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(共81张PPT)
考点41　
热力学定律与能量守恒定律
第①步
狂刷小题·夯基础
第②步
精做大题·提能力
本课结束
答案
解析考点41　热力学定律与能量守恒定律
题组一　基础小题
1．下列说法中正确的是(　　)
A．若把氢气和氧气看做理想气体，则具有相同体积、相同质量和相同温度的氢气和氧气具有相等的内能
B．一定质量0
℃水的分子势能比0
℃冰的分子势能小
C．物体吸收热量后，内能一定增加
D．一定质量的100
℃的水吸收热量后变成100
℃的水蒸气，则吸收的热量大于增加的内能
答案　D
解析　理想气体的内能与分子数和分子平均动能有关，而质量相同的氢气和氧气的分子数不同，当它们的体积和温度均相同时，内能不同，A错误；0
℃的冰要吸收热量才能熔化成0
℃的水，所以一定质量0
℃水的内能比0
℃冰的内能大，又因为它们的温度相同，分子平均动能相等，所以0
℃水的分子势能比0
℃冰的分子势能大，B错误；做功和热传递均可以改变物体的内能，只知道物体吸热，而不知其做功情况，故不能确定物体的内能一定增加，C错误；一定质量的100
℃的水吸热汽化的过程中，水蒸气对外做功，根据热力学第一定律，水吸收的热量等于水蒸气增加的内能和水蒸气对外做的功，所以吸收的热量大于增加的内能，D正确。
2．用活塞压缩汽缸里的空气，对空气做了900
J的功，同时汽缸向外散热210
J，汽缸里空气的内能(　　)
A．增加了1100
J
B．减少了1100
J
C．增加了690
J
D．减少了690
J
答案　C
解析　由热力学第一定律ΔU＝W＋Q，得ΔU＝900
J－210
J＝690
J，内能增加690
J。
3．(多选)下列关于热力学第二定律的说法中正确的是(　　)
A．所有符合能量守恒定律的宏观过程都能真的发生
B．一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的
C．机械能可以全部转化为内能，但内能无法全部用来做功而转化成机械能
D．气体向真空的自由膨胀是可逆的
答案　BC
解析　符合能量守恒定律，但违背热力学第二定律的宏观过程不能发生，A错误；一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的，B正确；机械能可以全部转化为内能，但内能无法全部用来做功而转化成机械能，C正确；气体向真空的自由膨胀是不可逆的，D错误。
4．(多选)下列说法正确的是(　　)
A．能量耗散过程中能量是守恒的
B．第一类永动机不可能制成，是因为违背了能量守恒定律
C．第二类永动机不违背能量守恒定律，但违背了热力学第一定律
D．能量耗散过程从能量转化的角度反映了自然界中的宏观过程具有方向性
答案　ABD
解析　由能量守恒定律可知，A正确；第一类永动机是指不消耗能量却可以不断向外做功的机器，违背了能量守恒定律，B正确；第二类永动机不违背能量守恒定律，但违背了热力学第二定律，C错误；由热力学第二定律可知，D正确。
5．重庆出租车常以天然气作为燃料，加气站储气罐中天然气的温度随气温升高的过程中，若储气罐内气体体积及质量均不变，则罐内气体(可视为理想气体)(　　)
A．压强增大，内能减小
B．吸收热量，内能增大
C．压强减小，分子平均动能增大
D．对外做功，分子平均动能减小
答案　B
解析　储气罐内气体体积及质量均不变，温度升高，气体从外界吸收热量，分子平均动能增大，内能增大，压强变大。因气体体积不变，故外界对气体不做功，只有B正确。
6.(多选)如图所示，绝热密闭汽缸内有一定质量的理想气体，外界大气压恒定。缸内有一电阻丝R通过导线与电源连接，闭合开关S后，绝热活塞K缓慢且无摩擦地向右移动，则下列说法正确的是(　　)
A．气体分子平均动能不变
