2024春高中物理第三章热力学定律专练2分子动理论的运用（人教版选择性必修第三册）

这是一份2024春高中物理第三章热力学定律专练2分子动理论的运用（人教版选择性必修第三册），共7页。
专练二　热力学定律与理想气体1．在一个密闭容器内有一滴15 ℃的水，过一段时间后，水滴蒸发变成了水蒸气，温度还是15 ℃，下列说法正确的是(　　)A．分子势能减小 B．分子平均动能减小C．内能一定增加 D．分子的速率都减小【答案】C【解析】它的内能增加，由于水滴蒸发变成水蒸气的过程，需要吸收热量，由热力学第一定律有ΔU＝W＋Q，在密闭容器内不考虑外界做功，W＝0，Q＞0，故它的内能增加了，C正确；水蒸气的分子势能大于水的分子势能，温度一样，分子平均动能不变，分子的速率不可能都减小，内能是所有分子势能和分子动能的总和，故分子势能增大，A、B、D错误．2．山地自行车前轮有气压式减震装置来抵抗颠簸，其原理如图所示．当路面不平时，在汽缸内封闭气体的作用下，活塞上下振动，起到减缓震动的目的．当活塞迅速下压过程中(　　)A．汽缸内的气体分子的平均动能不变B．汽缸内所有分子的速率增大C．汽缸内的气体压强可能不变D．单位时间内撞到汽缸内壁单位面积上的气体分子数增多【答案】D【解析】当活塞迅速下压时，活塞对气体做功，气体来不及散热，则由热力学第一定律可知，气体内能增加，温度升高，汽缸内气体分子的平均动能增大，A错误；汽缸内气体分子的平均动能增大，则分子的平均速率增大，不是汽缸内所有分子的速率增大，B错误；当活塞迅速下压时，汽缸内气体的体积减小，由理想气体状态方程 eq \f(pV,T)＝C可知，气体压强增大，则单位时间内撞到汽缸内壁单位面积上的气体分子数增多，C错误，D正确．3．(2023年广州阶段检测)如图，用隔板将一绝热汽缸分成两部分，隔板左侧充有理想气体，隔板右侧与绝热活塞之间是真空．现将隔板抽开，气体会自发扩散至整个汽缸．待气体达到稳定后，缓慢推压活塞，将气体压回到原来的体积．假设整个系统不漏气．下列说法错误的是(　　)A．气体自发扩散前后内能相同B．气体在被压缩的过程中内能增大C．气体在自发扩散过程中，气体对外界不做功D．气体在被压缩的过程中，气体对外界做功【答案】D【解析】抽开隔板时，由于右方是真空，气体向右自由扩散，气体没有对外做功，又没有热传递，则根据ΔU＝Q＋W可知，气体的内能不变，A、C正确；气体被压缩的过程中，外界对气体做功，又没有热传递，根据ΔU＝Q＋W可知，气体内能增大，B正确，D错误．4．(多选)一定质量的理想气体从状态M到状态N，其p－T过程为图中M到N的直线，如图所示，在此过程中(　　)A．气体一直对外界做正功 B．气体的体积一直在减小C．气体的内能一直在减小 D．气体一直对外界放热【答案】BCD【解析】由题中图像可知，气体从M到N的过程中，压强p越来越大，温度T越来越小，一定质量的理想气体内能只与温度有关，温度减小，内能就减小，C正确；连接ON、OM，p－T图像某点与原点连线的斜率为体积的倒数，从M到N，斜率变大，气体的体积越来越小，气体体积减小，气体对外界做负功，A错误，B正确；根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，内能减小，ΔU为负值，体积减小，W为正值，则Q为负值，气体放热，D正确．5．如图所示为一定质量的理想气体状态变化的V－T图像．已知在状态A时的压强为p0，则(　　)A．状态C时的压强为2p0B．B→C过程中气体从外界吸热C．A→B过程中外界对气体做功p0V0D．A→B过程中单个分子对容器壁的平均撞击力不变【答案】D【解析】从A到B温度不变，有pB＝ eq \f(VA,VB)pA＝2p0，从B到C体积不变，则状态C时的压强为pC＝ eq \f(TC,TB)pB＝ eq \f(pB,2)＝p0，A错误；B→C过程气体体积不变，则W＝0，温度降低，内能减小，即ΔU＜0，根据热力学第一定律可知Q＜0，即气体向外界放热，B错误；A→B过程中体积减小，则外界对气体做功，由于压强变大，所以外界对气体做功大于p0V0，C错误；A→B过程中温度不变，所以单个分子对容器壁的平均撞击力不变，D正确．6．(多选)(2023年中山联考)自热锅因其便于加热和方便携带，越来越受到户外驴友的欢迎．自热锅内有一个发热包，遇水发生化学反应而产生大量热能，不需要明火，温度可超过100 ℃，能在15分钟内迅速加热食品．自热锅的盖子上有一个透气孔，如果透气孔堵塞，容易造成小型爆炸．