2025高考物理步步高同步练习选修3第三章　热力学定律功、热和内能的改变含答案

2025高考物理步步高同步练习选修3第三章热力学定律1功、热和内能的改变[学习目标]1.了解焦耳的两个实验的原理，知道做功和传热的实质.2.知道做功和传热是改变内能的两种方式，理解做功和传热对改变系统内能是等效的，明确两种方式的区别.3.明确内能、功、热量、温度四个物理量的区别和联系．一、焦耳的实验1．绝热过程：系统不从外界吸热，也不向外界放热的过程．2．代表性实验(1)重物下落时带动叶片转动，搅拌容器中的水，水由于摩擦而温度上升．(2)通过电流的热效应给液体加热．3．实验结论：在热力学系统的绝热过程中，外界对系统做的功仅由过程的始末两个状态决定，不依赖于做功的具体过程和方式．4．内能：只依赖于热力学系统自身状态的物理量．二、功与内能的改变1．功与内能的改变在热力学系统的绝热过程中，当系统从状态1经过绝热过程达到状态2时，内能的变化量ΔU＝U2－U1，等于外界对系统所做的功W，即ΔU＝W.2．理解(1)ΔU＝W的适用条件是绝热过程．(2)在绝热过程中：外界对系统做功，系统的内能增加；系统对外做功，系统的内能减少．三、热与内能的改变1．传热(1)条件：物体的温度不同．(2)传热：热从高温物体传到了低温物体．2．热和内能(1)热量：在单纯的传热过程中系统内能变化的量度．(2)热与内能的改变当系统从状态1经过单纯的传热达到状态2时，内能的变化量ΔU＝U2－U1等于外界向系统传递的热量Q，即ΔU＝Q.(3)传热与做功在改变系统内能上的异同．①做功和传热都能引起系统内能的改变．②做功时，内能与其他形式的能(如内能与机械能、内能与电能等)发生转化；传热只是不同物体(或一个物体的不同部分)之间内能的转移．1．判断下列说法的正误．(1)系统只从外界吸热，而不向外界放热的过程就是绝热过程．(×)(2)热量一定从内能多的物体传递给内能少的物体．(×)(3)做功和传热都可改变物体的内能，从效果上是等效的．(√)(4)在绝热过程中，外界对系统做的功小于系统内能的增加量．(×)(5)绝热情况下，系统内能的增加量等于外界对它做的功．(√)(6)传热只能发生在两个物体间，同一物体不能发生传热．(×)2．有各种方法可使物体的内能发生改变：a.电炉通电后发热；b.一杯开水放在桌面上冷却；c.阳光照射下冰块融化；d.锯木头时，锯片发烫；e.人坐在火炉旁取暖；f.用打气筒给自行车轮胎打气后，打气筒变热．其中属于做功使物体内能改变的是________；属于传热使物体内能改变的是________．答案adfbce一、功与内能的改变导学探究1．在焦耳的许多实验中，有两个最具有代表性：一个实验是重物下落时带动叶片转动，搅拌容器中的水，水由于摩擦而温度上升；另一个实验是通过电流的热效应给液体加热．焦耳的这两个实验说明了什么问题？答案绝热过程中，外界对系统做的功仅由过程的始末状态决定，与做功的具体过程和方式无关．2.如图，在有机玻璃筒底放少量的硝化棉(燃点较低)，迅速压下活塞，观察硝化棉的变化．(1)你能看到什么现象？实验现象说明了什么？(2)图中用力按压活塞时为什么一定要迅速？答案(1)可以看到硝化棉燃烧．实验现象说明压缩空气做功，使空气内能增大，达到硝化棉的燃点后引起硝化棉燃烧．(2)迅速按下活塞是为了减少传热，尽量创造一个绝热条件．知识深化1．内能(1)物体的内能是指物体内所有分子的动能和势能之和，因此物体的内能是一个状态量．(2)当物体温度变化时，分子平均动能变化；物体体积变化时，分子势能发生变化．物体的内能变化只由初、末状态决定，与中间过程及方式无关．2．做功与内能变化的关系(1)做功改变物体内能的过程是其他形式的能(如机械能)与内能相互转化的过程．(2)在绝热过程中，外界对物体做功，则W>0，外界对物体做多少功，就有多少其他形式的能转化为内能，物体的内能就增加多少；物体对外界做功，则W<0，物体对外界做多少功，就有多少内能转化为其他形式的能，物体的内能就减少多少．3.功与内能的区别(1)功是过程量，内能是状态量．(2)物体的内能大，并不意味着做功多．在绝热过程中，只有内能变化越大时，相应地做功才越多．特别提醒外界对某一系统做功时系统的内能不一定增加，还要看该系统有没有向外放热，以及向外放热的多少．例1如图所示，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()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，活塞对气体做功，气体的内能增加，温度升高，气体的体积减小，气体的压强增大，故选C.