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阶段质量检测(三)　热力学定律
(本试卷满分：100分)
一、单项选择题(本题共8小题，每小题3分，共24分。在每小题给出的四个选项中，只有一项是符合题目要求的)
1．下列关于温度、内能、热量和功的说法正确的是(　　)
A．同一物体温度越高，内能越大
B．要使物体的内能增加，一定要吸收热量
C．要使物体的内能增加，一定要对物体做功
D．物体内能增加，它的温度就一定升高
2．关于能量的转化，下列说法中正确的是(　　)
A．尽管科技不断进步，热机的效率仍不能达到100%，制冷机却可以使温度降到－293 ℃
B．第一类永动机违背能量守恒定律，第二类永动机不违背能量守恒定律，随着科技的进步和发展，第二类永动机可以制造出来
C．空调机既能制热又能制冷，说明传热不存在方向性
D．热量不可能由低温物体传给高温物体而不发生其他变化
3．氦气是惰性气体，有众多应用，如气球、深海潜水、低温技术、火箭燃料、安全气囊等。工人师傅在压强为1.0×105 Pa、温度为15 ℃的生产氦气球的车间里，用一个压强为2.0×107 Pa、体积为10 L的氦气罐给气球充气，每个气球需要充入10 L氦气，充气后压强等于1.0×105 Pa。假设充气前后气球和氦气罐温度都与车间温度相同，氦气视为理想气体，不计充气过程的漏气和气球内原有气体，下列说法正确的是(　　)
A．一个氦气罐可以充出199个符合要求的气球，充气过程中氦气放热
B．一个氦气罐可以充出199个符合要求的气球，充气过程中氦气吸热
C．一个氦气罐可以充出398个符合要求的气球，充气过程中氦气放热
D．一个氦气罐可以充出398个符合要求的气球，充气过程中氦气吸热
4．一种叫作“压电陶瓷”的电子元件，当对它挤压或拉伸时，它的两端就会形成一定的电压，这种现象称为压电效应。一种燃气打火机，就是应用了该元件的压电效应制成的。只要用大拇指压一下打火机上的按钮，压电陶瓷片就会产生10 kV～20 kV 的高压，形成火花放电，从而点燃可燃气体。上述过程中，压电陶瓷片完成的能量转化是(　　)
A．化学能转化为电能 B．内能转化为电能
C．光能转化为电能 D．机械能转化为电能
5.某同学用橡皮塞塞紧饮料瓶，并用打气筒向饮料瓶内打气，装置如图所示。当压强增大到一定程度时，橡皮塞冲出，发现饮料瓶内壁中有水蒸气凝结，产生这一现象的原因是饮料瓶中气体(　　)
A．体积增大，温度升高
B．动能增大，温度升高
C．对外做功，温度降低
D．质量减少，温度降低
6．一定质量的理想气体从状态A变化到状态B，再变化到状态C，其V T图像如图所示。
已知该气体在状态B的压强为2.0×105 Pa。下列说法正确的是(　　)
A．状态A→B过程是等容变化
B．状态B→C过程是等温变化
C．状态A→B的过程气体吸热
D．状态B→C过程气体对外做功200 J
7．如图所示，一定质量的理想气体从状态A经过等温变化到状态D，该变化过程的p V图像为A→C→D，该过程中气体对外界做的功为15 J。该气体也可以经A→B→D过程从状态A变化到状态D，该过程中气体对外界做的功为24 J。下列说法正确的是(　　)
A．该气体在A→C→D过程中从外界吸收的热量小于15 J
B．该气体在A→B→D过程中从外界吸收的热量为9 J
C．该气体在A→B→D过程中内能增加了9 J
D．p V图像中A→B→D→C→A围成的面积为9 J
8．某学生利用自行车内胎、打气筒、温度传感器以及计算机等装置研究自行车内胎打气、打气结束、突然拔掉气门芯放气与放气后静置一段时间的整个过程中内能的变化情况，车胎内气体温度随时间变化的情况如图所示。可获取的信息是(　　)
A．从开始打气到打气结束的过程中，由于气体对外做功，内能迅速增大
B．打气结束到拔出气门芯前，由于气体对外做功，其内能缓慢减少
C．拔掉气门芯后，气体冲出对外做功，其内能急剧减少
D．放气后静置一段时间，由于再次对气体做功，气体内能增大
二、多项选择题(本题共4小题，每小题4分，共16分。在每小题给出的四个选项中，有多项符合题目要求。全部选对的得4分，选对但不全的得2分，有选错的得0分)
