课下巩固训练(12) 热力学第一定律　能量守恒定律-【正禾一本通】2024-2025学年高中物理选择性必修3同步课堂高效讲义配套练习（人教版2019）

[课下巩固训练(十二)]　热力学第一定律　能量守恒定律 ________________________________________________________________________ (选择题每题5分，非选择题每题10分，建议用时：40分钟) 【基础应用题】 1．文艺复兴时期，意大利的达·芬奇曾设计过一种转轮，利用隔板的特殊形状，使一边重球滚到另一边距离轮心远些的地方，并认为这样可以使轮子不停地转动，如图所示。下列说法正确的是(　　) A．该设计可以使转轮在无外力作用下顺时针转动变快 B．该设计可以使转轮在无外力作用下逆时针转动变快 C．该设计可以在不消耗能源的情况下不断地对外做功 D．该设计中使转轮成为永动机的设想是不可能实现的 解析：选D。由能量守恒定律可知，不管转轮是顺时针转动还是逆时针转动，在无外力作用下，轮子只能是转动变慢，最终停下来，该设计在不消耗能源的情况下不断地对外做功是不可能的，这种设想不可能实现，故A、B、C错误，D正确。 2．如图所示，现用活塞压缩封闭在汽缸内的空气，对空气做了90 J的功，同时空气向外散热21 J，关于汽缸内空气的内能变化情况，下列说法正确的是(　　 ) A．内能增加90 J B．内能增加69 J C．内能减小111 J D．内能减少21 J 解析：选B。由热力学第一定律ΔU＝Q＋W可得，汽缸内空气的内能变化为ΔU＝－21 J＋90 J＝69 J，即汽缸内空气的内能增加了69 J，故B正确。 3．(2023·天津高考)如图是爬山所带氧气瓶，氧气瓶里的气体容积质量不变，爬高过程中，温度减小，则气体(　　 ) A．对外做功 B．内能减小 C．吸收热量 D．压强不变 解析：选B。由于爬山过程中气体体积不变，故气体不对外做功，故A错误；爬山过程中温度降低，则气体内能减小，故B正确；根据热力学第一定律可知，爬山过程中气体不做功，但内能减小，所以气体放出热量，故C错误；爬山过程中氧气瓶里的气体容积质量均不变，温度减小，根据理想气体状态方程＝C可知，气体压强减小，故D错误。 4．(多选)如图所示为简易测温装置，玻璃管中一小段水银封闭了烧瓶内一定质量的气体，当温度升高时(　　 ) A．瓶内气体的密度增大 B．瓶内气体分子的平均动能增加 C．外界对瓶内气体做正功 D．传热使瓶内气体的内能增加 解析：选BD。由题图可知，当温度升高时，烧瓶内气体的变化为等压膨胀，所以瓶内气体的密度减小，气体分子的平均动能增加，瓶内气体对外做功，B正确，A、C错误；由热力学第一定律可知，瓶内气体内能增加是由于气体从外界吸收了热量，D正确。 5．如图所示，固定不动的水平汽缸内由活塞B封闭着一定量的理想气体，气体分子之间的相互作用可以忽略。假设汽缸的导热性能很好，环境的温度保持不变。若用外力F将活塞B缓慢地向右拉动，则在拉动活塞的过程中，关于汽缸内的气体，下列说法正确的是(　　) A．气体对外做功，气体内能减小 B．气体对外做功，气体内能不变 C．外界对气体做功，气体内能不变 D．气体向外界放热，气体内能不变 解析：选B。用外力F缓慢拉动活塞时，气体膨胀，对外做功，但由于汽缸的导热性能很好，环境温度又不变，所以汽缸内气体的温度保持不变，内能不变，再结合热力学第一定律可知，气体会从外界吸收热量，故B正确。 【综合提升题】 6．(2021·山东高考)如图所示，密封的矿泉水瓶中，距瓶口越近水的温度越高。一开口向下、导热良好的小瓶置于矿泉水瓶中，小瓶中封闭一段空气。挤压矿泉水瓶，小瓶下沉到底部；松开后，小瓶缓慢上浮，上浮过程中，小瓶内气体(　　 ) A．内能减少 B．对外界做正功 C．增加的内能大于吸收的热量 D．增加的内能等于吸收的热量 解析：选B。由于越接近矿泉水瓶口，水的温度越高，因此小瓶上浮的过程中，瓶内气体的温度升高，内能增加；在小瓶上升的过程中，瓶内气体的压强逐渐减小，根据理想气体状态方程＝C可知，气体体积增加，对外界做功；瓶内气体的内能增加，同时气体对外做功，根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W可知，气体吸收热量，且吸收的热量大于增加的内能，综上可知，B正确。 7．(多选)(2022·天津高考)采用涡轮增压技术可提高汽车发动机效率。将涡轮增压简化为以下两个过程，一定质量的理想气体首先经过绝热过程被压缩，然后经过等压过程回到初始温度，则(　　 ) A．绝热过程中，气体分子平均动能增加 B．绝热过程中，外界对气体做负功 C．等压过程中，外界对气体做正功 D．等压过程中，气体内能不变 解析：选AC。一定质量的理想气体经过绝热过程被压缩，可知气体体积减小，外界对气体做功，根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W可知，气体内能增加，温度升高，分子平均动能增加，故A正确，B错误；一定质量的理想气体经过等压过程回到初始温度，可知气体温度降低，气体内能减少，根据理想气体状态方程＝C，可知气体体积减小，外界对气体做功，故C正确，D错误。 8．(多选)(2021·海南高考)如图，一定质量的理想气体从状态a出发，经过等容过程到达状态b，再经过等温过程到达状态c，直线ac过原点。