针对训练某汽车后备箱内安装有撑起箱盖的装置，它主要由汽缸和活塞组成．开箱时，密闭于汽缸内的压缩气体膨胀，将箱盖顶起，如图所示．在此过程中，若缸内气体与外界无热交换，忽略气体分子间的相互作用，则缸内气体()A．对外做正功，分子的平均动能增大B．对外做正功，内能增大C．对外做负功，分子的平均动能增大D．对外做正功，内能减小答案D解析气体膨胀，气体对外做正功，又因为气体与外界无热量交换，由此可知气体内能减小，B错误，D正确；因忽略气体分子间相互作用，没有分子势能，所以分子平均动能减小，A、C错误．二、热与内能的改变导学探究1．用铁锤反复敲击铁棒，铁棒的温度会升高，把铁棒放在炭火上烧，铁棒的温度也会升高，这说明了什么问题？答案说明做功和传热都能改变物体的内能．2．如图所示是传热的三种方式——传导、对流和辐射．(1)这三种方式在传递能量时有什么共同点？(2)传热和做功都可以改变物体的内能，这两种方式在改变物体内能时本质上又有什么不同？答案(1)三种方式都是热量从一个物体传递到另一个物体．(2)传热是内能在物体间(或一个物体的不同部分之间)转移，做功是其他形式的能和内能之间的转化．知识深化1．在单纯传热的过程中，系统从外界吸收多少热量，系统的内能就增加多少；系统向外界放出多少热量，系统的内能就减少多少．即ΔU＝U2－U1＝Q.2．传热改变物体内能的过程是不同物体(或一个物体的不同部分)之间内能的转移．3．传热与物体的内能的多少无关，只与两个物体(或一个物体的两部分)的温度差有关，热量总是从高温物体自发地传递到低温物体．例2(2021·泰安市高二检测)如图所示，太阳能热水器是一种能够将太阳的光能转化为内能的装置．这种装置可以使装置内的水温度升高，这种改变水的内能的方式是()A．做功B．传热C．既有做功也有热传递D．电流的热效应答案B解析太阳能热水器是通过吸收太阳光的热量，通过传热的方式将水加热，故选B.例3一铜块和一铁块，质量相等，铜块的温度T1比铁块的温度T2高，当它们接触在一起时，如果不和外界交换能量，则()A．从两者开始接触到热平衡的整个过程中，铜块内能的减少量等于铁块内能的增加量B．在两者达到热平衡以前的任意一段时间内，铜块内能的减少量不等于铁块内能的增加量C．达到热平衡时，铜块的温度比铁块的低D．以上说法都不正确答案A解析热平衡的条件是温度相等，传热的方向是从温度高的物体传向温度低的物体；因不和外界交换能量，则在传热过程中高温物体放出的热量等于低温物体吸收的热量，故A正确．三、内能、功、热量和温度的区别和联系1．热量和内能(1)内能是由系统的状态决定的，状态确定，系统的内能也随之确定．要使系统的内能发生变化，可以通过传热和做功两种方式来完成．(2)热量是传热过程中的特征物理量，热量只是反映物体在状态变化过程中所转移的能量，是用来衡量物体内能变化的，有过程，才有变化，离开过程，毫无意义．(3)对某一状态而言，只有“内能”，不存在“热量”和“功”．不能说一个系统中含有多少热量．2．热量与温度：热量是系统的内能变化的量度，而温度是系统内大量分子做无规则运动剧烈程度的标志．传热的前提条件是两个系统之间要有温度差，传递的是热量而不是温度．3．改变内能的两种方式的比较比较项目做功传热内能变化外界对物体做功，物体的内能增加；物体对外界做功，物体的内能减少物体吸收热量，内能增加；物体放出热量，内能减少物理实质其他形式的能与内能之间的转化不同物体间或一个物体不同部分之间内能的转移相互联系做一定量的功和传递相同量的热量在改变内能的效果上是相同的例4(2021·江苏省江阴高级中学高二期中)对于热量、功和物体的内能这三个物理量，下列叙述正确的是()A．热量、功、内能三者的物理意义相同B．热量和功都可以作为物体内能的量度C．热量、功、内能的单位肯定不相同D．热量和功是由过程决定的，而内能是由物体的状态决定的答案D解析热量、功和内能是三个不同的物理量，它们的物理意义不同，故A错误；功与热量都可以作为物体内能变化的量度，但不是物体内能的量度，故B错误；热量、功和内能的单位相同，都是焦耳，故C错误；功和热量由过程决定，内能由物体的状态决定，故D正确．考点一焦耳的实验1．如图所示为焦耳实验装置简图，用绝热性能良好的材料将容器包好．重物下落带动叶片搅拌容器里的水，引起水温升高．关于这个实验，下列说法正确的是()A．重物下落带动叶片转动，由于叶片向水传递热量而使水的温度升高B．