对于这种现象下列说法正确的是(　　)A．自热锅爆炸前，锅内气体温度升高B．自热锅爆炸前，锅内气体内能增加C．自热锅爆炸时，锅内气体温度降低D．自热锅爆炸时，锅内气体内能增加【答案】ABC【解析】自热锅内有一个发热包，遇水发生化学反应而产生大量热量，可知自热锅爆炸前，锅内气体温度升高，锅内气体内能增加，A、B正确；自热锅爆炸时，由于时间极短，锅内气体对外做功，且来不及与外界发生热传递，根据热力学第一定律可知，锅内气体内能减小，锅内气体温度降低，C正确，D错误．7．(2022年重庆卷)2022年5月15日，我国自主研发的“极目一号Ⅲ型”浮空艇创造了海拔9 032米的大气科学观测世界纪录．若在浮空艇某段上升过程中，艇内气体温度降低，体积和质量视为不变，则艇内气体(视为理想气体)(　　)A．吸收热量 B．压强增大C．内能减小 D．对外做负功【答案】C【解析】由于浮空艇上升过程中体积和质量均不变，则艇内气体不做功；根据 eq \f(pV,T)＝C，可知温度降低，则艇内气体压强减小，气体内能减小；又根据ΔU＝W＋Q，可知气体放出热量，C正确．8．如图，一定质量的理想气体由状态a经状态b变化到状态c，已知气体从状态a变化到状态b的过程中外界对气体做功为W1，同时向外界放出热量Q1；从状态b变化到状态c过程中外界对气体做功为W2，与外界的热交换量为Q2，下列说法正确的是(　　)A．气体在状态a、状态b、状态c时的内能相等B．W2＝3W1C．Q1＋Q2＝2p0V0D．W1＋W2＝Q1＋Q2【答案】D【解析】在p－V图像中，根据 eq \f(pV,T)＝C可知，气体由状态a经状态b变化到状态c的过程中，温度先增大后减小，即Ta＝Tc＜Tb，故气体在状态a与状态c时的内能相等，都小于状态b的内能，A错误；在p－V图像中，图像与横轴所围面积表示外界对气体做的功，则W1＝ eq \f(1,2)×(p0＋2p0)×V0＝ eq \f(3p0V0,2)，W2＝ eq \f(1,2)×(2p0＋3p0)×V0＝ eq \f(5p0V0,2)，故W2＝ eq \f(5,3)W1，B错误；一定质量的理想气体由状态a经状态b变化到状态c，内能的变化量为0，即与外界交换的热量与外界对气体所做的功大小相等，即Q1＋Q2＝W1＋W2＝ eq \f(3p0V0,2)＋ eq \f(5p0V0,2)＝4p0V0，C错误；从a到b，温度升高，内能增大，外界对气体做功，气体向外界放出热量Q1，根据热力学第一定律可得ΔU＝－Q1＋W1，从b到c，温度降低，内能减小，外界对气体做功，则气体向外界放出热量，根据热力学第一定律可得－ΔU＝W2－Q2，则有W1＋W2＝Q1＋Q2，D正确．9．(多选)如图所示，在做托里拆利实验时，玻璃管内有些残留的空气，此时玻璃管竖直放置．假如把玻璃管缓慢竖直向上提起一段距离，玻璃管下端仍浸在水银中，在这过程中，大气的压强、温度均保持不变，则管内的空气(视为理想气体)(　　)A．体积增大 B．压强减小C．放出热量 D．内能增大【答案】AB【解析】在实验中，水银柱产生的压强加上封闭空气柱产生的压强等于外界大气压．如果将玻璃管向上提，则管内水银柱上方空气的体积增大，因为温度保持不变，根据 eq \f(pV,T)＝C，所以压强减小，A、B正确；温度不变，则气体的内能不变，D错误；体积变大，气体对外做功，又气体的内能不变，根据热力学第一定律可知，气体吸收热量，C错误．10．一定量的理想气体从状态a开始，经历三个过程ab、bc、ca回到原状态，其p－T图像如图所示．下列判断正确的是(　　)A．过程ab中气体的体积增大B．过程bc中气体既不吸热也不放热C．过程ca中外界对气体所做的功等于气体所放的热D．b和c两个状态中，容器壁单位面积单位时间内受到气体分子撞击的次数不同【答案】D【解析】由图可知，ab过程，气体压强与热力学温度成正比，则气体发生等容变化，气体体积不变，A错误；由图可知，bc过程气体发生等温变化，由pV＝C知bc过程体积增大，对外做功，温度不变，则气体内能保持不变，由热力学第一定律知bc过程吸热，B错误；过程ca中温度降低，体积减小，则内能减小，外界对气体所做的功小于气体所放出的热量，C错误；b和c两个状态中，温度相同，分子平均动能相同，体积不同，分子密度不同，则容器壁单位面积单位时间内受到气体分子撞击的次数不同，D正确．11．如图所示，汽缸内用活塞封闭一定质量的理想气体，汽缸和活塞是绝热的，汽缸固定不动，一条细线左端连接在活塞上，另一端跨过定滑轮后吊着一个装沙的小桶，开始时活塞静止，某时刻开始小桶中的沙缓慢漏出，不计活塞与汽缸的摩擦，下列说法正确的说法是(　　)A．