高考物理一轮复习考点练习江苏专版《热学》第1课时.docx

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高考物理一轮复习考点练习江苏专版《热学》第1课时

第1课时　热力学定律与能量守恒

考纲解读1.知道改变内能的两种方式，理解热力学第一定律.2.知道与热现象有关的宏观物理过程的方向性，了解热力学第二定律.3.掌握能量守恒定律及其应用．

考点一　热力学第一定律的理解及应用

1．热力学第一定律的理解

不仅反映了做功和热传递这两种方式改变内能的过程是等效的，而且给出了内能的变化量和做功与热传递之间的定量关系．

2．对公式ΔU＝Q＋W符号的规定

符号

W

Q

ΔU

＋

外界对物体做功

物体吸收热量

内能增加

－

物体对外界做功

物体放出热量

内能减少

3.几种特殊情况

（1）若过程是绝热的，则Q＝0，W＝ΔU，外界对物体做的功等于物体内能的增加量．

（2）若过程中不做功，即W＝0，则Q＝ΔU，物体吸收的热量等于物体内能的增加量．

（3）若过程的初、末状态物体的内能不变，即ΔU＝0，则W＋Q＝0或W＝－Q.外界对物体做的功等于物体放出的热量．

例1　在如图1所示的坐标系中，一定质量的某种理想气体先后发生以下两种状态变化过程：

第一种变化是从状态A到状态B，外界对该气体做功为6J；第二种变化是从状态A到状态C，该气体从外界吸收的热量为9J．图线AC的反向延长线过坐标原点O，B、C两状态的温度相同，理想气体的分子势能为零．求：

图1

（1）从状态A到状态C的过程，该气体对外界做的功W1和其内能的增量ΔU1；

（2）从状态A到状态B的过程，该气体内能的增量ΔU2及其从外界吸收的热量Q2.

解析　

（1）由题意知从状态A到状态C的过程，气体发生等容变化

该气体对外界做的功W1＝0

根据热力学第一定律有ΔU1＝W1＋Q1

内能的增量ΔU1＝Q1＝9J.

（2）从状态A到状态B的过程，体积减小，温度升高

由题意可知，该气体内能的增量ΔU2＝ΔU1＝9J

根据热力学第一定律有ΔU2＝W2＋Q2

从外界吸收的热量Q2＝ΔU2－W2＝3J.

答案　

（1）0　9J　

（2）9J　3J

ΔU＝W＋Q，使用时注意符号法则（简记为：

外界对系统取正，系统对外界取负）．对理想气体，ΔU仅由温度决定，W仅由体积决定，绝热情况下，Q＝0.气体向真空膨胀不做功．

递进题组

1．[热力学第一定律的理解]一定量的理想气体在某一过程中，从外界吸收热量2.5×104J，气体对外界做功1.0×104J，则该理想气体的（　　）

A．温度降低，密度增大

B．温度降低，密度减小

C．温度升高，密度增大

D．温度升高，密度减小

答案　D

解析　理想气体从外界吸热大于对外界做功，所以内能增大，温度是理想气体内能的标志，内能增大，温度一定升高；气体对外做功，体积膨胀，质量不变，所以密度要减小．D正确．

2．[热力学第一定律的应用]如图2所示，一定质量的理想气体由状态a沿abc变化到状态c，吸收了340J的热量，并对外做功120J．若该气体由状态a沿adc变化到状态c时，对外做功40J，则这一过程中气体______（填“吸收”或“放出”）热量______J.

图2

答案　吸收　260

解析　对该理想气体由状态a沿abc变化到状态c，由热力学第一定律可得：

ΔU＝Q＋W＝340J＋（－120J）＝220J，即从a状态到c状态，理想气体的内能增加了220J；若该气体由状态a沿adc变化到状态c时，对外做功40J，此过程理想气体的内能还是增加220J，所以可以判定此过程是吸收热量，再根据热力学第一定律可得：

ΔU＝Q′＋W′，得Q′＝ΔU－W′＝220J－（－40J）＝260J.