做功增加了水的热量C．做功增加了水的内能D．做功和热量是完全等价的，无区别答案C解析重物下落带动叶片转动，由于叶片对水做功而使水的温度升高，故A错误．做功增加了水的内能，而热量只是传热过程中内能改变的量度，所以做功与热量是不同的，故C正确，B、D错误．2．如图所示是焦耳在研究热与功之间关系的两个典型实验，那么从焦耳的这两个实验中可得出的结论是()A．热量可由高温物体传给低温物体B．机械能守恒C．在各种不同的绝热过程中，系统状态的改变与做功的方式无关，仅与做功数量有关D．在各种不同的绝热过程中，系统状态的改变不仅与做功方式有关，还与做功数量有关答案C解析焦耳通过多次实验，最后得到的结论是，在各种不同的绝热过程中，系统状态的改变与做功方式无关，仅与做功数量有关，故选项C正确，其余选项均不是焦耳实验的结论．考点二功与内能的改变3.如图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()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解析筒内气体不与外界发生热交换，当M向下滑动时，筒内气体体积变小，外界对气体做功，使气体的内能增大，故选A.4.景颇族的祖先发明的点火器如图所示，用牛角做套筒，木质推杆前端粘着艾绒．猛推推杆，艾绒即可点燃，对筒内封闭的气体，在压缩过程中()A．气体温度升高，压强不变B．气体温度升高，压强变大C．气体对外界做正功，气体内能增加D．外界对气体做正功，气体内能减少答案B解析在猛推推杆的过程中，气体来不及和外界进行热交换，就认为是绝热过程，在压缩过程中，外界对气体做正功，气体内能增加，温度升高，压强变大，故选B.5.如图所示，活塞将汽缸分成甲、乙两气室，汽缸、活塞(连同拉杆)是绝热的，且不漏气．以E甲、E乙分别表示甲、乙两气室中气体的内能，则在将拉杆缓慢向左拉的过程中()A．E甲不变，E乙减小 B．E甲不变，E乙增大C．E甲增大，E乙不变 D．E甲增大，E乙减小答案D解析由题意可知甲、乙两气室气体都经历绝热过程，内能的改变取决于做功的情况．对甲气室内的气体，在拉杆缓慢向左拉的过程中，活塞左移，压缩气体，外界对甲气室内的气体做功，其内能增大；对乙气室内的气体，活塞左移，气体膨胀，乙气室内的气体对外界做功，内能减小，D正确．6.如图所示，一个质量为20kg的绝热汽缸竖直放置，绝热活塞的质量为5kg，面积为0.1m2，处于静止状态时，被封闭气体的高度为50cm，现在活塞上方加一15kg的物体，待稳定后，被封闭气体的高度变为40cm.求在这一过程中气体的内能增加了多少？(p0＝1.01×105Pa，g取10m/s2)答案1030J解析由于汽缸及活塞均绝热，故外界对气体所做的功全部转化为气体的内能，即ΔU＝W外＝(m活塞＋m物体)gΔh＋p0SΔh＝(5＋15)×10×0.1J＋1.01×105×0.1×0.1J＝1030J.考点三热与内能的改变7．关于传热，下列说法正确的是()A．传热的实质是温度的传递B．物体间存在温度差，才能发生传热C．传热可以在任何情况下进行D．物体内能发生改变，一定是吸收或放出了热量答案B解析传热的实质是物体间能量的转移，故A错误；传热的条件是物体间存在温度差，高温物体放出热量，低温物体吸收热量，若两物体温度相同，它们之间便不会发生传热，故B正确，C错误；物体吸收或放出热量，内能会发生变化，但内能变化不一定是传热引起的，也可能是做功引起的，故D错误．8．在外界不做功的情况下，物体的内能增加了50J，下列说法正确的是()A．一定是物体放出了50J的热量B．一定是物体吸收了50J的热量C．一定是物体分子动能增加了50JD．一定是物体分子势能增加了50J答案B解析在外界不做功的情况下，内能的改变量等于传递的热量，内能增加50J，一定是吸收了50J的热量，故A错，B对；物体内能包括所有分子的动能和势能，内能由分子数、分子平均动能、分子势能共同决定，所以内能增加了50J并不一定是分子动能增加了50J，也不一定是分子势能增加了50J，故C、D错．9．(2021·长沙市模拟)下列说法正确的是()A．热量和功是由过程决定的，而内能是由物体状态决定的B．外界对物体做功，物体的内能一定增大C．物体吸收热量，温度一定升高D．