9．如图，水平放置的密闭绝热汽缸被导热活塞分成左右两部分，左侧封闭一定质量的理想气体，右侧为真空，活塞与汽缸右壁中央用一根轻质弹簧水平连接。汽缸内壁光滑且水平长度大于弹簧自然长度，弹簧的形变始终在弹性限度内且体积忽略不计。活塞初始时静止在汽缸正中间，后因活塞密封不严发生缓慢移动，活塞重新静止后(　　)
A．弹簧恢复至自然长度
B．活塞两侧气体质量相等
C．与初始时相比，汽缸内气体的内能增加
D．与初始时相比，活塞左侧单位体积内气体分子数减少
10.一定质量的理想气体从状态A变化到状态B，再到状态C，最后回到状态A，其状态变化过程的p T图像如图所示。已知该气体在状态A时的体积为2×10－3 m3，下列说法正确的是(　　)
A．气体在状态A时的密度大于在状态C时的密度
B．气体从状态A到状态B的过程中从外界吸收热量
C．气体在状态B时的体积为6×10－3 m3
D．气体从状态B到状态C再到状态A的过程中从外界吸收400 J热量
11.某种理想气体内能公式可表示为E＝，其状态参量满足pV＝nRT，n表示物质的量，R为理想气体常数(R＝8.3 J·mol－1·K－1)，T为热力学温度。现有一绝热汽缸，用一个横截面积S＝400 cm2、质量M＝15 kg的绝热活塞封闭物质的量n＝0.5 mol的该种理想气体，汽缸底部有电阻丝可以对气体进行加热。现对电阻丝通电一段时间后断开电源，稳定后发现汽缸内气体温度升高了ΔT＝50 K。已知外界大气压强为p0＝1×105 Pa，重力加速度g＝10 m/s2，不计活塞与汽缸之间的摩擦。从对气体加热到活塞停止上升的整个过程中，关于汽缸内气体的判断正确的是(　　)
A．稳定后压强为103 750 Pa
B．活塞上升的高度为5 cm
C．对外界做功为202.5 J
D．吸收的热量为726.25 J
12.一定质量的理想气体被质量为m的绝热活塞封闭在竖直放置的绝热汽缸中，活塞的面积为S，与汽缸底部相距L，温度为T0。现接通电热丝给气体缓慢加热，活塞缓慢向上移动距离L后停止加热，整个过程中，气体吸收的热量为Q，大气压强为p0，重力加速度为g。则(　　)
A．初始时，气体压强p1＝p0
B．停止加热时，气体的温度T＝2T0
C．该过程中，气体内能增加量ΔU＝Q－mgL
D．该过程中，气体内能增加量ΔU＝Q－mgL－p0SL
三、非选择题(本题共4小题，共60分)
13．(10分)若对物体做1 200 J的功，可使物体温度升高3 ℃，改用传热的方式，使物体温度同样升高3 ℃，那么物体应吸收多少热量？如果对该物体做3 000 J的功，物体的温度升高5 ℃，表明该过程中，物体应吸收或放出多少热量？
14．(16分)如图所示为某款汽车的悬挂气压减震装置示意图，其内部结构主要由活塞、活塞杆与导热良好的圆柱形汽缸组成，汽缸内密闭气柱的长度可以在30 mm～120 mm范围内变化。已知汽缸内密闭空气柱的长度为l0＝60 mm时，压强为8p0(p0为大气压强)。若不考虑气体温度的变化，整个装置密封完好，不计活塞与汽缸之间的摩擦，密闭气体可视为理想气体，求：
(1)汽缸内气体膨胀时，内能如何变化？是吸热还是放热？
(2)汽缸内气体压强的变化范围。
15．(16分)一定质量的理想气体从状态A经状态B、C、D后又回到状态A，其状态变化过程中的p V图像如图所示。已知图线的AD段是双曲线的一部分，且该气体在状态A时的温度为270 K。
(1)求气体在状态C时的温度TC和在循环过程中气体的最高温度Tm；
(2)若由状态C到状态D过程中放出热量75 J，则求此过程中内能的变化量。
16．(18分)如图所示，为某校开展的科技节一参赛小组制作的“水火箭”，其主体是一个容积为2.5 L的饮料瓶，现装入1 L体积的水，再倒放安装在发射架上，用打气筒通过软管向箭体内充气，打气筒每次能将300 mL、压强为p0的外界空气压入瓶内，当瓶内气体压强达到4p0时，火箭可发射升空。已知大气压强为p0＝1.0×105 Pa，整个装置气密性良好，忽略饮料瓶体积的变化和饮料瓶内、外空气温度的变化，求：
(1)为了使“水火箭”能够发射，该小组成员需要打气的次数；
(2)“水火箭”发射过程中，当水刚好全部被喷出前瞬间，瓶内气体压强的大小；
