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2024鲁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 热力学定律的理解及应用
1.[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
2.(2022山东,5)如图所示,内壁光滑的绝热气缸内用绝热活塞封闭一定质量的理想气体,初始时气缸开口向上放置,活塞处于静止状态,将气缸缓慢转动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.[2022湖南,15(1)]利用“涡流效应”可实现冷热气体的分离。如图,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
4.
(2021山东,2)如图所示,密封的矿泉水瓶中,距瓶口越近水的温度越高。一开口向下、导热良好的小瓶置于矿泉水瓶中,小瓶中封闭一段空气。挤压矿泉水瓶,小瓶下沉到底部;松开后,小瓶缓慢上浮。上浮过程中,小瓶内气体 ( )
A.内能减少
B.对外界做正功
C.增加的内能大于吸收的热量
D.增加的内能等于吸收的热量
5.[2021河北,15(1)]两个内壁光滑、完全相同的绝热气缸A、B,气缸内用轻质绝热活塞封闭完全相同的理想气体,如图1所示。现向活塞上表面缓慢倒入细沙,若A中细沙的质量大于B中细沙的质量,重新平衡后,气缸A内气体的内能 (填“大于”“小于”或“等于”)气缸B内气体的内能。图2为重新平衡后A、B气缸中气体分子速率分布图像,其中曲线 (填图像中曲线标号)表示气缸B中气体分子的速率分布规律。
图1
图2
6.[2021湖南,15(1)]如图,两端开口、下端连通的导热气缸,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,活塞与气缸壁间无摩擦。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
7.[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
考点2 热力学定律与气体实验定律的综合
8.(2023山东,9)一定质量的理想气体,初始温度为300 K,压强为1×105 Pa。经等容过程,该气体吸收400 J的热量后温度上升100 K;若经等压过程,需要吸收600 J的热量才能使气体温度上升100 K。下列说法正确的是 ( )
A.初始状态下,气体的体积为6 L
B.等压过程中,气体对外做功400 J
C.等压过程中,气体体积增加了原体积的
D.两个过程中,气体的内能增加量都为400 J
9.[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
10.[2021全国乙,33(1)]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
11.(2023浙江6月选考,17)如图所示,导热良好的固定直立圆筒内用面积S=100 cm2、质量m=1 kg的活塞封闭一定质量的理想气体,活塞能无摩擦滑动。圆筒与温度300 K的热源接触,平衡时圆筒内气体处于状态A,其体积VA=600 cm3。缓慢推动活塞使气体达到状态B,此时体积VB=500 cm3。固定活塞,升高热源温度,气体达到状态C,此时压强pC=1.4×105 Pa。已知从状态A到状态C,气体从外界吸收热量Q=14 J;从状态B到状态C,气体内能增加ΔU=25 J;大气压p0=1.01×105 Pa;重力加速度g=10 m/s2。
(1)气体从状态A到状态B,其分子平均动能 (选填“增大”、“减小”或“不变”),圆筒内壁单位面积受到的压力 (选填“增大”、“减小”或“不变”);
(2)求气体在状态C的温度TC;
(3)求气体从状态A到状态B过程中外界对系统做的功W。
12.(2021江苏,13)如图所示,一定质量理想气体被活塞封闭在气缸中,活塞的面积为S,与气缸底相距L,气缸和活塞绝热性能良好。气体的压强、温度与外界大气相同,分别为p0、T0。现接通电热丝加热气体,一段时间后断开,活塞向右缓慢移动距离L后停止。活塞与气缸间的滑动摩擦力为f,最大静摩擦力等于滑动摩擦力。整个过程中气体吸收的热量为Q。求该过程中气体
(1)内能的增加量ΔU;
(2)最终温度T。
三年模拟练
应用实践
1.(2022陕西西北农林科技大学附中期中)根据热力学定律判断下列说法中正确的是 ( )
A.第一类永动机不违反能量守恒定律
B.当人类的科学技术发展到一定程度时永动机是可以制造出来的
C.墒增加原理说明一切自然过程总是向着分子热运动的无序性增加的方向进行
D.冰箱可以自发地使热量由温度较低的冰箱内向温度较高的冰箱外转移
2.(2022四川宜宾二诊)根据热力学定律和分子动理论,下列说法正确的是 ( )
A.布朗运动是液体分子的运动,它说明分子永不停息地做无规则运动
B.一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的
C.用活塞压缩密闭气缸里的气体,外界对气体做功2.0×105 J,同时气体向外界放出热量0.5×105 J,则气体内能增加了1.5×105 J
D.一定质量的理想气体温度升高1 K,其等容过程中吸收的热量小于等压过程吸收的热量
E.根据热力学第二定律可知,热量能够从高温物体传到低温物体,但不可能从低温物体传到高温物体
3.(2023山东青岛中学月考)气闸舱是载人航天器中可供航天员由太空返回用的气密性装置,其原理图如图所示。座舱A与气闸舱B之间装有阀门K,座舱A中充满空气,气闸舱B内为真空。打开阀门K,A中的气体进入B中,最终达到平衡。假设此过程中系统与外界没有热交换,舱内气体可视为理想气体,下列说法正确的是 ( )
A.气体扩散前后内能相同
B.由热力学定律可知气体向真空扩散的过程是可逆过程
C.气体等温膨胀,压强减小
D.气体绝热过程,对外做功,内能减小
E.气体分子单位时间内与A舱壁单位面积上的碰撞次数将减少
4.