3．[热力学第一定律的应用]一定质量的气体，在从状态1变化到状态2的过程中，吸收热量280J，并对外做功120J，试问：

（1）这些气体的内能发生了怎样的变化？

（2）如果这些气体又返回原来的状态，并放出了240J的热量，那么在返回的过程中是气体对外界做功，还是外界对气体做功？

做功多少？

答案　

（1）增加了160J　

（2）外界对气体做功　80J

解析　

（1）由热力学第一定律可得ΔU＝W＋Q＝－120J＋280J＝160J，气体的内能增加了160J.

（2）由于气体的内能仅与状态有关，所以气体从状态2回到状态1的过程中内能的变化量应等于从状态1到状态2的过程中内能的变化量，则从状态2到状态1的内能应减少160J，即ΔU′＝－160J，又Q′＝－240J，根据热力学第一定律得：

ΔU′＝W′＋Q′，所以W′＝ΔU′－Q′＝－160J－（－240J）＝80J，即外界对气体做功80J．

4.图3为某种椅子与其升降部分的结构示意图，M、N两筒间密闭了一定质量的气体，M可沿N的内壁上下滑动，设筒内气体不与外界发生热交换，在M向下滑动的过程中（　　）

图3

A．外界对气体做功，气体内能增大

B．外界对气体做功，气体内能减小

C．气体对外界做功，气体内能增大

D．气体对外界做功，气体内能减小

答案　A

解析　M向下滑动的过程中，气体被压缩，外界对气体做功，又因为与外界没有热交换，所以气体内能增大．

考点二　热力学定律与气体实验定律综合问题

例2　一定质量的理想气体，从初始状态A经状态B、C、D再回到A，体积V与温度T的关系如图4所示．图中TA、VA和TD为已知量．

（1）从状态A到B，气体经历的是______过程（填“等温”、“等容”或“等压”）．

（2）从B到C的过程中，气体的内能______（填“增大”、“减小”或“不变”）．

（3）从C到D的过程中，气体对外______（填“做正功”、“做负功”或“不做功”），同时______（填“吸热”或“放热”）．

（4）气体在状态D时的体积VD＝________.

图4

解析　

（1）由题图可知，从状态A到B，气体体积不变，故是等容变化；

（2）从B到C温度不变，即分子平均动能不变，该理想气体的内能不变；

（3）从C到D气体体积减小，外界对气体做正功，W0，所以气体对外做负功，同时温度降低，说明内能减小，由热力学第一定律ΔU＝W＋Q知气体放热；

（4）从D到A是等压变化，由

＝

得VD＝

VA.

答案　

（1）等容　

（2）不变　（3）做负功　放热　（4）

VA

递进题组

5．[热力学定律与等温变化的结合]如图5所示，一粗细均匀、导热良好、装有适量水银的U形管竖直放置，右端与大气相通，左端封闭气柱长l1＝20cm（可视为理想气体），两管中水银面等高．现将右端与一低压舱（未画出）接通，稳定后右管水银面高出左管水银面h＝10cm.（环境温度不变，大气压强p0＝75cmHg）

图5

（1）求稳定后低压舱内的压强（用“cmHg”做单位）．

（2）此过程中左管内的气体对外界________（填“做正功”、“做负功”或“不做功”），气体将________（填“吸热”或“放热”）．

答案　

（1）50cmHg　

（2）做正功　吸热

解析　

（1）设U形管横截面积为S，右端与大气相通时，左管中封闭气体的压强为p1，右端与一低压舱接通后，左管中封闭气体的压强为p2，气柱长度为l2，稳定后低压舱内的压强为p.左管中封闭气体发生等温变化，根据玻意耳定律得

p1V1＝p2V2①

p1＝p0②

p2＝p＋ph③

V1＝l1S④

V2＝l2S⑤

由几何关系得h＝2（l2－l1）⑥

联立①②③④⑤⑥式，

代入数据得p＝50cmHg

（2）左管内气体膨胀，气体对外界做正功，温度不变，ΔU＝0，根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W且W<0，所以Q＝－W>0，气体将吸热．