热量总是由内能大的物体流向内能小的物体答案A解析热量和功是过程量，内能是状态量，故A选项正确；引起物体内能的变化有做功和传热两种途径，单就一个方面不足以断定其内能的变化，故B选项错误；在晶体熔化和液体沸腾过程中，物体要不断地吸收热量，但物体的温度不变，这时内能的增加主要表现在内部分子势能的增加，故C选项错误；两物体之间热量的流向只与它们的温度有关，与它们内能的大小无关，故D选项错误．10．(2021·临沂市期中)A、B两物体之间接触，但没有发生传热，则()A．两物体所含的热量相等B．两物体内能相等C．两物体的温度相等D．两物体的内能一定相等答案C解析处于热平衡的两物体温度一定相等，不发生传热．物体的内能取决于物体的物质的量、温度、体积及物态，温度相等，内能不一定相等，故选C.11．关于内能，下列说法正确的是()A．物体的内能包括物体运动的动能B．0℃的水结冰过程中温度不变，内能减小C．提起重物，因为提力做正功，所以物体内能增大D．摩擦冰块使其融化是采用传热的方式改变物体的内能答案B解析物体的内能是指物体内所有分子的总动能和分子势能之和，不包括物体运动的动能，选项A错误；0℃的水结冰过程中温度不变，因要放热，则内能减小，选项B正确；提起重物，因为提力做正功，所以物体机械能变大，但是内能不一定增大，选项C错误；摩擦冰块使其融化是采用做功的方式改变物体的内能，选项D错误．12.(2021·江苏省镇江第一中学高二月考)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．下列说法不正确的是()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C解析气体自由膨胀，不对外做功，又是绝热汽缸，没有传热，故内能不变，A正确，C错误；气体被压缩的过程，外界对气体做功，气体内能增大，B、D正确．13.如图所示，在广口玻璃瓶内装一些水，水的上方有水蒸气．然后用一与打气筒相连的瓶塞密闭瓶口，并给瓶内打气，当打到某一状态时，瓶塞会跳起来．当瓶塞跳起时，我们会看到瓶内出现了“白雾”．对于“白雾”的形成，下列说法正确的是()A．这些“白雾”是当瓶塞跳起后外界的水蒸气在瓶口遇冷形成的小水珠B．这是打气筒向瓶内打进去的水蒸气C．这是瓶内的水向外膨胀形成的水雾D．瓶内空气推动瓶塞做功，空气的内能减少，温度降低，使水蒸气液化形成小水滴答案D解析当用打气筒向瓶内打气时，外界对系统做功，使系统的内能增加，温度升高，压强增大，使瓶塞从瓶口中喷出．形成“白雾”的原因是，在塞子突然跳起时，气体绝热膨胀对外做功，内能减少，温度下降，水蒸气有一部分液化成小水滴，故选D.2热力学第一定律3能量守恒定律[学习目标]1.理解热力学第一定律，并会运用于分析和计算.2.理解并会运用能量守恒定律.3.知道什么是第一类永动机及其不可能制成的原因．一、热力学第一定律1．改变内能的两种方式：做功与传热．两者对改变系统的内能是等价的．2．热力学第一定律：一个热力学系统的内能变化量等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的和．3．热力学第一定律的表达式：ΔU＝Q＋W.4．热力学第一定律的应用：(1)W的正负：外界对系统做功时，W取正值；系统对外界做功时，W取负值．(均选填“正”或“负”)(2)Q的正负：外界对系统传递的热量Q取正值；系统向外界传递的热量Q取负值．(均选填“正”或“负”)二、能量守恒定律1．探索能量守恒的足迹2．能量守恒定律能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变．3．永动机不可能制成(1)第一类永动机：不需要任何动力或燃料，却能不断地对外做功的机器．(2)第一类永动机由于违背了能量守恒定律，所以不可能制成．1．判断下列说法的正误．(1)外界对系统做功，系统的内能一定增加．(×)(2)一个系统的内能增加量等于外界向它传递的热量．(×)(3)物体与外界没有热交换，物体的内能也可能是增加的．(√)(4)运动的物体在阻力作用下会停下来，说明机械能凭空消失了．(×)(5)违背能量守恒定律的过程是不可能发生的．(√)2．气体膨胀对外做功100J，同时从外界吸收了120J的热量，它的内能的变化可能是()A．减小20J B．增大20JC．减小220J D．增大220J答案B一、热力学第一定律导学探究如图所示，快速推动活塞对汽缸内气体做功10J，气体内能改变了多少？若保持气体体积不变，汽缸向外界传递10J的热量，气体内能改变了多少？若推动活塞对汽缸内气体做功10J的同时，汽缸向外界传递10J的热量，气体的内能改变了多少？答案内能增加了10J减少了10J没改变知识深化1．