汽缸内的活塞向右运动 B．汽缸内气体的内能变小C．汽缸内气体的压强减小 D．汽缸内气体的分子平均动能变大【答案】D【解析】设汽缸内气体压强为p，以活塞为研究对象受力分析，根据平衡条件pS＋T＝p0S，细沙不断流出时绳子拉力T变小，而p0不变，故p变大，气体体积减小，则汽缸内的活塞向左运动，气体被压缩，外界对气体做功，由于汽缸和活塞是绝热的，由热力学第一定律可知气体的内能变大，温度升高，则汽缸内气体的分子平均动能变大，则A、B、C错误，D正确．12．(多选)(2023年全国卷节选)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【答案】ACD【解析】对于一定质量的理想气体内能由温度决定，故等温增压和等温膨胀过程温度均保持不变，内能不变，A正确；根据理想气体状态方程 eq \f(pV,T)＝C可知，等压膨胀后气体温度升高，内能增大，等温压缩温度不变，内能不变，故末状态与初始状态相比内能增加，B错误；根据理想气体状态方程可知等容减压过程温度降低，内能减小；等压膨胀过程温度升高，末状态的温度有可能和初状态的温度相等，内能相等，C正确；根据理想气体状态方程可知等容增压过程温度升高；等压压缩过程温度降低，末状态的温度有可能和初状态的温度相等，内能相等，D正确．13．如图所示是一定质量的理想气体的p－t图线，当气体状态发生沿图线A到B的变化，下列说法中正确的是(　　)A．气体一定吸收热量 B．气体体积不变C．气体分子平均动能减少 D．外界对气体做功【答案】D【解析】因为T＝(t＋273) K，若将横轴单位换算为K，则A与原点连线的斜率小于B与原点连线的斜率，根据 eq \f(p,T)＝ eq \f(C,V)，则A状态的体积大于B状态的体积，B错误；沿图线A到B，温度升高，则气体内能增大，而体积减小，则外界对气体做功，根据热力学第一定律可知，气体可能吸收热量也可能放出热量，A错误，D正确；一定质量的理想气体中，温度是平均动能的标志，温度升高，则气体的分子平均动能增大，C错误．14．(多选)如图所示，竖直放置、上端开口的绝热汽缸底部固定一电热丝，质量不计、面积为S的绝热活塞位于汽缸内，活塞与汽缸之间封闭一定质量的某种理想气体．活塞上放置一质量为M的重物并保持平衡，此时汽缸内理想气体的温度为T0，活塞距汽缸底部的高度为h．现用电热丝缓慢给汽缸内的理想气体加热，使活塞上升了 eq \f(h,3)，封闭理想气体的内能增加了ΔU，已知大气压强为p0，重力加速度为g．下列说法正确的是(　　)A．活塞上升 eq \f(h,3)时理想气体的温度为 eq \f(4,3)T0B．理想气体吸收的热量为ΔUC．理想气体吸收的热量为ΔU＋ eq \f(p0hS,3)D．理想气体吸收的热量为ΔU＋ eq \f(p0hS,3)＋ eq \f(Mgh,3)【答案】AD【解析】气体发生等压变化，则有 eq \f(hS,T0)＝ eq \f(\f(4,3)hS,T)，解得T＝ eq \f(4,3)T0，故活塞上升 eq \f(h,3)时理想气体的温度为 eq \f(4,3)T0，A正确；活塞上升 eq \f(h,3)过程，气体的压强为p＝p0＋ eq \f(Mg,S)，此过程气体克服外界做功为W＝pS· eq \f(h,3)，根据热力学第一定律可得ΔU＝－W＋Q，解得Q＝ΔU＋ eq \f(p0hS,3)＋ eq \f(Mgh,3)，即此过程气体吸热ΔU＋ eq \f(p0hS,3)＋ eq \f(Mgh,3)，D正确，B、C错误．15．如图甲所示，一横截面积S＝10 cm2的活塞将一定质量的理想气体封闭在汽缸内，不计活塞与汽缸间的摩擦．如图乙所示是气体从状态A变化到状态B的V－T图像．已知AB的反向延长线通过坐标原点O，气体在A状态的压强p＝1.5×105 Pa，在从状态A变化到状态B的过程中，气体吸收的热量Q＝9.0×102 J，大气压强p0取1.0×105 Pa，重力加速度g取10 m/s2．求：(1)活塞的质量m；(2)此过程中气体内能的增量ΔU．解：(1)状态A时，对活塞受力分析得pS＝mg＋p0S，代入数据解得m＝5 kg．(2)在从状态A变化到状态B的过程中，发生的是等压变化，有 eq \f(VA,TA)＝ eq \f(VB,TB)，则外界对气体做功W＝－pΔV＝－300 J，内能的增量ΔU＝W＋Q＝600 J．