6.[热力学定律与理想气体状态方程的结合]我国“蛟龙”号深海探测船载人下潜超过七千米，再创载人深潜新纪录．在某次深潜实验中，“蛟龙”号探测到990m深处的海水温度为280K．某同学利用该数据来研究气体状态随海水深度的变化．如图6所示，导热良好的汽缸内封闭一定质量的气体，不计活塞的质量和摩擦，汽缸所处海平面的温度T0＝300K，压强p0＝1atm，封闭气体的体积V0＝3m3.如果将该汽缸下潜至990m深处，此过程中封闭气体可视为理想气体．

（1）求990m深处封闭气体的体积（1atm相当于10m深的海水产生的压强）．

（2）下潜过程中封闭气体______（填“吸热”或“放热”），传递的热量______（填“大于”或“小于”）外界对气体所做的功．

图6

答案　

（1）2.8×10－2m3　

（2）放热　大于

解析　

（1）以汽缸内封闭的气体为研究对象，初态压强p0＝1atm，温度T0＝300K，体积V0＝3m3，汽缸在990m深处时，封闭气体的压强p＝1atm＋

atm＝100atm，温度T＝280K，设封闭气体的体积变为V.由理想气体状态方程有

＝

，代入数据解得V＝2.8×10－2m3.

（2）封闭气体的体积减小，外界对封闭气体做正功，而封闭气体的温度降低，内能减小，由热力学第一定律可知，封闭气体要放热，且传递的热量大于外界对封闭气体所做的功．

7．[热力学定律与图象的结合]一定质量的理想气体压强p与热力学温度T的关系图象如图7所示，AB、BC分别与p轴和T轴平行，气体在状态A时的压强为p0、体积为V0，在状态B时的压强为2p0，则气体在状态B时的体积为______；气体从状态A经状态B变化到状态C的过程中，对外做的功为a（a>0），内能增加了b（b>0），则此过程气体______（选填“吸收”或“放出”）的热量为______．

图7

答案　

　吸收　a＋b

解析　对A到B过程，温度不变，由玻意耳定律可知，气体在状态B时的体积为V＝

；气体从状态A经状态B变化到状态C的过程中，对外做的功为a，内能增加了b，由热力学第一定律，此过程气体吸收的热量为a＋b.

高考模拟　明确考向

1．（2014·广东·17）用密封性好、充满气体的塑料袋包裹易碎品，如图8所示，充气袋四周被挤压时，假设袋内气体与外界无热交换，则袋内气体（　　）

图8

A．体积减小，内能增大B．体积减小，压强减小

C．对外界做负功，内能增大D．对外界做正功，压强减小

答案　AC

解析　充气袋被挤压时，气体体积减小，外界对气体做正功，由于袋内气体与外界无热交换，故由热力学第一定律知，气体内能增加，故选项A、C正确；气体体积减小，内能增加，由理想气体状态方程可知气体压强变大，选项B、D错误．

2．（2014·重庆·10

（1））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　质量一定的气体，体积不变，当温度升高时，是一个等容变化，据压强的微观解释：

温度升高，气体的平均动能增加；单位时间内撞击单位面积的器壁的分子数增多，可知压强增大．由于温度升高，所以分子平均动能增大，物体的内能变大；体积不变，对内外都不做功，内能增大，所以只有吸收热量，故A、C、D错误；B正确．

3．（2014·山东·37

（1））如图9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______．（双选，填正确答案标号）

图9

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　根据理想气体状态方程，缸内气体压强不变，温度升高，体积增大，对外做功，理想气体不计分子间的作用力，温度升高，内能增加．选项A、B正确．