B．电热丝放出的热量等于气体对外所做的功
C．气体的压强不变
D．气体分子单位时间内对器壁单位面积的撞击次数减少
答案　CD
解析　活塞可无摩擦滑动，外界大气压强不变，故气体为等压变化，C正确；电阻丝向气体放热，气体温度升高，而理想气体内能只取决于温度，气体温度升高，分子平均动能增大，A错误；气体内能增大，由热力学第一定律可知，电阻丝向气体放出的热量一定大于气体对外做的功，B错误；压强不变，气体分子平均动能增大，故单位时间内气体分子对器壁单位面积的碰撞次数减少，D正确。
7.(多选)如图所示，导热的汽缸固定在水平地面上，用活塞把一定质量的理想气体封闭在汽缸中，汽缸的内壁光滑。现用水平外力F作用于活塞杆，使活塞缓慢地向右移动，由状态①变化到状态②，在此过程中，如果环境温度保持不变，下列说法正确的是(　　)
A．气体分子平均动能不变
B．气体吸收热量
C．气体内能不变，却对外做功，此过程违反热力学第一定律，不可能实现
D．气体是从单一热源吸热，全部用来对外做功，但此过程不违反热力学第二定律
答案　ABD
解析　汽缸是导热的，封闭气体的温度始终与环境温度相同，保持不变，而温度是分子平均动能的标志，故A正确；一定质量的理想气体的内能仅与温度有关，故气体内能不变，对外做功，根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，可知气体吸收热量，B正确；气体内能不变，对外做功时也从外界吸收热量，C错误；气体是从单一热源吸热，全部用来对外做功，同时伴随着外力F的作用，即引起了其他的变化，所以此过程不违反热力学第二定律，D正确。
8．(多选)夏天，小明同学把自行车轮胎上的气门芯拔出的时候，会觉得从轮胎里喷出的气体凉，如果把轮胎里的气体视为理想气体，则关于气体喷出的过程，下列说法正确的是(　　)
A．气体的内能不变
B．气体来不及与外界发生热交换，对外做功，温度降低
C．气体膨胀时，热量散得太快，使气体温度降低了
D．气体分子的平均动能减小
答案　BD
解析　气体喷出时，来不及与外界交换热量，发生绝热膨胀，Q＝0，对外做功，由热力学第一定律ΔU＝Q＋W，可知气体内能减少，温度降低，温度是分子平均动能的标志，故气体分子的平均动能减小，B、D正确。
9．(多选)夏天，从湖底形成的一个气泡，在缓慢上升到湖面的过程中没有破裂。若越接近水面，湖内水的温度越高，大气压强没有变化，将气泡内气体看做理想气体，则上升过程中，以下说法正确的是(　　)
A．气泡内气体对外界做功
B．气泡内每个气体分子的动能都变大
C．气泡内气体从外界吸收热量
D．气泡内分子单位时间内对气泡壁单位面积的撞击力减小
答案　ACD
解析　气泡上升过程中，温度升高，压强减小，则根据＝C可知，体积变大，气体对外做功，A正确；气泡的温度升高，则气体分子的平均动能变大，并非气泡内每个气体分子的动能都变大，B错误；气体温度升高，内能变大，气体对外做功，根据ΔU＝W＋Q可知，气泡内气体从外界吸收热量，C正确；因大气压强不变，则随水深度的减小，气泡的压强减小，根据气体压强的微观意义可知，气泡内分子单位时间内对气泡壁单位面积的撞击力减小，D正确。
10.(多选)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图象如图所示。下列判断正确的是(　　)
A．过程ab中气体一定吸热
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　AD
解析　对一定量的理想气体，＝C，由题图可知ab过程，气体体积V不变，没有做功，而温度T升高，则内能增大，气体一定吸热，A正确；bc过程为等温变化，压强减小，体积增大，对外做功，而内能不变，则为吸热过程，B错误；ca过程为等压变化，温度T降低，内能减少，体积V减小，外界对气体做功，依据W＋Q＝ΔU，外界对气体所做的功小于气体所放的热，C错误；bc过程温度不变，而压强减小，由＝C知体积增大，分子密集程度减小，而分子平均动能(平均速率)不变，所以容器壁单位面积上单位时间受到气体分子撞击的次数减少，D正确。
