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第3节热力学第一定律、能量守恒定律[对点训练]考点1热力学第一定律的应用
1.一个气泡从恒温水槽的底部缓慢向上浮起,若不计气泡内空气分子势能的变化则 A.气泡内空气对外做功,内能不变,同时放热B.气泡内空气对外做功,内能不变,同时吸热C.气泡内空气内能减少,同时放热D.气泡内空气内能不变,不吸热也不放热答案 B解析 气泡上升过程中,由于水对气泡的压强减小,气泡的体积增大,故气泡内空气对外做功,缓慢上升指有时间发生热传递,可认为气泡内空气温度是不变的不计气泡内空气分子势能的变化,内能不变,故须从外界吸收热量,且吸收的热量等于对外界所做的功答案为B
2.在一个大气压下,1kg100℃的水变为1kg100℃的水蒸气的过程,下列说法中正确的是 A.内能不变,对外界做功,一定是吸热过程B.内能增加,吸收的热量等于内能的增加C.内能不变,吸收的热量等于对外界做的功D.内能增加,从外界吸热,吸收的热量等于对外界做的功和增加的内能答案 D解析 水变成同温度的水蒸气时,分子间距从r0增大到约10r0,体积要扩大约1000倍,故需克服大气压力对外做功,同时克服分子力做功,分子势能增加,内能增加,由热力学第一定律ΔU=Q+W,则Q=ΔU-W,其中W为负值,故选项D正确
3.如图所示,直立容器内部有被隔板隔开的A、B两部分气体,A的密度小,B的密度大,抽去隔板,加热气体,使两部分气体均匀混合,设在此过程中气体吸热Q、气体内能增量为ΔU,则 A.ΔU=QB.ΔUQC.ΔUQD.无法比较答案 B解析 两部分气体混合后,因B的密度大,重心升高,重力做负功,由热力学第一定律W+Q=ΔU,得ΔUQ,故选B
4.多选以下过程不可能发生的是 A.对物体做功,同时物体放热,物体的温度不变B.对物体做功,同时物体吸热,物体的温度不变C.物体对外做功,同时放热,物体的内能不变D.物体对外做功,同时吸热,物体的内能不变答案 BC解析 依据热力学第一定律W+Q=ΔU可知,对A W0,Q0,可能出现ΔU
0、ΔU0或ΔU=0,所以A有可能,不符合题意;对B W
0、Q0,只能出现ΔU0,不可能出现ΔU=0,即B不可能,B符合题意;对C W0,Q0,只能出现ΔU0,不可能出现ΔU=0,即C不可能,C符合题意;对D:W0,Q0,可能出现ΔU
0、ΔU0或ΔU=0,所以D有可能,不符合题意考点2能量守恒定律的应用
5.在一个与外界没有热交换的房间里打开冰箱门,冰箱正常工作,过一段时间房间内的温度将如何变化 A.降低B.升高C.不变D.无法确定答案 B解析 冰箱消耗电能使冰箱内外发生热交换而达到内部制冷,把冰箱与房间看做一个系统,打开冰箱门后,冰箱与房间内的热交换发生在系统内,系统内部无法使系统总能量发生变化但系统消耗电能增加了系统的总能量,根据能的转化与守恒定律,系统增加的能量转化为内能使房间的温度升高B项正确
6.如图所示,一演示用的“永动机”转轮由5根轻杆和转轴构成,轻杆的末端装有用形状记忆合金制成的叶片轻推转轮后,进入热水的叶片因伸展而“划水”,推动转轮转动离开热水后,叶片形状迅速恢复,转轮因此能较长时间转动下列说法正确的是 A.转轮依靠自身惯性转动,不需要消耗外界能量B.转轮转动所需能量来自形状记忆合金自身C.转动的叶片不断搅动热水,水温升高D.叶片在热水中吸收的热量一定大于在空气中释放的热量答案 D解析 形状记忆合金从热水中吸收热量后,伸展划水时一部分热量转变为水和转轮的动能,另一部分释放到空气中,根据能量守恒定律可知只有D项正确
7.某同学想要估测每秒钟太阳辐射到地球表面上的能量,他用一个横截面积S=
3.2×10-2m2的保温圆筒,内装有质量为m=
0.4kg的水,让太阳光垂直照射t=3min,水升高的温度Δt=
2.2℃已知水的比热容c=
4.2×103J/kg·℃,地球半径为R=6400km,试求出太阳向地球表面辐射能量的功率答案
8.2×1016W解析 太阳以热辐射的方式向地球表面传递热量根据公式Q=cmΔt先求出单位时间内辐射到地球表面单位面积上的功率,再求总功率太阳辐射到水中的能量Q=cmΔt=
4.2×103×
0.4×
2.2J≈