4．如图10所示，固定在水平面上的汽缸内封闭着一定质量的理想气体，汽缸壁和活塞绝热性能良好，汽缸内气体分子间相互作用的势能忽略不计，则以下说法正确的是（　　）

图10

A．使活塞向左移动，汽缸内气体对外界做功，内能减少

B．使活塞向左移动，汽缸内气体内能增大，温度升高

C．使活塞向左移动，汽缸内气体压强减小

D．使活塞向左移动，汽缸内气体分子无规则运动的平均动能减小

答案　B

解析　使活塞向左移动，外界对缸内气体做功，故W0，汽缸壁的绝热性能良好，由热力学第一定律：

ΔU＝W＋Q得，汽缸内气体的内能增大，所以缸内气体温度增大，所以汽缸内气体分子的平均动能增大，压强增大，故B正确，A、C、D错误．

5．某次科学实验中，从高温环境中取出一个如图11所示的圆柱形导热汽缸，把它放在大气压强p0＝1atm、温度t0＝27℃的环境中自然冷却．该汽缸内壁光滑，容积V＝1m3，开口端有一厚度可忽略的活塞．开始时，汽缸内密封有温度t＝447℃、压强p＝1.2atm的理想气体，将汽缸开口向右固定在水平面上，假设汽缸内气体的所有变化过程都是缓慢的．求：

图11

（1）活塞刚要向左移动时，汽缸内气体的温度t1；

（2）最终汽缸内气体的体积V1；

（3）在整个过程中，汽缸内气体对外界______（选填“做正功”、“做负功”或“不做功”），汽缸内气体放出的热量______（选填“大于”、“等于”或“小于”）气体内能的减少量．

答案　

（1）327℃　

（2）0.5m3　（3）做负功　大于

解析　

（1）汽缸内的气体做等容变化，T＝（273＋447）K＝720K由查理定律得

＝

解得T1＝600K，即t1＝327℃.

（2）最终汽缸内气体的压强为p0，温度为T0，且T0＝（273＋27）K＝300K，由理想气体状态方程得

＝

解得V1＝0.5m3.

（3）体积减小，汽缸内气体对外界做负功，由ΔU＝W＋Q知，汽缸内气体放出的热量大于气体内能的减少量．

6．

（1）下列说法正确的是（　　）

A．布朗运动就是液体分子的无规则运动

B．晶体规则外形是晶体内部微粒在空间有规则排列的结果

C．液体很难压缩是因为液体分子间只有斥力没有引力的缘故

D．液体表面具有收缩的趋势是由于液体存在表面张力的缘故

图12

（2）某同学从冰箱冷冻室中取出经较长时间冷冻的空烧瓶后，迅速把一个气球紧密地套在瓶口上，并将烧瓶放进盛有热水的烧杯里，气球逐渐膨胀起来，如图12所示．烧瓶和气球里的气体内能________（选填“增大”“不变”或“减小”），外界对气体________（选填“做正功”“做负功”或“不做功”）

（3）如图13所示，一端开口、另一端封闭的细长薄壁玻璃管水平放置，内有用水银柱封闭的体积为10mL的某种理想气体．外界大气压为1标准大气压，环境温度为27℃，阿伏伽德罗常数约为6，标准状况下1mol该气体体积约为22.4L．求：

图13

①当环境温度降为0℃时（设大气压强不变）气体的体积；

②估算管中气体分子数目．（结果保留两位有效数字）

答案　见解析

解析　

（1）BD　

（2）增大　做负功　（3）由理想气体状态方程知：

＝

　V2＝9.1mL

n＝

NA　代入数据得n＝2.4×1020（个）

练出高分

一、单项选择题

1．（2013·山东·36

（1））下列关于热现象的描述正确的一项是（　　）

A．根据热力学定律，热机的效率可以达到100%

B．做功和热传递都是通过能量转化的方式改变系统内能的

C．温度是描述热运动的物理量，一个系统与另一个系统达到热平衡时两系统温度相同

D．物体由大量分子组成，其单个分子的运动是无规则的，大量分子的运动也是无规则的

答案　C

解析　根据热力学第二定律可知，热机不可能从单一热源吸收热量全部用来做功而不引起其他变化，因此，热机的效率不可能达到100%，选项A错误；做功是通过能量转化的方式改变系统的内能，热传递是通过能量的转移的方式改变系统的内能，选项B错误；温度是表示热运动的物理量，热传递过程中达到热平衡时，温度相同，选项C正确；单个分子的运动是无规则的，大量分子的运动表现出统计规律，选项D错误．