(2021湖北石首第一中学月考)如图所示,水平放置的密封气缸内的气体被一竖直隔板分隔为左右两部分,隔板可在气缸内无摩擦滑动,右侧气体内有一电热丝。气缸壁和隔板均绝热。初始时隔板静止,左右两边气体温度相等。现给电热丝提供一微弱电流,通电一段时间后切断电流。当缸内气体再次达到平衡时,与初始状态相比 ( )
A.左边气体分子单位时间内撞击活塞的次数增加
B.左、右两边气体温度都升高
C.左边气体压强增大
D.右边气体内能的增加量等于电热丝放出的热量
5.(2022山东聊城二模)如图所示,一定质量的理想气体从状态A依次经过状态B、C、D后再回到状态A。其中AB和CD为等温过程,BC为等压过程,DA为等容过程,则在该循环过程中,下列说法正确的是 ( )
A.AB过程中,气体吸收热量
B.BC过程中,气体分子的平均动能不变
C.CD过程中,单位时间内碰撞器壁单位面积的分子数减少
D.若气体在BC过程中内能变化量的数值为2 kJ,与外界交换的热量为7 kJ,则在此过程中外界对气体做的功为5 kJ
6.(2022河北石家庄二中期中)一定质量的理想气体被活塞封闭在一端带有卡口的导热气缸内,如图所示。活塞的质量m=20 kg,横截面积S=100 cm2,活塞可沿气缸壁无摩擦滑动且不漏气。开始时使气缸水平放置,活塞与气缸底的距离L1=9 cm,离气缸口的距离L2=6 cm。外界气温为27 ℃,大气压强为1.0×105 Pa。现将气缸缓慢地转到开口向上的竖直位置,待稳定后对气缸内气体逐渐加热,已知g=10 m/s2,外界温度不变,活塞厚度不计。(取T=t+273 K)
(1)使活塞缓慢上升到上表面刚好与气缸口相平,求此时气体的温度为多少
(2)在对缸内气体加热过程中,活塞缓慢上升到上表面刚好与气缸口相平,气体净吸收Q1=370 J的热量,则气体增加的内能多大
(3)在(2)问基础上,继续加热,当气体再净吸收Q2=140 J的热量,求此时气体的温度和压强。(已知一定质量的理想气体内能与热力学温度成正比)
迁移创新
7.(2023浙江温州二模)如图甲为汽车中使用的氮气减振器,气缸中充入氮气后,能有效减少车轮遇到冲击时产生的高频振动。它的结构简图如图乙所示,气缸活塞截面积S=40 cm2,活塞及支架质量m=1 kg,气缸缸体导热性良好。现为了测量减震器的性能参数,将减震器竖直放置,充入氮气后密闭,活塞被卡环卡住,缸体内氮气处于气柱长度L=20 cm、压强pA=4.0×105 Pa的状态A,此时弹簧恰好处于原长。现用外力F向下压活塞,使其缓慢下降h=4 cm,气体达到状态B。从状态A到B过程气体放出热量Q=71.4 J。气缸内的氮气可视为理想气体,不计摩擦和外界温度变化,大气压强取p0=1.0×105 Pa,弹簧劲度系数k=1.0×104 N/m,重力加速度g=10 m/s2。求:
(1)状态B气体的压强pB;
(2)气体处于状态B时外力大小F;
(3)状态A到B过程外界对气体做的功W。
甲
乙
本章达标检测见增分测评卷
期中学业水平检测见增分测评卷
综合拔高练
五年高考练
1.ACD 2.C 3.ABE 4.B 6.BDE 7.BCE
8.AD 9.ABD 10.ABE
1.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,然后再等温压缩,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。
2.C 设活塞质量为m,大气压强为p0,左图中缸内气体压强为p1,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。
方法技巧 分析封闭的气体的压强问题时,常常需要对活塞受力分析,利用平衡条件分析,进而分析封闭的气体的压强。
3.ABE 分子热运动速率较小的气体分子,温度较低,内能较小,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,C项错误;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。