(3)若设在喷水过程中瓶内气压平均为3p0，在这过程瓶内气体是吸热还是放热，吸收或释放了多少热量？
阶段质量检测(三)
1．选A　物体内能是物体内所有分子势能和分子动能的总和，同一物体温度越高，分子势能不变，分子平均动能越大，故A正确；改变物体内能的方式有做功和热传递，要使物体的内能增加，可以对物体做功，也可以从外界吸收热量，故B、C错误；物体内能是物体内所有分子势能和分子动能的总和，内能增加，可能是分子势能增加，如一定质量的0 ℃的冰变成0 ℃的水，内能增加，但温度并没有升高，故D错误。
2．选D　尽管科技不断进步，热机的效率仍不能达到100%，制冷机不可以使温度降到－293 ℃，只能接近－273.15 ℃，故A错误；第一类永动机违背能量守恒定律，第二类永动机不违背能量守恒定律，但违背热力学第二定律，第二类永动机不可能制造出来，故B错误；由热力学第二定律可知，热量不可能由低温物体传给高温物体而不发生其他变化，即热量能够自发地从高温物体传递到低温物体，但在不自发的条件下，能从低温物体传递到高温物体，故C错误，D正确。
3．选B　根据玻意耳定律可得p1V＝p0(V＋nV)，解得n＝199，充气过程中氦气温度不变，内能不变，体积变大，对外做功，则氦气吸热，B正确。
4．选D　转化前要消耗机械能，转化后得到了电能，所以压电陶瓷片将机械能转化为电能，所以D正确。
5．选C　压强增大到一定程度时，橡皮塞冲出，过程时间极短，可以认为是绝热过程，对外界没有吸放热，即Q＝0，瓶内气体膨胀，对外做功，W<0，根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W，可知ΔU<0，气体内能减小，温度降低，故C正确。
6．选A　由题图可知状态A→B过程体积不变，是等容变化，BC连线过原点，所以状态B→C过程是等压变化，故A正确，B错误；A→B过程体积不变，则WAB＝0，温度逐渐降低，所以内能减小，根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W，可知该过程气体放热，故C错误；状态B→C过程是等压变化，气体对外做功的大小为WBC＝p(VC－VB)＝400 J，故D错误。
7．选D　由于从状态A经过等温变化到状态D，理想气体内能不变，气体对外界做的功为15 J，由热力学第一定律可知该气体在A→C→D过程中从外界吸收的热量等于15 J，故A错误；由于该气体经A→B→D过程从状态A变化到状态D，该过程中气体对外界做的功为24 J，状态A和状态D的温度相同，内能相同，即内能增加量为0，由热力学第一定律可知该气体在A→B→D过程中从外界吸收的热量为24 J，故B、C错误；由于A→C→D过程中气体对外界做的功为15 J，A→B→D过程中气体对外界做的功为24 J，且p V图像与横轴围成的面积表示对外做功，所以图像中A→B→D→C→A围成的面积为9 J，故D正确。
8．选C　从开始打气到打气结束的过程中，外界对车胎内气体做功，故A错误；打气结束到拔出气门芯前，由于传热车胎内气体温度下降，内能减少，故B错误；拔掉气门芯后，车胎内气体冲出对外界做功，气体内能急剧减少，故C正确；放气后静置一段时间，由于传热车胎内气体温度上升，故D错误。
9．选ACD　初始活塞受到左侧气体向右的压力和弹簧向左的弹力处于平衡状态，弹簧处于压缩状态。因活塞密封不严，可知左侧气体向右侧真空漏出。左侧气体压强变小，右侧出现气体，对活塞有向左的压力，最终左、右两侧气体压强相等，且弹簧恢复原长，故A正确；由题知活塞初始时静止在汽缸正中间，但由于活塞向左移动，左侧气体体积小于右侧气体体积，则左侧气体质量小于右侧气体质量，故B错误；密闭的汽缸绝热，与外界没有能量交换，但弹簧弹性势能减少了，可知气体内能增加，故C正确；初始时气体在左侧且体积为整个汽缸体积的一半，最终气体充满整个汽缸，则初始活塞左侧单位体积内气体分子数应该是最终状态的两倍，故D正确。