2．已知理想气体的内能与温度成正比，如图1所示的实线为汽缸内一定质量的理想气体由状态1到状态2的变化曲线，则在整个过程中汽缸内气体的内能（　　）

图1

A．先增大后减小

B．先减小后增大

C．单调变化

D．保持不变

答案　B

解析　题图中虚线是等温线，由理想气体状态方程

＝C知，在V一定时p∝

，所以汽缸内气体由状态1到状态2时温度先减小后增大，即理想气体的内能先减小后增大，B正确．

3.如图2所示，一定质量的理想气体密封在绝热（即与外界不发生热交换）容器中，容器内装有一可以活动的绝热活塞．今对活塞施加一竖直向下的压力F，使活塞缓慢向下移动一段距离后，气体的体积减小．若忽略活塞与容器壁间的摩擦力，则被密封的气体（　　）

图2

A．温度升高，压强增大，内能减少

B．温度降低，压强增大，内能减少

C．温度升高，压强增大，内能增加

D．温度降低，压强减小，内能增加

答案　C

解析　向下压活塞，力F对容器中的气体做功，气体的内能增加，温度升高，对活塞受力分析可得出容器中的气体的压强增大，故选项C正确．

4.一物理爱好者利用如图3所示的装置研究气体压强、体积、温度三者之间的关系．导热良好的汽缸开口向下，内有理想气体，汽缸固定不动，缸内活塞可自由移动且不漏气．一温度计通过缸底小孔插入缸内，插口处密封良好，活塞下挂一个沙桶，沙桶装满沙子时活塞恰好静止，现给沙桶底部钻一个小洞，细沙缓慢漏出，外部温度恒定不变，则（　　）

图3

A．外界对气体做功，气体内能增大

B．外界对气体做功，温度计示数不变

C．外界对气体做功，温度计示数减小

D．外界对气体做功，温度计示数增大

答案　B

解析　题中“导热良好的汽缸”和“细沙缓慢漏出”表明缸内气体温度不变，等于环境温度，所以温度计示数不变，气体内能不变，细沙漏出的过程活塞向上移动，外界对气体做功，B正确．

二、多项选择题

5．对于一定量的理想气体，下列说法中正确的是（　　）

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　理想气体的内能只由温度决定，故E正确．由理想气体状态方程

＝C可知，若气体的压强和体积都不变，温度T也不变，所以内能也一定不变，A正确．若气体的内能不变，则温度T不变，但气体的压强和体积可以改变，B错误．若气体的温度升高，体积增大，其压强可以不变，C错误．由热力学第一定律，ΔU＝Q＋W知，D正确．

6.（2013·广东·18）图4为某同学设计的喷水装置，内部装有2L水，上部密封1atm的空气0.5L，保持阀门关闭，再充入1atm的空气0.1L，设在所有过程中空气可看作理想气体，且温度不变，下列说法正确的有（　　）

图4

A．充气后，密封气体压强增加

B．充气后，密封气体分子的平均动能增加

C．打开阀门后，密封气体对外界做正功

D．打开阀门后，不再充气也能把水喷光

答案　AC

解析　由pV＝nRT知，当V、T不变时，n增加，p增大，故A对．密封气体的温度不变，密封气体分子的平均动能就不变，故B错．通过公式p1V1＋p2V2＝pV1计算出，密封气体压强变为1.2atm，大于外界压强，故打开阀门后气体就会压水把水喷出，显然密封气体对外界做正功，密封气体体积变大，压强变小，当密封气体压强与装置内剩余水的压强之和与外界压强相等的时候，就不再喷水了，故C对，D错．

7.如图5所示，在开口向下的竖直导热汽缸内，用活塞封闭了一定质量的气体，活塞与汽缸壁之间无摩擦，汽缸外温度不变，且不考虑汽缸内气体的分子势能，若在活塞下面悬挂一个小重物，则稳定后（　　）

