞能无摩擦滑动。开始时气体处于温度TA=300 K、活塞与容器底的距离h0=30 cm的状态A。环境温度升高时容器内气体被加热,活塞缓慢上升d=3 cm恰好到达容器内的卡口处,此时气体达到状态B。活塞保持不动,气体被继续加热至温度TC=363 K的状态C时触动报警器。从状态A到状态C的过程中气体内能增加了ΔU=158 J。取大气压p0=0.99×105 Pa,重力加速度g=10 m/s2,求:
(1)气体在状态B的温度;
(2)气体在状态C的压强;
(3)由状态A到状态C过程中从外界吸收的热量Q。
考点3 热力学第二定律的理解与应用
11.[2022广东,15(1)]利用空调将热量从温度较低的室内传递到温度较高的室外环境,这个过程 (填“是”或“不是”)自发过程。该过程空调消耗了电能,空调排放到室外环境的热量 (填“大于”“等于”或“小于”)从室内吸收的热量。
12.[2022湖南,15(1)]利用“涡流效应”可实现冷热气体的分离。如图所示,一冷热气体分离装置由喷嘴、涡流室、环形管、分离挡板和冷热两端管等构成。高压氮气由喷嘴切向流入涡流室中,然后以螺旋方式在环形管中向右旋转前进,分子热运动速率较小的气体分子将聚集到环形管中心部位,而分子热运动速率较大的气体分子将聚集到环形管边缘部位。气流到达分离挡板处时,中心部位气流与分离挡板碰撞后反向,从A端流出,边缘部位气流从B端流出。下列说法正确的是 ( )
A.A端为冷端,B端为热端
B.A端流出的气体分子热运动平均速率一定小于B端流出的
C.A端流出的气体内能一定大于B端流出的
D.该装置气体进出的过程满足能量守恒定律,但违背了热力学第二定律
E.该装置气体进出的过程既满足能量守恒定律,也满足热力学第二定律
三年模拟练
应用实践
1.(2023山东菏泽模拟)一个充气气球用绳子拴着一块石头正在湖水中缓慢下沉,越往下水温越低,气球导热性能良好,则气球内气体 ( )
A.内能增加
B.对外界做正功
C.减少的内能小于放出的热量
D.减少的内能大于放出的热量
2.(2023湖北宜昌模拟)一定质量的理想气体,从A经B、C变化到D的状态变化过程的p-V图像如图所示,AB与横轴平行,BC与纵轴平行,O、D、C在同一直线上。已知A状态时温度为400 K,从A状态至B状态气体吸收了320 J的热量,下列说法正确的是 ( )
A.D状态的温度为225 K
B.A状态的内能大于C状态的内能
C.从A状态至D状态整个过程中,气体对外做功62.5 J
D.从A状态到B状态的过程中,气体内能增加了240 J
3.(2023安徽宣城期末)A、B汽缸的水平长度均为20 cm,体积均为V,由细管相连。C是可在汽缸内无摩擦滑动且体积不计的活塞,D为阀门,整个装置均由导热材料制成且环境温度恒定。开始时,阀门关闭,A内有压强4p0的氮气,B内有压强2p0的氧气,阀门打开后,活塞C向右移动,最后达到平衡。已知p0=1.0×105 Pa,下列说法正确的有 ( )
A.活塞C向右移动了10 cm
B.平衡后A汽缸内的压强为3.0×105 Pa
C.A汽缸内气体对外做功,要从外界吸热
D.若B汽缸抽成真空且没有活塞,打开阀门D,A汽缸中气体要对外做功,要从外界吸热
4.(2023江西宜春联考)如图所示,长方体容器体积为V0=3 L,右上方有一开口与外界相连,活塞将导热容器分成左、右两部分,外界温度为27 ℃时,左、右体积之比为1∶2。当外界温度缓慢上升时,活塞就会缓慢移动。设大气压强为p0=1.0×105 Pa且保持不变,不计活塞与容器间的摩擦,T=(t+273) K,求:
(1)活塞刚好移动到容器的正中央时,外界的温度;