对公式ΔU＝Q＋W符号的规定符号WQΔU＋体积减小，外界对热力学系统做功热力学系统吸收热量内能增加－体积增大，热力学系统对外界做功热力学系统放出热量内能减少2.气体状态变化的几种特殊情况(1)绝热过程：Q＝0，则ΔU＝W，系统内能的增加(或减少)量等于外界对系统(或系统对外界)做的功．(2)等容过程：W＝0，则ΔU＝Q，系统内能的增加量(或减少量)等于系统从外界吸收(或系统向外界放出)的热量．(3)等温过程：始末状态一定质量理想气体的内能不变，即ΔU＝0，则W＝－Q(或Q＝－W)，外界对系统做的功等于系统向外界放出的热量(或系统向外界吸收的热量等于系统对外界做的功)．3．判断气体是否做功的方法一般情况下看气体的体积是否变化．(1)若气体体积增大，表明气体对外界做功，W<0.(2)若气体体积减小，表明外界对气体做功，W>0.4．应用热力学第一定律解题的一般步骤(1)根据符号法则写出各已知量(W、Q、ΔU)的正负；(2)根据方程ΔU＝W＋Q求出未知量；(3)再根据未知量结果的正负来确定吸放热情况、做功情况或内能变化情况．例1(2021·舟曲县第一中学高二期末)一定质量的气体在某一过程中，外界对气体做了8×104J的功，气体的内能减少了1.2×105J，则下列各式正确的是()A．W＝8×104J，ΔU＝1.2×105J，Q＝4×104JB．W＝8×104J，ΔU＝－1.2×105J，Q＝－2×105JC．W＝－8×104J，ΔU＝1.2×105J，Q＝2×104JD．W＝－8×104J，ΔU＝－1.2×105J，Q＝－4×104J答案B解析因为外界对气体做功，W取正值，即W＝8×104J；气体内能减少，ΔU取负值，即ΔU＝－1.2×105J；根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，可知Q＝ΔU－W＝－1.2×105J－8×104J＝－2×105J，故选B.例2(2021·济南市期中)如图所示，内壁光滑的绝热汽缸固定在水平面上，其右端由于有挡板，厚度不计的绝热活塞不能离开汽缸，汽缸内封闭着一定质量的理想气体，活塞距汽缸右端的距离为0.2m．现对封闭气体加热，活塞缓慢移动，一段时间后停止加热，此时封闭气体的压强变为2×105Pa.已知活塞的横截面积为0.04m2，外部大气压强为1×105Pa，加热过程中封闭气体吸收的热量为2000J，则封闭气体的内能变化量为()A．400J B．1200JC．2000J D．2800J答案B解析由题意可知，气体先等压变化，到活塞运动到挡板处再发生等容变化，等压变化过程气体对外做功，做功为W＝－p0Sx＝－1×105×0.04×0.2J＝－800J，由热力学第一定律可知，封闭气体的内能变化量为ΔU＝W＋Q＝(－800＋2000)J＝1200J，故选B.二、能量守恒定律永动机不可能制成导学探究如图为一种所谓“全自动”的机械手表，既不需要上发条，也不用任何电源，却能不停地走下去．这是不是一种永动机？如果不是，维持表针走动的能量是从哪儿来的？答案这不是永动机．手表戴在手腕上，通过手臂的运动，机械手表获得能量，供手表指针走动．若将此手表长时间放置不动，它就会停下来．知识深化1．能量的存在形式及相互转化(1)各种运动形式都有对应的能：机械运动有机械能，分子的热运动有内能，还有电磁能、化学能、核能等．(2)各种形式的能，通过某种方式可以相互转化．例如：利用电炉取暖或烧水，电能转化为内能；煤燃烧，化学能转化为内能；列车刹车后，轮子温度升高，机械能转化为内能．2．能量守恒的两种表达(1)某种形式的能减少，一定有其他形式的能增加，且减少量和增加量一定相等．(2)某个物体的能量减少，一定存在其他物体的能量增加，且减少量和增加量一定相等．3．第一类永动机不可能制成的原因分析如果没有外界供给热量而对外做功，由ΔU＝W＋Q知，系统内能将减小．若想源源不断地做功，在无外界能量供给的情况下是不可能的．例3下列对能量守恒定律的认识不正确的是()A．某种形式的能量减少，一定存在其他形式的能量增加B．某个物体的能量减少，必然有其他物体的能量增加C．不需要任何外界的动力而持续对外做功的机器——第一类永动机是不可能制成的D．石子从空中落下，最后停止在地面上，说明机械能消失了答案D解析A选项是指不同形式的能量间的转化，转化过程中能量是守恒的；B选项是指能量在不同的物体间发生转化或转移，转化或转移过程中能量是守恒的，这正好是能量守恒定律的两个方面——转化与转移；第一类永动机是不可能制成的，它违背了能量守恒定律，A、B、C正确．