11．(多选)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和D后再回到状态A。其中，A→B和C→D为等温过程，B→C和D→A为绝热过程。该循环过程中，下列说法正确的是(　　)
A．A→B过程中，气体对外界做功，吸热
B．B→C过程中，气体分子的平均动能增加
C．C→D过程中，单位时间内碰撞单位面积器壁的分子数增多
D．该循环过程中，气体放热
答案　AC
解析　A→B过程中，体积增大，气体对外界做功，温度不变，内能不变，根据ΔU＝Q＋W可知气体吸热，A正确；B→C过程中，绝热膨胀，气体对外做功，内能减小，温度降低，气体分子的平均动能减小，B错误；C→D过程中，等温压缩，体积变小，分子数密度变大，单位时间内碰撞单位面积器壁的分子数增多，C正确；该循环过程中，气体内能不变，对外做功，根据ΔU＝Q＋W可知气体吸热，D错误。
12．(多选)如图所示，某同学打乒乓球时不小心将球踩瘪了，但没有破裂。他将乒乓球放入热水中，一段时间后恢复为球形，在此过程中，下列说法正确的是(　　)
A．乒乓球中气体温度升高，气体分子无规则运动变得更剧烈
B．乒乓球中气体的质量不变，温度升高，密度减小，压强增大
C．乒乓球中气体分子间的引力和斥力都增大
D．乒乓球受热膨胀，体积增大，气体对外做功，放出热量
答案　AB
解析　乒乓球中气体温度升高，气体分子无规则运动变得更剧烈，故A正确；乒乓球没有破裂，不漏气，乒乓球中气体的质量不变，体积增大，密度减小，乒乓球在球内气体压力作用下恢复为球形，说明球内气体压强增大，故B正确；乒乓球中气体分子间的引力和斥力都随着气体分子间距离的增大而减小，故C错误；乒乓球受热膨胀，体积增大，气体对外做功，但温度升高，内能变大，根据热力学第一定律可知，气体吸收热量，故D错误。
题组二　高考小题
13．(2018·海南高考)(多选)如图，一定量的理想气体，由状态a等压变化到状态b，再从b等容变化到状态c。a、c两状态温度相等。下列说法正确的是(　　)
A．从状态b到状态c的过程中气体吸热
B．气体在状态a的内能等于在状态c的内能
C．气体在状态b的温度小于在状态a的温度
D．从状态a到状态b的过程中气体对外做正功
答案　BD
解析　从状态b到状态c的过程中，气体的体积不变，压强减小，不对外做功，由理想气体状态方程＝C知气体温度降低，内能减少，由热力学第一定律知气体对外放热，A错误；理想气体的内能只与温度有关，a、c两状态温度相等，所以内能相等，B正确；从状态a到状态b的过程中，气体的压强不变，体积增大，由理想气体状态方程＝C可知，气体的温度升高，C错误；从状态a到状态b的过程中，体积增大，气体对外做正功，D正确。
14.(2018·全国卷Ⅲ节选)(多选)如图，一定量的理想气体从状态a变化到状态b，其过程如p?V图中从a到b的直线所示。在此过程中(　　)
A．气体内能一直增加
B．气体一直对外做功
C．气体一直从外界吸热
D．气体吸收的热量一直全部用于对外做功
答案　ABC
解析　一定质量的理想气体从a到b的过程，由理想气体状态方程＝可知，Tb>Ta，即气体的温度一直升高，根据理想气体的内能只与温度有关，可知气体的内能一直增加，A正确；由于从a到b的过程中气体的体积增大，所以气体一直对外做功，B正确；根据热力学第一定律，从a到b的过程中，气体一直从外界吸热，C正确；气体吸收的热量一部分增加内能，一部分对外做功，D错误。
15.(2018·全国卷Ⅰ节选)(多选)如图，一定质量的理想气体从状态a开始，经历过程①、②、③、④到达状态e。对此气体，下列说法正确的是(　　)