10．选BC　根据p＝T可知，气体在A、C两状态的体积相同，则气体在状态A时的密度等于在状态C时的密度，故A错误；气体从状态A到状态B的过程，温度不变，内能不变，压强减小，则体积变大，气体对外做功，则气体从外界吸收热量，故B正确；从A到B的过程，由玻意耳定律可知pAVA＝pBVB，可得气体在状态B时的体积为VB＝＝ m3＝6×10－3 m3，故C正确；气体从状态B到状态C体积减小，压强不变，外界对气体做功为W＝pΔV＝1×105×(6－2)×10－3 J＝400 J，从C到A体积不变，则W′＝0，可知气体从状态B到状态C再到状态A的过程中外界对气体做功400 J，而A、B两状态的温度相同，内能相同，可知气体从状态B到状态C再到状态A的过程中向外放出400 J热量，故D错误。
11．选ABD　由平衡条件知pS＝p0S＋Mg，稳定后压强为p＝p0＋＝103 750 Pa，故A正确；气体做等压变化，有＝＝，又因为pV0＝nRT0，联立得Δh＝，代入数据得活塞上升的高度为Δh＝5 cm，故B正确；气体对外界做功为W＝pSΔh＝207.5 J，故C错误；由题干知气体增加的内能为ΔE＝＝518.75 J，根据热力学第一定律有ΔE＝－W＋Q，解得Q＝726.25 J，故气体吸收的热量为726.25 J，故D正确。
12．选BD　对处于平衡状态的活塞进行受力分析，活塞受到大气压力、重力和封闭气体向上的压力，则有mg＋p0S－p1S＝0，解得p1＝＋p0，故A错误；活塞缓慢上升过程中气体压强不变，根据盖 吕萨克定律有＝，解得T＝2T0，故B正确；气体
对外做功W＝p1SL＝mgL＋p0SL，根据热力学第一定律有ΔU＝Q－mgL－p0SL，故D正确，C错误。
13．解析：做功和传热在改变物体内能上是等效的，对物体做1 200 J的功可使物体温度升高3 ℃，如用传热方式，也使物体温度升高3 ℃，也应吸收1 200 J的热量。
如对物体做功3 000 J，温度升高5 ℃，设物体温度升高5 ℃需要的功或热量为E，由1 200 J＝cm×(3 ℃)，E＝cm×(5 ℃)，得E＝2 000 J，因此物体应放出1 000 J的热量。
答案：1 200 J　放出1 000 J的热量
14．解析：(1)理想气体的内能由温度决定，因为气体温度不变，故气体的内能不变，即ΔU＝0；当气体体积膨胀时，气体对外做功，即W<0，根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W，可知Q>0，即气体从外界吸热。
(2)汽缸内气体做等温变化，气柱长度最长时，压强取最小值p1，根据玻意耳定律可得8p0l0S＝p1l1S，解得p1＝4p0
气柱长度最短时，压强取最大值p2，
根据玻意耳定律可得8p0l0S＝p2l2S，
解得p2＝16p0
则汽缸内气体压强的变化范围为4p0≤p≤16p0。
答案：(1)内能不变　吸热　(2)4p0≤p≤16p0
15．解析：(1)图线的AD段是双曲线的一部分，即从D到A，理想气体做等温变化，有TD＝TA＝270 K
由题图可知，从C到D，理想气体做等压变化，根据盖 吕萨克定律，有＝
代入数据解得TC＝337.5 K
对于一定质量的理想气体，根据理想气体状态方程易知变化过程中横纵坐标乘积最大时，其温度最高。由图可知状态B时温度最高，理想气体从A到B是等压过程，有＝
代入数据解得TB＝675 K
即Tm＝675 K。
(2)由状态C到状态D是等压变化，外界对气体做功，
有W＝p(VC－VD)＝25 J
根据热力学第一定律，
有ΔU＝Q＋W
代入数据解得ΔU＝－50 J。
答案：(1)337.5 K　675 K　(2)减小50 J
16．解析：(1)设至少需要打n次气，打气前箭体内空气体积为V0＝2.5 L－1 L＝1.5 L
根据玻意耳定律可得p0(V0＋nΔV)＝pV0
解得n＝15。
(2)水刚好全部被喷出时气体的体积为V＝2.5 L
根据玻意耳定律可得4p0V0＝p′V
解得p′＝p0＝2.4×105 Pa。
(3)根据热力学第一定律有ΔU＝W＋Q＝0
所以瓶内气体从外界吸热，
热量为Q＝ΔV′＝3p0ΔV′＝300 J。
答案：(1)15　(2)2.4×105 Pa　(3)吸热300 J
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