D选项中石子的机械能在变化，因受空气阻力作用，机械能减少，但机械能并没有消失，而是转化成其他形式的能，D错误．例4如图所示，上端开口、粗细均匀的U形管的底部中间有一阀门，开始阀门关闭，两管中的水面高度差为h.现将阀门打开，最终两管水面相平，则这一过程中()A．大气压做正功，重力做负功，水的内能不变B．大气压不做功，重力做正功，水的内能增大C．大气压不做功，重力做负功，水的内能增大D．大气压做负功，重力做正功，水的内能不变答案B解析由于两管粗细相同，作用在水上的大气压力不做功；水流动过程中重心下降，重力做正功，水的重力势能减少，减少的重力势能最终转化为内能，故水的内能增大，选项B对，A、C、D错．三、气体实验定律与热力学第一定律的综合应用导学探究如图所示，一定质量的理想气体由a状态变化到b状态，请在图像基础上思考以下问题：(1)在变化过程中是气体对外界做功，还是外界对气体做功？(2)在变化过程中气体吸热，还是向外放热？气体内能如何变化？答案(1)由a状态变化到b状态，气体体积变大，因此气体对外界做功，即W<0.(2)由p－V图像知从a状态变化到b状态，体积变大而压强不变，则温度升高，故ΔU>0.由ΔU＝W＋Q得Q>0，即气体吸热，内能增加．知识深化热力学第一定律与理想气体状态方程结合问题的分析思路：(1)利用体积的变化分析做功情况．气体体积增大，气体对外界做功；气体体积减小，外界对气体做功．(2)利用温度的变化分析理想气体内能的变化．一定质量的理想气体的内能仅与温度有关，温度升高，内能增加；温度降低，内能减少．(3)利用热力学第一定律判断是吸热还是放热．由热力学第一定律ΔU＝W＋Q，则Q＝ΔU－W，若已知气体的做功情况和内能的变化情况，即可判断气体状态变化是吸热过程还是放热过程．例5(2021·淮安市高二期中)一定质量的理想气体，状态从A→B→C→D→A的变化过程可用如图所示的p－V图线描述，其中D→A为等温线，气体在状态A时温度为TA＝300K，试求：(1)气体在状态C时的温度TC；(2)若气体在A→B过程中吸热1000J，则在A→B过程中气体内能如何变化？变化了多少？答案(1)375K(2)增加了400J解析(1)D→A为等温线，则TD＝TA＝300K气体由C到D为等压变化，由盖－吕萨克定律得：eq\f(VC,TC)＝eq\f(VD,TD)得：TC＝eq\f(VCTD,VD)＝375K；(2)气体由A到B为等压变化，则W＝－pΔV＝－2×105×3×10－3J＝－600J，由热力学第一定律得ΔU＝Q＋W＝1000J－600J＝400J，则气体内能增加了400J.例6(2021·南京市高二期末)如图所示，一个开口向下内壁光滑的汽缸竖直吊在天花板上．汽缸口设有卡口，厚度不计的活塞横截面积S＝2×10－3m2，质量m＝4kg，活塞只能在汽缸内活动，活塞距汽缸底部h1＝20cm，距缸口h2＝10cm.汽缸内封闭一定质量的理想气体．已知环境的温度为T1＝300K，大气压强p0＝1.0×105Pa，g＝10m/s2，汽缸与活塞导热性能良好．升高环境温度使活塞缓慢下降到缸口，继续升高温度至T2＝900K时．(1)求此时气体压强；(2)在此过程中气体从外界吸收Q＝30J的热量，求气体内能的增加量ΔU.答案(1)1.6×105Pa(2)14J解析(1)设气体初状态压强为p1，对活塞由平衡条件得p0S＝p1S＋mg解得p1＝8×104Pa气体初状态的温度T1＝300K，体积V1＝h1S气体末状态的温度T2＝900K，体积V2＝(h1＋h2)S对缸内封闭气体，由理想气体状态方程eq\f(p1V1,T1)＝eq\f(p2V2,T2)解得p2＝1.6×105Pa(2)对于封闭气体，在此过程中外界对气体做功为W＝－p1·ΔV＝－8×104×2×10－3×0.1J＝－16J由热力学第一定律ΔU＝W＋Q气体增加的内能为ΔU＝－16J＋30J＝14J.针对训练1(2021·盐城市高二期末)如图所示，粗细均匀的玻璃管，长为L、内横截面积为S，将其固定在水平面上并保持平衡状态，A端封闭，B端开口，在B端用厚度不计的轻质活塞进行封闭，用力推活塞缓慢向里移动x时停止，该过程推力对活塞做功为WF.设整个过程管内气体温度不变，管内气体视为理想气体，活塞与玻璃管壁间的摩擦不计，外界大气压强为p0.求：(1)活塞移动x时，管内气体压强px；(2)活塞移动x过程，气体与外界传递的热量Q.