4.B 距瓶口越近水的温度越高,上浮过程中,小瓶内气体温度升高,内能增加,A错误;上浮过程中,小瓶内气体体积增加,对外界做正功,B正确;根据热力学第一定律可知,增加的内能小于吸收的热量,C、D错误。
5.答案 大于 ①
解析 对活塞有mg+p0S=pS,A中细沙多,A中活塞下降多,外界对A中气体做功多,A中气体内能大于B中气体内能,A中气体温度高,根据分子速率分布规律可知温度升高时分子速率分布峰值向右移,故曲线①表示气缸B中气体分子的速率分布规律。
6.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;由于气缸导热,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。
7.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,一定质量的理想气体内能只与温度有关,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增加量,C、E正确。
8.AD 对一定质量的理想气体,内能的大小取决于温度的高低,两个过程中的初温及末温相同,故内能的增加量相同,即ΔU2=ΔU1=400 J,故D正确;等压过程中,根据热力学第一定律有ΔU2=W+Q2,其中ΔU2=400 J,Q2=600 J,故W=-200 J,故气体对外界做功W'=200 J,由W'=p1ΔV解得ΔV=2 L,B错误;在等压过程中,有=,其中T1=300 K,ΔV=2 L,T2=400 K,解得V1=6 L,故A正确;等压过程中,气体体积增加了原体积的=,故C错误。
9.ABD 由理想气体状态方程=C,可得=,作原点和c的连线,由a、c两点与原点连线的斜率,可知>,故pa>pc,A正确;由状态a到b,可知V变大,则气体对外做功,B正确;由图可知,b、c不在等压线上,故C错误;由状态a到b,T升高,则内能变大,V变大,则气体对外做功,可知ΔU>0,W<0,由热力学第一定律ΔU=W+Q,可知Q>0,故气体从外界吸热,且吸收的热量大于其增加的内能,故D正确,E错误。
10.ABE ab过程中气体体积不变,则W=0,而pV增大,即温度升高,内能增加,故气体吸热,A项正确。ca过程中气体体积减小,外界对气体做功,且pV减小,即温度降低,内能减少,则气体放热,故C项错误,B项正确。由p-V图可见,bc过程中pV先增大后减小,则温度先升高后降低,故D项错误,E项正确。
11.答案 (1)不变 增大 (2)350 K (3)见解析
解析 (1)气体从状态A到状态B,由于圆筒导热良好,缓慢推动活塞时,气体做等温变化,温度是分子平均动能大小的标志,则分子平均动能不变,根据pAVA=pBVB,气体体积缩小时,压强增大,即圆筒内壁单位面积受到的压力增大。
(2)气体在A状态时,对活塞受力分析可得pAS+mg=p0S,解得封闭气体压强pA=1×105 Pa,对这部分气体研究可得=,代入数值解得TC=350 K。
(3)气体从状态A到状态B,外界对气体做功为W,气体内能不变;从状态B到状态C,体积不变,外界没有对气体做功,因此从状态A到状态C整个过程中,根据热力学第一定律有ΔU=W+Q,代入数值解得W=11 J。
12.答案 (1)Q-p0SL-fL (2)T=2T0
解析 (1)设活塞缓慢移动时气体压强为p,对活塞有pS=p0S+f
外界对气体做功W=-pSL
由热力学第一定律得ΔU=Q+W=Q-p0SL-fL
(2)由理想气体状态方程得
=
则T=2T0
三年模拟练
1.C 2.BCD 3.ACE 4.ABC 5.C
1.C 第一类永动机违反能量守恒定律,而第二类永动机违背了热力学第二定律,永动机是不可能制造出来的,故A、B错误;由墒增加原理可知,一切自然过程总是向着分子热运动的无序性增加的方向进行,故C正确;热量只能自发地从高温物体转移到低温物体,不能自发地从低温物体转移到高温物体,故D错误。