(2)活塞移动到容器正中央的过程中,若左侧容器中气体的内能增加ΔU=10 J,左边容器内气体吸收的热量。
迁移创新
5.(2023浙江阶段练习)如图甲所示,一端带有卡口的导热汽缸水平放置,一定质量的理想气体被活塞A封闭在该汽缸内,活塞A可沿汽缸壁无摩擦滑动且不漏气,开始时活塞A与汽缸底的距离L1=9 cm,离汽缸口的距离L2=3 cm。已知活塞A的质量m=20 kg,横截面积S=100 cm2,外界气温为27 ℃,大气压强为1.0×105 Pa,重力加速度g=10 m/s2,活塞厚度不计。现将汽缸缓慢地转到开口竖直向上放置,待稳定后对汽缸内气体逐渐加热,T=t+273 K。
(1)使活塞A缓慢上升到上表面刚好与汽缸口相平,求此时缸内气体的热力学温度;
(2)在对缸内气体加热过程中,活塞A缓慢上升到上表面刚好与汽缸口相平,缸内气体吸收Q1=370 J的热量,求气体增加了多少焦耳的内能;
(3)在(2)问基础上,继续加热,当缸内气体再吸收Q2=474 J的热量时,求此时缸内气体的温度和压强;(已知一定质量的理想气体内能与热力学温度成正比)
(4)若汽缸水平放置时,在卡口内紧贴卡口处放置一个活塞B(活塞B除带有一轻质进气阀外,其余均与活塞A相同),把汽缸分为Ⅰ和Ⅱ两部分,Ⅱ中充有同种理想气体,此时活塞A位置未动,活塞B恰好没有挤压卡口,如图乙所示。同样先将汽缸缓慢地转到开口竖直向上放置,稳定后通过活塞B上的进气阀缓慢向Ⅱ中注入同种理想气体,活塞A距汽缸底端L3=3 cm时,停止注入气体,关闭进气阀。求注入Ⅱ中的气体质量与Ⅰ中气体质量之比。
甲
乙
综合拔高练
五年高考练
1.ABD 2.C 3.BDE 4.ACD 5.B 6.BCE
7.ABD 8.C 9.AD 12.ABE
1.ABD 根据热力学第一定律ΔU=W+Q可知,气体的体积不变,W=0,温度升高,ΔU>0,故Q>0,吸收热量,故选项A正确。气体的体积减小,W>0,若温度降低,ΔU<0,故Q<0,放出热量;若温度升高,ΔU>0,可能吸收热量,也可能放出热量,还可能不吸热也不放热,故选项B正确,C错误。气体的体积增大,W<0,若温度不变,ΔU=0,故Q>0,吸收热量;若温度降低,ΔU<0,可能吸收热量,也可能放出热量,还可能不吸热也不放热,故选项D正确,E错误。
2.C 设活塞质量为m,大气压强为p0,题左图中缸内气体压强为p1,题右图中缸内气体压强为p2,活塞的横截面积为S,则p1S=mg+p0S,即p1=+p0,p2S=p0S,即p2=p0,因此在该过程中气体压强变小,体积增大,气体膨胀对外做功,则外界对气体做的功W<0,由于是绝热容器,即Q=0,根据热力学第一定律ΔU=Q+W可知ΔU<0,即理想气体内能减小,气体温度降低,选项A错误;理想气体的温度降低,分子平均动能减小,但并不是所有气体分子的运动速率都会减小,选项B错误;根据理想气体的分子运动速率分布规律,当温度降低时,速率大的分子占比将会减小,选项C正确,D错误。
3.BDE 由于右端活塞静止不动,外力F未对活塞做功,选项A错误;由于汽缸导热,在缓慢加细沙过程中,理想气体的温度不变,气体分子的平均动能不变,内能不变,选项B正确,选项C错误;由于理想气体的内能不变,根据热力学第一定律可知,理想气体向外界释放的热量等于外界对气体所做的功,由于在左端活塞上缓慢加细沙,质量是逐渐增大到m的,因此细沙重力做的功小于mgh,即外界对气体所做的功小于(p0S1h+mgh),选项D正确;当左端活塞到达B位置时,对左端活塞及细沙受力分析,得mg+p0S1=pS1,对右端活塞受力分析,得F+p0S2=pS2,联立可得=,即F=,选项E正确。故选B、D、E项。