A．过程①中气体的压强逐渐减小
B．过程②中气体对外界做正功
C．过程④中气体从外界吸收了热量
D．状态c、d的内能相等
答案　BD
解析　由理想气体状态方程＝可知，过程①体积不变温度升高即Tb>Ta，则pb>pa，即过程①中气体的压强逐渐增大，A错误；由于过程②中气体体积增大，所以过程②中气体对外做正功，B正确；过程④中气体体积不变，对外做功为零，温度降低，内能减小，根据热力学第一定律，过程④中气体放出热量，C错误；由于状态c、d的温度相等，根据理想气体的内能只与温度有关，可知状态c、d的内能相等，D正确。
16．(2017·全国卷Ⅱ节选)(多选)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。下列说法正确的是(　　)
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．在自发扩散过程中，气体对外界做功
D．气体在被压缩的过程中，外界对气体做功
答案　ABD
解析　气体向真空膨胀时不受阻碍，气体不对外做功，由于汽缸是绝热的，没有热交换，所以气体扩散后内能不变，A正确，C错误。气体被压缩的过程中，外界对气体做功，且没有热交换，根据热力学第一定律，气体的内能增大，B、D正确。
17.(2017·全国卷Ⅲ节选)(多选)如图，一定质量的理想气体从状态a出发，经过等容过程ab到达状态b，再经过等温过程bc到达状态c，最后经等压过程ca回到状态a。下列说法正确的是(　　)
A．在过程ab中气体的内能增加
B．在过程ca中外界对气体做功
C．在过程bc中气体从外界吸收热量
D．在过程ca中气体从外界吸收热量
答案　ABC
解析　ab过程是等容变化，压强增大，温度升高，气体内能增大，A正确。ca过程是等压变化，体积减小，外界对气体做功，B正确；体积减小过程中，温度降低，内能减小，气体要放出热量，D错误。bc过程是等温变化，内能不变，体积增大，气体对外界做功，则需要吸收热量，C正确。
题组三　模拟小题
18．(2020·天津静海一中高三调研)下列说法正确的是(　　)
A．物体放出热量，其内能一定减小
B．物体对外做功，其内能一定减小
C．物体吸收热量，同时对外做功，其内能可能增加
D．物体放出热量，同时对外做功，其内能可能不变
答案　C
解析　物体放出热量，若外界对物体做的功大于放出的热量，内能增加，故A错误；物体对外做功，若从外界吸收的热量大于做功的数值，则内能增加，故B错误；物体吸收热量Q，同时对外做功W，若二者相等，则内能不变，若Q>W，则内能增加，若W>Q，则内能减少，故C正确；物体放出热量，Q<0，同时对外做功，W<0，则ΔU<0，故内能一定减少，D错误。
19．(2019·江苏省三校四模)(多选)如图所示，透明瓶内有一些水，水的上方有水蒸气，用橡皮塞把瓶口封住，用气筒向瓶内打气，然后瓶塞会突然跳出，此时观察到瓶内有白雾产生，关于上述过程，下列说法正确的是(　　)
A．快速向瓶内打入气体的过程，气体状态变化是等容变化
B．快速向瓶内打入气体时，瓶内水蒸气分子密度保持不变
C．瓶塞突然跳出瞬间气体对外做功，瓶内气体温度降低
D．瓶内瞬间形成的白雾是悬浮在气体中的小水滴
答案　CD
解析　快速向瓶内打入气体的过程，气体体积减小，在瓶塞未跳起前，压缩瓶内的气体做功，瓶内气体的内能增加，瓶内水蒸气分子密度增大，继续打气，当瓶塞跳起时，瓶内气体对瓶塞做功，瓶内气体的内能减少，温度降低，使瓶内的水蒸气液化成小水滴，出现白雾，故C、D正确。
20．(2019·长沙模拟改编)(多选)质量一定的某种物质，在压强不变的条件下，由液态Ⅰ到气态Ⅲ变化过程中温度T随加热时间t变化关系如图所示，单位时间所吸收的热量可看成不变，气态Ⅲ可看成理想气体。下列说法正确的是(　　)
A．该物质分子平均动能随着时间的增加而增大