答案(1)eq\f(p0L,L－x)(2)－(p0xS＋WF)解析(1)以理想气体为研究对象，初状态p1＝p0，V1＝LS末状态p2＝px，V2＝(L－x)S由于气体温度不变，由玻意耳定律p1V1＝p2V2联立方程解得px＝eq\f(p0L,L－x)(2)在整个过程中，外界对气体做功W＝p0xS＋WF，气体温度不变ΔU＝0，由热力学第一定律有ΔU＝W＋Q，联立方程解得Q＝－(p0xS＋WF)针对训练2(2022·南通市高二期末)如图所示，一绝热汽缸质量m＝20kg、深度H＝25cm，放在水平地面上，汽缸与地面的动摩擦因数μ＝0.5.轻质绝热活塞面积S＝100cm2与轻杆连接固定在竖直墙上，轻杆保持水平，光滑活塞与汽缸内壁密封一定质量的理想气体，气体温度为t0＝27℃，活塞到汽缸底的距离为h＝22cm，杆中恰无弹力．现用缸内的加热装置对缸内气体缓慢加热，气体的内能满足关系式U＝aT(a＝2.0J/K)，汽缸与地面的最大静摩擦力等于滑动摩擦力，外界大气压强p0＝1.0×105Pa，取g＝10m/s2.求：(1)汽缸相对地面刚开始滑动时，缸内气体的温度T；(2)汽缸滑动后，继续缓慢加热，汽缸缓慢移动，直至活塞恰到汽缸口，求这个过程气体吸收的热量Q.答案(1)330K(2)123J解析(1)由题意得开始时杆中恰无弹力，则初状态p1＝p0＝1.0×105Pa，T1＝300K,当汽缸相对地面刚开始滑动时，对汽缸受力分析得p2S＝p0S＋μmg，解得p2＝1.1×105Pa则由查理定律得eq\f(p1,T1)＝eq\f(p2,T)，解得汽缸相对地面刚开始滑动时，缸内气体的温度T＝330K(2)由题意汽缸缓慢移动，所以为等压变化过程，则初状态V1＝Sh，T3＝T＝330K当活塞恰到汽缸口时，满足V2＝SH由盖－吕萨克定律得eq\f(V1,T3)＝eq\f(V2,T4)解得T4＝375K又因为U＝aT所以ΔU＝375×2J－330×2J＝90J又因为汽缸滑动后，直至活塞恰到汽缸口过程中，气体做功为W＝p2ΔV＝－33J由热力学第一定律ΔU＝Q＋W解得Q＝123J.考点一热力学第一定律1．(2021·江苏省响水中学高二期末)下列说法正确的是()A．物体放出热量，其内能一定减少B．物体对外做功，其内能一定减少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，内能可能增加，故A错误；物体对外做功，若同时从外界吸收的热量大于对外做的功，则内能增加，故B错误；物体吸收热量，Q>0，同时对外做功，W<0，则其内能可能不变，可能增加，也可能减少，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，故D错误．2.如图所示是密闭的汽缸，外力推动活塞P压缩一定质量的理想气体，对缸内气体做功800J，同时气体向外界放热200J，缸内气体的()A．温度升高，内能增加600JB．温度升高，内能减少200JC．温度降低，内能增加600JD．温度降低，内能减少200J答案A解析由热力学第一定律ΔU＝W＋Q.其中W＝800J，Q＝－200J，则ΔU＝600J．内能增加，则温度升高，故选A.3．二氧化碳是导致“温室效应”的主要原因之一，目前专家们正在研究二氧化碳的深海处理技术．在某次实验中，将一定质量的二氧化碳气体封闭在一个可自由压缩的导热容器中，将容器缓慢移到海水某深处，气体体积减小为原来的一半，不计温度的变化，二氧化碳可视为理想气体，则此过程中()A．封闭气体对外界做正功B．封闭气体从外界吸收热量C．封闭气体分子的平均动能不变D．封闭气体内能增加答案C解析因为不计气体的温度变化，气体分子的平均动能不变，即ΔU＝0，选项C正确，D错误；因为气体体积减半，故外界对气体做功，即W>0，选项A错误；根据热力学第一定律：ΔU＝W＋Q，可知Q<0，即气体放出热量，选项B错误．4．(2021·苏州市高二期中)有一种在超市中常见的“强力吸盘挂钩”如图甲所示．图乙、图丙是其工作原理示意图．使用时，按住锁扣把吸盘紧压在墙上(如图乙)，然后把锁扣扳下(如图丙)，让锁扣以盘盖为依托把吸盘向外拉出，使吸盘牢牢地被固定在墙壁上，若吸盘内气体可视为理想气体，且温度始终保持不变．则此过程中()A．吸盘内气体要吸收热量B．吸盘内气体要放出热量C．吸盘被向外拉出过程中，吸盘内气体不对外界做功D．吸盘内气体压强增大答案A解析吸盘内气体体积增大，气体对外做功，W<0，由于气体温度不变，气体内能不变，ΔU＝0，由热力学第一定律ΔU＝W＋Q，可知Q＝ΔU－W>0，吸盘内气体要吸收热量，A正确，B、C错误；吸盘内气体温度不变而体积变大，由玻意耳定律pV＝C可知，吸盘内气体压强减小，D错误．