4.ACD 理想气体初始状态与末状态的内能相等即初始状态与末状态的温度相等。A选项中整个过程中温度不变,则理想气体内能不变,A正确;由理想气体状态方程 =C(常量)可知, B选项中,p不变,V增大,则T增大,然后T不变,则末状态较初始状态温度升高,内能增大 ,B错误;C选项中,先V不变,p减小,则T减小,然后p不变,V增大,则T又变大,初末状态温度可能相等,即理想气体初末状态内能可能相等,C正确;D选项中,先V不变,p增大,则T增大,然后p不变,V减小,则T减小,初末状态温度可能相等,即理想气体初末状态内能可能相等,D正确;E选项中,先V不变,p增大,则T变大,然后T不变,则内能增大,E错误。故选A、C、D。
5.B 由题意知,水不断喷出,气体体积增大,温度不变,由玻意耳定律得,罐内气体压强减小,A错误;气体体积增大,对外做功,B正确;温度是分子平均动能的标志,故温度不变,分子平均动能不变,D错误;温度不变,气体对外做功,由热力学第一定律得气体需要从外界吸收热量,C错误。
6.BCE p-T图线过坐标原点,因此气体从状态a到状态b发生等容变化,气体没有对外做功,A、D错误;从状态a到状态b气体温度升高,一定量的理想气体的内能只与温度有关,温度升高,内能增加,B正确;根据热力学第一定律可知气体从外界吸热,且吸收的热量等于其内能的增加量,C、E正确。
7.ABD 根据=C,知越小,p越大,因此pa=pb>pc,A正确,C错误。由a→b,压强不变,体积增大,对外做功,温度升高,内能增加,由热力学第一定律可知,吸收热量,且吸收的热量大于对外所做的功,B、D正确,E错误。
8.C 由于a→b的过程为等温过程,即状态a和状态b温度相同,分子平均动能相同,对于理想气体状态a的内能等于状态b的内能,选项A错误;由于状态b和状态c体积相同,且pb
10.答案 (1)330 K (2)1.1×105 Pa (3)188 J
解析 (1)根据题意可知,气体由状态A变化到状态B的过程中,封闭气体的压强不变,则有=,
解得TB=TA=330 K。
(2)气体从状态A到状态B的过程中,活塞缓慢上升,则pBS=p0S+mg,
解得pB=1×105 Pa,
根据题意可知,气体由状态B变化到状态C的过程中,气体的体积不变,则有=,
解得pC=pB=1.1×105 Pa。
(3)根据题意可知,从状态A到状态C的过程中气体对外做功的大小为W=pBSd=30 J,
由热力学第一定律有ΔU=-W+Q,
解得Q=ΔU+W=188 J。
11.答案 不是 大于
解析 空调将热量从温度较低的室内传递到温度较高的室外是通过压缩机做功完成的,不是自发过程;空调排放到室外环境的热量包括空调机消耗电能产生的热量及从室内吸收的热量,则空调排放到室外环境的热量大于从室内吸收的热量。
12.ABE 分子热运动速率较小的气体分子,温度较低,在环形管中心部位聚集,与分离挡板碰撞后反弹,最后从A端流出,则A端为冷端,B端为热端,A、B正确;气体内能与分子热运动的总动能有关,而总动能由气体分子热运动平均速率与分子数共同决定,C项错误;本题中利用高压氮气实现冷热气体的分离,说明该热现象不是在自然条件下进行的,装置中气体进出过程,满足能量守恒定律和热力学第二定律,E正确,D错误。
三年模拟练
1.C 充气气球用绳子拴着一块石头在湖水中缓慢下沉,越往下水温越低,压强越大,内能减少;根据理想气体状态方程=C,可知气球体积减小,外界对气体做正功,W>0;根据热力学第一定律ΔU=Q+W,可知放出的热量大于减少的内能,故C正确,A、B、D错误。