3.7×103J,太阳光在1s内垂直照射到1m2面积上的功率P==W/m2≈
6.4×102W/m2,太阳辐射到地球表面上能量的功率P′=P×πR2=
6.4×102×
3.14×6400×1032W=
8.2×1016W[综合训练]
8.多选对于一定质量的理想气体,下列说法正确的是 A.若气体的压强和体积都不变,其内能也一定不变B.若气体的内能不变,其状态也一定不变C.若气体的温度随时间不断升高,其压强也一定不断增大D.气体温度每升高1K所吸收的热量与气体经历的过程有关E.当气体温度升高时,气体的内能一定增大答案 ADE解析 一定质量的理想气体,=常量,p、V不变,则T不变,分子平均动能不变,又理想气体分子势能为零,故气体内能不变,A项正确;理想气体内能不变,则温度T不变,由=常量知,p及V可以变化,故状态可以变化,B项错误;等压变化过程,温度升高、体积增大,故C错误;由热力学第一定律ΔU=Q+W知,温度每升高1K,内能增量ΔU一定,而外界对气体做的功W与经历的过程可能有关如体积变化时,因此吸收的热量与气体经历的过程也有关,D项正确;温度升高,分子平均动能增大,分子势能为零,内能一定增大,E项正确9.带有活塞的汽缸内封闭一定质量的理想气体,气体开始处于状态a,然后经过过程ab到达状态b或经过过程ac到达状态c,b、c状态温度相同,如图所示设气体在状态b和状态c的压强分别为pb和pc,在过程ab和ac中吸收的热量分别为Qab和Qac,则 A.pbpc,QabQacB.pbpc,QabQacC.pbpc,QabQacD.pbpc,QabQac答案 C解析 一定质量的理想气体内能只与温度有关,从状态a到状态b,和到状态c,两过程温度升高相同,即内能增加相同,但b状态体积比a状态大,所以从a状态到b状态气体要对外界做功,由热力学第一定律知QabQac,由于b、c状态温度相同,由玻意耳定律,pbpc,故C正确
10.多选如图所示,a、b、c、d表示一定质量的理想气体状态变化过程中的四个状态,图中ad平行于横坐标轴,ab的延长线过原点,以下说法正确的是 A.从状态d到c,气体不吸热也不放热B.从状态c到b,气体放热C.从状态a到d,气体对外做功D.从状态b到a,气体吸热答案 BCD解析 从状态d到c,温度不变,理想气体内能不变,但是由于压强减小,所以体积增大,对外做功,还要保持内能不变,一定要吸收热量,故A错误;气体从状态c到状态b是一个降压、降温过程,同时体积减小,外界对气体做功,而气体的内能还要减小降温就一定要伴随放热的过程,故B正确;气体从状态a到状态d是一个等压、升温的过程,同时体积增大,所以气体要对外做功,C正确;气体从状态b到状态a是个等容变化过程,随压强的增大,气体的温度升高,内能增大,而在这个过程中气体的体积没有变化,就没有做功,气体内能的增大是因为气体吸热的结果,故D正确
11.多选如图所示,内壁光滑、导热良好的汽缸中用活塞封闭有一定质量的理想气体当环境温度升高时,缸内气体 A.内能增加B.对外做功C.压强增大D.分子间的引力和斥力都增大答案 AB解析 因汽缸导热良好,故环境温度升高时封闭气体温度亦升高,而一定质量的理想气体内能只与温度有关,故封闭气体内能增大,A正确因汽缸内壁光滑,由活塞受力平衡有p0S+mg=pS,即缸内气体的压强p=p0+不变,C错误由盖—吕萨克定律=恒量,可知气体体积膨胀,对外做功,B正确理想气体分子间除碰撞瞬间外无相互作用力,故D错误
12.在一个标准大气压下,水在沸腾时,1g的水由液态变成同温度的水汽,其体积由
1.043cm3变为1676cm3已知水的汽化热为
2263.8J/g一个标准大气压p=
1.013×105Pa求1体积膨胀时气体对外界做的功W;2气体吸收的热量Q;3气体增加的内能ΔU答案
1169.7J
22263.8J
32094.1J解析 取1g水为研究系统,把大气视为外界1g沸腾的水变成同温度的水汽需要吸收热量,同时由于体积膨胀,系统要对外做功,所以有ΔUQ吸1气体在等压大气压下膨胀做功W=pV2-V1=
1.013×105×1676-
1.043×10-6J=
169.7J2气体吸热Q=mL=1×
2263.8J=
2263.8J3根据热力学第一定律ΔU=Q+W=
2263.8J+-
169.7J=
2094.1J。