5．(2021·淮安市高二期中)一定质量的理想气体从状态A经过状态B变化到状态C，其V－T图像如图所示．下列说法正确的有()A．B→C的过程中，气体压强不变B．A→B的过程中，气体吸收热量C．A→B的过程中，气体对外界做功D．A→B→C的过程中，气体内能增加答案A解析由题图可知，B→C过程，V－T图线是过原点的直线，即为等压线，所以该过程气体压强不变，故A正确；由题图可知，A→B的过程中，气体温度不变而体积减小，气体内能不变，外界对气体做功，即ΔU＝0，W＞0，根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q可知Q＝ΔU－W＝－W＜0，气体放出热量，故B、C错误；由题图可知，A→B→C过程中，气体温度降低，气体内能减少，故D错误．考点二能量守恒定律永动机不可能制成6．“第一类永动机”是不可能制成的，这是因为()A．它不符合机械能守恒定律B．它违背了能量守恒定律C．没有合理的设计方案D．找不到合适的材料答案B解析第一类永动机不可能制成的原因是违背了能量守恒定律，故B正确．7．在一个密闭绝热的房间里，有一电冰箱正在工作，如果打开电冰箱的门，过一段时间后房间的温度会()A．降低 B．不变C．升高 D．无法判断答案C解析冰箱只是把冰箱内的热量移到外面，但在密闭绝热的房间中，冰箱门打开，冰箱在不工作时，整个房间内的热量是不变的，而在工作时有电在做功，产生焦耳热，电能转化为内能，根据能量守恒定律可知室内温度升高了．故选C.8．(2021·江苏省新桥高级中学高二期中)用密封性好、充满气体的塑料袋包裹易碎品，如图所示，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()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，内能减小D．对外界做正功，压强减小答案A解析实际气体在温度不太低、压强不太大时可看作理想气体．充气袋被挤压，气体体积减小，外界对气体做正功，则W>0，即气体对外界做负功，由于袋内气体与外界无热交换，即Q＝0，根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q知，内能增大，选项A正确、C错误．根据eq\f(pV,T)＝C可判断压强一定增大，选项B、D错误．9.(2021·淮安市高二期中)水枪是孩子们喜爱的玩具，常见的气压式水枪储水罐示意图，如图所示．从储水罐充气口充入气体，达到一定压强后，关闭充气口．扣动扳机将阀门M打开，水即从枪口喷出．若在不断喷出的过程中，罐内气体温度始终保持不变，则气体()A．压强变大B．对外界做功C．对外界放热D．分子平均动能变大答案B解析随着水向外喷出，气体的体积增大，由于温度不变，根据pV＝C，可知气体压强减小，A错误；由于气体体积膨胀，对外界做功，根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，气体温度不变，内能不变，一定从外界吸收热量，B正确，C错误；温度是分子平均动能的标志，由于温度不变，分子的平均动能不变，D错误．10．(2021·青岛市高二期中)美丽的氢气球是很多小孩喜欢的玩具，将一个氢气球释放，它就会在空中持续上升，环境温度会降低，气球体积略微变大，若氢气球不漏气，下列说法正确的是()A．气体分子平均间距减小B．气体的压强不会发生变化C．外界将对氢气球内气体做正功D．气体放出的热量小于内能的减少量答案D解析气球体积变大，气体的分子数不变，气体分子平均间距增大，故A错误；气球在上升的过程中，环境温度会降低，气球体积变大，由eq\f(pV,T)＝C可知，气体压强减小，故B错误；气球体积变大，外界对气体做负功，故C错误；根据ΔU＝W＋Q，因温度降低则ΔU<0，外界对气体做负功，W<0，气体同时放出热量，Q<0，故放出的热量小于内能的减少量，故D正确．11.夏天，从湖底形成一个气泡，在缓慢上升到湖面的过程中没有破裂，如图所示．若越接近水面，湖内水的温度越高，大气压强没有变化，将气泡内气体看作理想气体．则上升过程中，下列说法正确的是()A．外界对气泡内气体做功B．气泡内气体分子平均动能增大C．气泡内气体温度升高导致放热D．气泡内气体的压强可能不变答案B解析气泡内气体压强p＝p0＋ρgh，气泡上升过程中，其压