2.ACD 根据=,可得TD=225 K,故A正确;由于A、C两状态的pV乘积相等,可知温度相同,即A状态的内能等于C状态的内能,故B错误;因p-V图线与横轴所围的面积表示气体做的功,则从A状态至D状态整个过程中,气体对外做功W=0.4×105×2×10-3 J-J=62.5 J,C正确;从A状态到B状态的过程中,气体吸收了320 J的热量,同时气体对外做功WAB=0.4×105×2×10-3 J=80 J,故气体内能增加了240 J,D正确。
3.BC 设阀门打开后,活塞C向右移动了x,最后达到平衡时A、B内气体的压强均为p,A、B内气体的初始体积均为V,则对A、B内气体由等温变化规律可得pAV=p(V+Sx),pBV=p(V-Sx),解得x= cm=6.7 cm,p=3.0×105 Pa,A错误,B正确;由于整个装置均由导热材料制成且环境温度恒定,所以气体温度保持不变,气体内能不变,即ΔU=0,又因为气体A膨胀,对外做功,即W<0,所以由热力学第一定律ΔU=W+Q得Q>0,即气体A要从外界吸热,C正确;若B汽缸抽成真空且没有活塞,打开阀门D后,A汽缸中气体自由膨胀对外不做功,又因为气体内能不变,所以A中气体既不需要从外界吸热也不向外界放热,D错误。
4.答案 (1)450 K (2)60 J
解析 (1)活塞缓慢移动过程中,两侧气体的压强相等,因为右侧气体压强始终等于大气压强,故左侧气体经历等压变化,
初始状态:T1=(27+273)K=300 K,V1=V0=1 L,
末状态:V2=V0=1.5 L,
由等压变化规律可得=,
解得外界温度为T2=450 K。
(2)活塞移动到容器正中央的过程中,左边容器中气体对外做功,则W=-p0SL=-p0=-=-50 J,
由热力学第一定律ΔU=Q+W可得Q=ΔU-W=60 J。
5.答案 (1)480 K (2)316 J (3)750 K
1.875×105 Pa (4)
解析 (1)以气体为研究对象,汽缸由水平放置(状态0),转到开口竖直向上放置稳定后(状态1),再到活塞A刚好与汽缸口相平(状态2),由理想气体状态方程有==,
由题知p1=p2=p0+=1.2×105 Pa,
V0=L1S,V2=(L1+L2)S,T0=T1=(27+273)K=300 K,
联立解得T2=480 K。
(2)汽缸从开始水平放置到汽缸口向上,未加热稳定时,由等温变化规律得p0L1S=p1LS,
解得L==7.5 cm。
加热过程,气体做等压变化,外界对气体做功为
W=-p1S(L1+L2-L)=-54 J,
根据热力学第一定律有ΔU1=W+Q1,
解得ΔU1=316 J。
(3)由题意分析可得ΔU2=Q2,
根据一定质量的理想气体内能与热力学温度成正比,有=,
此时缸内气体的温度T3=750 K,
根据理想气体状态方程有=,
解得p3=1.875×105 Pa。
(4)当汽缸水平放置时,Ⅰ和Ⅱ内气体压强均为p0,设汽缸充气结束时Ⅰ中气体的压强为p4,由等温变化规律得p0L1S=p4L3S,解得p4=3p0,
设汽缸充气结束时,Ⅱ中气体的压强为p5,活塞A的受力分析如图所示,有p4S=p5S+mg,
解得p5=2.8p0,p5>p0+,故B紧贴卡口,
设充入气体压强为p0,体积为L4S,把Ⅱ中原有气体与注入的气体作为整体,根据等温变化规律有p5(L1+L2-L3)S=p0L2S+p0L4S,
得L4=22.2 cm,
则充入气体的质量和Ⅰ中气体的质量之比==。
知识迁移 解答本题的关键是分析清楚气体状态变化过程,抓住题目中的条件“一定质量的理想气体内能与热力学温度成正比”,将能量与气体的状态参量温度结合起来,再综合应用一定质量的理想气体状态方程与热力学第一定律分析,应用热力学第一定律解题时要注意各量的正负。
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