B．在t1～t2时间内，该物质分子势能随着时间的增加而增大
C．在t2～t3时间内，该物质的内能随着时间的增加而增大
D．在t2～t3时间内，气体膨胀对外做功，分子势能增大
答案　BC
解析　因为温度是分子平均动能的标志，所以该物质分子平均动能随着时间的增加先增大，然后不变，之后又增大，A错误；物质的内能是分子总动能与分子总势能之和，在t1～t2时间内，温度不变，分子的平均动能不变，吸收的热量用来增加分子间的势能，所以分子势能随时间的增加而增大，B正确；在t2～t3时间内，气体膨胀对外做功，但理想气体不考虑分子势能，温度升高，分子的平均动能增大，所以内能增大，C正确，D错误。
21．(2019·济南模拟改编)(多选)关于热现象，下列说法中正确的是(　　)
A．对于一定量的理想气体，如果压强不变，体积增大，那么它一定从外界吸热
B．在熔化的过程中，晶体要吸收热量，但温度保持不变，内能也保持不变
C．电冰箱的制冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界，违背了热力学第二定律
D．尽管技术不断进步，热机的效率仍不能达到100%，制冷机也不能使温度降到－293
℃
答案　AD
解析　对于一定量的理想气体，如果压强不变，体积增大，根据理想气体状态方程＝C可知，气体的温度升高，由热力学第一定律知它一定从外界吸热，A正确；晶体在熔化的过程中，虽然温度保持不变，分子平均动能不变，但吸收热量，分子势能增大，所以内能增大，B错误；电冰箱的制冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界，是压缩机做功的结果，不违背热力学第二定律，C错误；尽管技术不断进步，热机的效率仍不能达到100%，制冷机也不能使温度降到－293
℃，只能无限接近－273
℃，却永远不能达到，D正确。
22．(2019·广东汕头高三一模改编)(多选)如图是某种喷雾器示意图，在贮液筒内装入一些药液后将密封盖盖好。多次拉压活塞充气，然后打开喷嘴开关，活塞位置不再改变，药液可以持续地喷出，贮液筒内的空气可视为理想气体，设充气和喷液过程筒内的空气温度可视为不变，下列说法正确的是(　　)
A．充气过程中，贮液筒内的气体分子平均动能增大
B．充气过程中，贮液筒内的气体压强增大，体积也变大
C．喷液过程中，贮液筒内的气体吸收的热量全部用来对外做功
D．喷液过程中，贮液筒内的气体压强减小，气体内能不变
答案　CD
解析　充气过程筒内的空气温度可视为不变，则分子的平均动能不变，故A错误；充气的过程中，筒内气体的体积不变，故B错误；喷液过程筒内的空气温度可视为不变，则分子的平均动能不变，气体的内能也不变，药液可以持续地喷出，气体体积增大，对外做功，由于没有其他的变化，可知贮液筒内的气体吸收的热量全部用来对外做功，根据理想气体状态方程＝C，温度不变，体积增大，压强减小，故C、D正确。
题组一　基础大题
23．利用燃料燃烧时产生的能量对外做功的机器叫热机。热机是依靠由某些热力学过程组成的特定热力学循环进行工作的。如图所示的p?V图表示的是某一热机的循环图。一定质量的气体(可看成理想气体)由状态2经过状态1至状态4，气体对外做功280
J，吸收热量410
J；气体又从状态4经状态3回到状态2，这一过程中外界对气体做功200
J。求：
(1)2→1→4过程中气体的内能是增加还是减少？变化量是多少？
(2)4→3→2过程中气体是吸热还是放热？吸收或放出的热量是多少？
答案　(1)增加　130
J　(2)放热　330
J
解析　(1)2→1→4过程中，气体对外界做功280
J，则W1＝－280
J，气体吸收热量410
J，则Q1＝410
J
由热力学第一定律有：ΔU1＝W1＋Q1＝130
J
故在2→1→4的过程中气体的内能增加，增加量为130
J。