则气体(　　 ) A.在状态c的压强等于在状态a的压强 B．在状态b的压强小于在状态c的压强 C．在b→c的过程中内能保持不变 D．在a→b的过程对外做功 解析：选AC。因直线ac过V ­T图像的原点，所以气体在状态c的压强等于在状态a的压强，b点与原点连线的斜率小于c点与原点连线的斜率，所以气体在状态b的压强大于在状态c的压强，A正确，B错误；在b→c的过程中，气体温度不变，则气体的内能保持不变，C正确；在a→b的过程中，气体的体积不变，则气体不对外做功，D错误。 9．(多选)如图所示，水平放置的密封汽缸内的气体被一竖直隔板分隔为左右两部分，隔板可在汽缸内无摩擦滑动。右侧气体内有一电热丝，汽缸壁和隔板均绝热。初始时隔板静止，左右两边气体温度相等。现给电热丝提供一微弱电流，通电一段时间后切断电源。当缸内气体再次达到平衡时，与初始状态相比(　　) A．右边气体温度升高，左边气体温度不变 B．左右两边气体温度都升高 C．左边气体压强增大 D．右边气体内能的增加量等于电热丝放出的热量 解析：选BC。右边气体吸收热量后，温度升高，压强增大，隔板不再静止，向左移动，右边气体对左边气体做功，由于隔板和汽缸均绝热，则左边气体的内能增加，温度升高，A错误，B正确；左边气体体积减小，温度升高，由理想气体状态方程＝C可知，气体压强增大，C正确；右边气体对左边气体做了功，根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，得右边气体内能的增加量小于电热丝放出的热量，D错误。 10．如图所示，容器A、B各有一个可以自由移动的轻活塞，活塞下面是水，上面是大气，大气压强恒定。A、B的底部由带有阀门K的管道相连，整个装置与外界绝热。起初，A中水面比B中的高，打开阀门，使A中的水逐渐流向B中，最后达到平衡。在这个过程中，下列说法正确的是(　　 ) A．大气压力对水做功，水的内能减小 B．水克服大气压力做功，水的内能减小 C．大气压力对水不做功，水的内能不变 D．大气压力对水不做功，水的内能增加 解析：选D。平衡前，A容器中的活塞向下移动，设A中活塞横截面积为S1，移动距离为l1，大气压力推动A中活塞向下移动时对水做的功WA＝p0S1l1，平衡前，B容器中的活塞向上移动，设B中活塞横截面积为S2，移动距离为l2，水通过活塞对外界做功，WB＝－p0S2l2，由于水的总体积不变，则有S1l1＝S2l2，即A容器中大气压力对水做的功与B容器中水克服大气压力做的功相等。在整个过程中，大气压力对水做的功为WA＋WB＝p0S1l1－p0S2l2＝0，A、B错误。大气压力对水不做功，同时整个装置与外界绝热，没有热交换，但是水从容器A流向容器B的过程中，水的重心下降，水的重力做正功，重力势能减小，根据能量守恒定律可知，水减少的重力势能转化为水的内能，所以水的内能增加，C错误，D正确。 11．如图所示，一定质量的理想气体被活塞封闭在可导热的汽缸内，活塞可沿汽缸无摩擦地滑动。活塞横截面积S＝1.0×10－3 m2，质量m＝2 kg，汽缸竖直放置时，活塞相对于底部的高度为h＝1.2 m，室温等于27 ℃；现将汽缸置于77 ℃的热水中，已知大气压强p0＝1.0×105 Pa，取g＝10 m/s2，求： (1)平衡时活塞离汽缸底部的距离； (2)此过程中内部气体吸收热量28.8 J，气体内能的变化量。 解析：(1)设平衡时活塞距汽缸底部的距离为h′，取封闭气体为研究对象，气体发生等压变化，由盖­吕萨克定律得＝ 解得h′＝1.4 m。 (2)在此过程中气体对外做功 W＝p0S(h′－h)＋mg(h′－h) 由热力学第一定律得ΔU＝Q＋(－W) 解得ΔU＝4.8 J 即气体的内能增加了4.8 J。 答案：(1)1.4 m　(2)增加4.8 J 【创新拔高题】 12．(2023·福建高考)一定质量的理想气体经历了A→B→C→D→A的循环过程后回到状态A，其p ­V图像如图所示。完成一次循环，气体内能__________(填“增加”“减少”或“不变”)，气体对外界__________(填“做正功”“做负功”或“不做功”)，气体______(填“吸热”“放热”“不吸热”或“不放热”)。 [创新空间]气体的p ­V图像中面积的意义 如图甲所示，当气体膨胀而推动活塞上移Δh时，气体对外界做功W＝pS·Δh＝pΔV，借助微元法和累积法可进一步推知：在气体的p ­V图像中，图线与V轴包围的面积表示气体对外界(或外界对气体)所做的功，如图乙。 解析：完成一次循环，理想气体回到初始状态，初、末状态温度相同，所以整个过程气体内能的变化量为零(即ΔU＝0)；对p ­V图像来说，图线与坐标轴所围图形的面积表示气体做功情况，从A→B→C的过程中，气体的体积减小，外界对气体做功，从C→D→A的过程中，气体的体积增大，气体对外做功，由于从C→D→A的过程图线与坐标轴所围的面积大于从A→B→C的过程图线与坐标轴所围的面积，所以气体对外做的功大于外界对气体做的功，则整个过程表现为气体对外界做功(即W＜0)，根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，可知Q＞0，即气体从外界吸收热量。 答案：不变　做正功　吸热 学科网（北京）股份有限公司 $$