2.BCD 布朗运动是悬浮在水中的微粒的运动,它间接说明液体分子永不停息地做无规则运动,A错误;根据热力学第二定律可知,一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的,B正确;用活塞压缩密闭气缸里的气体,外界对气体做功2.0×105 J,即W=2.0×105 J,同时气体向外界放出热量0.5×105 J,即Q=-0.5×105 J,根据热力学第一定律,有ΔU=W+Q=2.0×105 J-0.5×105 J=1.5×105 J,C正确;等容升温过程中吸收的热量仅表现为内能增加,而等压升温过程中体积增大,气体对外做功,吸收的热量转化为内能和对外做功,所以一定质量的理想气体温度升高1 K,其等容过程中吸收的热量小于等压过程吸收的热量,D正确;根据热力学第二定律可知,热量能够从高温物体传到低温物体,但不可能从低温物体传到高温物体而不引起其他变化,E错误。故选B、C、D。
3.ACE 由于气闸舱B内为真空,可知气体进入B中的过程中不对外做功;又因为此过程中系统与外界没有热交换,根据热力学第一定律可知气体的内能不变,故A正确,D错误。根据熵增加原理可知B中气体不可能自发地全部退回到A中,故B错误;因为内能不变,故温度不变,分子平均动能不变,因为气闸舱B内为真空,对于座舱A中充满的空气,根据玻意耳定律pV=C可知,扩散后压强p减小,体积V增大,所以气体分子的密集程度减小,根据气体压强的微观意义可知气体分子单位时间对舱壁单位面积碰撞的次数将变少,故C、E正确。故选A、C、E。
4.ABC 当电热丝通电后,右侧的气体吸收电热丝放出的热量,温度升高,同时绝热膨胀,向左推动活塞,从而对左边气体做功,由题意并根据热力学第一定律可知,左边气体内能增加,温度升高;根据理想气体状态方程可知左边气体压强增大,所以左边气体分子单位时间内撞击活塞的次数增加,故A、B、C正确。根据能量守恒定律可知,两边气体内能的总增加量等于电热丝放出的热量,故D错误。故选A、B、C。
5.C AB过程中,气体温度不变,内能不变,体积减小,外界对气体做功,则气体放出热量,选项A错误;BC过程中,压强不变,体积增大,则气体温度升高,气体分子的平均动能增加,选项B错误;CD过程中,气体温度不变,压强减小,体积变大,则单位时间内碰撞器壁单位面积的分子数减少,选项C正确;根据热力学第一定律,若气体在BC过程中内能增加2 kJ,气体体积变大,对外做功,则气体吸收热量,若吸收的热量为7 kJ,则在此过程中气体对外做的功为5 kJ,选项D错误。
6.答案 (1)600 K (2)280 J (3)750 K 1.5×105 Pa
解析 (1)当气缸水平放置时,有p0=1.0×105 Pa,V0=L1S,T0=(273+27) K=300 K
当气缸口朝上,活塞上表面刚好与气缸口相平时,对活塞受力分析如图所示
有p1S=p0S+mg,解得
p1=1.2×105 Pa
此时V1=(L1+L2)S
由理想气体状态方程得
=
解得T1=600 K
(2)从开始到气缸口向上,未加热稳定时,由玻意耳定律得
p0L1S=p1LS
解得L==7.5 cm
加热过程,气体等压膨胀,外界对气体做功为W=-p1S(L1+L2-L)=-90 J
根据热力学第一定律可得
ΔU1=W+Q1
解得ΔU1=280 J
(3)继续加热的过程,气体体积不变,则W'=0
可得ΔU2=Q2
一定质量的理想气体内能与热力学温度成正比,可得
=
解得T2=750 K
由理想气体状态方程可得
=
解得p2=1.5×105 Pa
7.答案 (1)5×105 Pa (2)1 990 N (3)71.4 J
解析 (1)气缸缸体导热性良好,可知从状态A到状态B,气体发生等温变化,则有pASL=pBS(L-h)
解得状态B气体的压强为pB==5×105 Pa
(2)活塞和支架处于平衡状态,则有
F+p0S+mg=pBS+kh
代入数据解得F=1 990 N
(3)气缸缸体导热性良好,可知从状态A到状态B,气体发生等温变化,气体内能不变,根据热力学第一定律可得ΔU=W-Q=0
解得外界对气体做的功为W=Q=71.4 J
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