(2)4→3→2过程中气体内能的变化量为
ΔU2＝－ΔU1＝－130
J
由题知，此过程中外界对气体做功200
J，
则W2＝200
J
由热力学第一定律有：ΔU2＝W2＋Q2＝－130
J
解得Q2＝－330
J
故在4→3→2的过程中气体放热，放出的热量为330
J。
24.如图所示，导热良好的汽缸开口向上竖直固定在水平面上。缸内轻质光滑活塞封闭一段一定质量的理想气体。一根不可伸长的细绳绕过定滑轮，一端拴住活塞，另一端拴着质量为m的重物处于平衡状态。此时气体体积为V。用手托着重物，使其缓慢上升，直到细绳刚开始松弛但并未弯曲。已知大气压强为p0，活塞横截面积为S，重力加速度为g，环境温度保持不变。求：
(1)从重物开始被托起到最高点的过程中，活塞下降的高度；
(2)之后从静止释放重物，重物下落到最低点未与地面接触时，活塞在汽缸内比最初托起重物前的位置上升了H。若气体的温度不变，则气体吸收的热量是多少？
答案　(1)　(2)(p0S－mg)
解析　(1)对活塞受力分析可知，
重物未被托起时气体压强是p1＝p0－，
气体体积是V1＝V，
重物被托起到最高点时气体压强是p2＝p0，
气体体积是V2＝V－hS，
根据玻意耳定律有：p1V1＝p2V2，
解得h＝。
(2)理想气体的温度不变，则内能不变，根据热力学第一定律：ΔU＝Q＋W＝0，
气体对外做功：－W＝p0S(H＋h)－mg(H＋h)，
吸收的热量Q＝－W＝(p0S－mg)。
题组二　高考大题
25．(2019·江苏高考)如图所示，一定质量理想气体经历A→B的等压过程，B→C的绝热过程(气体与外界无热量交换)，其中B→C过程中内能减少900
J。求A→B→C过程中气体对外界做的总功。
答案　1500
J
解析　A→B过程，外界对气体做的功
W1＝－p(VB－VA)
B→C过程，根据热力学第一定律，外界对气体做的功W2＝ΔU
则A→B→C过程中气体对外界做的总功
W＝－(W1＋W2)
代入数据得W＝1500
J。
26．(2018·江苏高考)如图所示，一定质量的理想气体在状态A时压强为2.0×105
Pa，经历A→B→C→A的过程，整个过程中对外界放出61.4
J热量。求该气体在A→B过程中对外界所做的功。
答案　138.6
J
解析　整个过程中，外界对气体做功W＝WAB＋WCA，
且WCA＝pA(VC－VA)，由热力学第一定律ΔU＝Q＋W，以及ΔU＝0，得WAB＝－(Q＋WCA)，代入数据得WAB＝－138.6
J，即气体对外界做的功为138.6
J。
题组三　模拟大题
27．(2019·东北三省四市协作体联考)如图，一个质量为m的T形活塞在汽缸内封闭一定量的理想气体，活塞体积可忽略不计，距汽缸底部h0处连接一U形细管(管内气体的体积忽略不计)。初始时，封闭气体的温度为T0，活塞距离汽缸底部为1.5h0，两边水银柱存在高度差。已知水银密度为ρ，大气压强为p0，汽缸横截面积为S，活塞竖直部分高为1.2h0，重力加速度为g，求：
(1)通过制冷装置缓慢降低气体温度，当温度为多少时两边水银面恰好相平；
(2)从开始至两水银面恰好相平的过程中，若气体放出的热量为Q，求气体内能的变化。
答案　(1)　(2)0.3h0－Q
解析　(1)初态时，对活塞受力分析，可知气体压强
p1＝p0＋
体积V1＝1.5h0S，温度T1＝T0
要使两边水银面相平，汽缸内气体的压强p2＝p0，
此时活塞下端一定与汽缸底接触，V2＝1.2h0S
设此时温度为T2，由理想气体状态方程有
＝
联立解得：T2＝。
(2)从开始至活塞竖直部分恰与汽缸底接触，气体压强不变，外界对气体做功
W＝p1ΔV＝×0.3h0S
由热力学第一定律有ΔU＝W＋(－Q)
联立解得：ΔU＝0.3h0－Q。

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