图5

A．缸内气体的压强不变

B．缸内气体对外做功

C．缸内气体从外界吸收热量

D．缸内气体内能增大

答案　BC

解析　不挂小重物时，汽缸内气体压强p＝p0－

，若活塞下挂一小重物，设小重物的质量为m，则p′＝p0－

，即缸内气体压强变小，A错误．

由于汽缸内的气体等温变化，故缸内气体内能不变，D错误；由

＝C可知，缸内压强减小，体积增大，缸内气体对外做功，B正确；由ΔU＝W＋Q可知，缸内气体从外界吸收热量，C正确．

8.如图6，一绝热容器被隔板K隔开成a、b两部分．已知a内有一定量的稀薄气体，b内为真空．抽开隔板K后，a内气体进入b，最终达到平衡状态．在此过程中（　　）

图6

A．气体对外界做功，内能减少

B．气体不做功，内能不变

C．气体压强变小，温度降低

D．气体压强变小，温度不变

答案　BD

解析　因b内为真空，所以抽开隔板后，a内气体可以“自发”进入b，气体不做功．又因容器绝热，不与外界发生热量传递，根据热力学第一定律可以判断其内能不变，温度不变．由理想气体状态方程可知：

气体体积增大，温度不变，压强必然变小．综上可判断B、D项正确．

三、非选择题

9.气体温度计结构如图7所示．玻璃测温泡A内充有理想气体，通过细玻璃管B和水银压强计相连．开始时A处于冰水混合物中，左管C中水银面在O点处，右管D中水银面高出O点h1＝14cm，后将A放入待测恒温槽中，上下移动D，使C中水银面仍在O点处，测得D中水银面高出O点h2＝44cm.（已知外界大气压为1个标准大气压，1标准大气压相当于76cmHg）

图7

（1）求恒温槽的温度．

（2）此过程A内气体内能________（填“增大”或“减小”），气体不对外做功，气体将________（填“吸热”或“放热”）．

答案　

（1）364K（或91℃）　

（2）增大　吸热

解析　

（1）设恒温槽的温度为T2，由题意知T1＝273K

A内气体发生等容变化，根据查理定律得

＝

①

p1＝p0＋ph1②

p2＝p0＋ph2③

联立①②③式，代入数据得T2＝364K（或91℃）

10．（2014·江苏·12A）一种海浪发电机的气室如图8所示．工作时，活塞随海浪上升或下降，改变气室中空气的压强，从而驱动进气阀门和出气阀门打开或关闭．气室先后经历吸入、压缩和排出空气的过程，推动出气口处的装置发电．气室中的空气可视为理想气体．

图8

（1）下列对理想气体的理解，正确的有________．

A．理想气体实际上并不存在，只是一种理想模型

B．只要气体压强不是很高就可视为理想气体

C．一定质量的某种理想气体的内能与温度、体积都有关

D．在任何温度、任何压强下，理想气体都遵循气体实验定律

（2）压缩过程中，两个阀门均关闭．若此过程中，气室中的气体与外界无热量交换，内能增加了3.4×104J，则该气体的分子平均动能________（选填“增大”、“减小”或“不变”），活塞对该气体所做的功________（选填“大于”、“小于”或“等于”）3.4×104J.

（3）上述过程中，气体刚被压缩时的温度为27℃，体积为0.224m3，压强为1个标准大气压．已知1mol气体在1个标准大气压、0℃时的体积为22.4L，阿伏加德罗常数NA＝6.02×1023mol－1.计算此时气室中气体的分子数．（计算结果保留一位有效数字）

答案　

（1）AD　

（2）增大　等于　（3）5×1024个

解析　

（1）理想气体是一种理想化模型，温度不太低、压强不太大的实际气体可视为理想气体；只有理想气体才遵循气体的实验定律，选项A、D正确，选项B错误．一定质量的理想气体的内能完全由温度决定，与体积无关，选项C错误．

（2）因为理想气体的内能完全由温度决定，当气体的内能增加时，气体的温度升高，温度是