【物理】2020届一轮复习人教版热力学第一定律 能量守恒定律课时作业
2020届一轮复习人教版 热力学第一定律 能量守恒定律 课时作业
1．(多选)如图所示，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( )
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 b内为真空，a中气体进入b中是为自由扩散过程，对外界不做功，而容器是绝热的，所以气体与外界无热量交换，根据热力学第一定律可知气体内能不变，故A错误，B正确。气体内能不变，稀薄气体分子势能不计，则其分子动能不变，气体温度不变；根据＝C知，气体体积增大，压强减小，故C错误，D正确。
2．在热力学第一定律的表达式ΔU＝W＋Q中关于ΔU、W、Q各个物理量的正、负，下列说法中正确的是( )
A．外界对物体做功时W为正，吸热时Q为负，内能增加时ΔU为正
B．物体对外界做功时W为负，吸热时Q为正，内能增加时ΔU为负
C．物体对外界做功时W为负，吸热时Q为正，内能增加时ΔU为正
D．外界对物体做功时W为负，吸热时Q为负，内能增加时ΔU为负
答案 C
解析 外界对物体做功时W为正，反之为负；吸热时Q为正，反之为负；内能增加时ΔU为正，反之为负，故C正确。
3．(多选)如图所示，活塞将一定质量的气体封闭在直立圆筒形导热的汽缸中，活塞上堆放细沙，活塞处于静止状态，现逐渐取走细沙，使活塞缓慢上升，直到细沙全部取走。若活塞与汽缸之间的摩擦可忽略，
则在此过程中( )
A．气体对外做功，气体温度可能不变
B．气体对外做功，内能一定减少
C．气体压强减小，内能可能不变
D．气体从外界吸热，内能一定增加
答案 AC
解析 由于汽缸导热，则可与外界进行热交换，细沙减少时，气体膨胀对外做功，压强减小，可能与外界进行热交换吸热使内能不变，故A、C正确，B、D错误。
4．(多选)如图所示，一定质量的理想气体，从状态A经绝热过程A→B，等容过程B→C，等温过程C→A，又回到了状态A，则( )
A．A→B过程气体降温
B．B→C过程气体吸热
C．C→A过程气体放热
D．全部过程气体做功为零
答案 ABC
解析 A→B过程气体绝热膨胀，气体对外界做功，其对应的内能必定减小，即气体温度降低，A正确；B→C过程气体等容升压，由＝C可知，气体温度升高，其对应内能增加，因做功W＝0，故该过程必定从外界吸热，即B正确；C→A过程气体等温压缩，故内能变化为零，但外界对气体做功，因此该过程中气体放热，C正确；A→B过程气体对外做功，其数值等于AB线与横轴包围的面积。B→C过程气体不做功。C→A过程外界对气体做功，其数值等于CA线与横轴包围的面积，显然全过程对气体做的净功为ABC封闭曲线包围的面积，D错误。
5．一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，其状态变化过程的pV图象如图所示。已知该气体在状态A时的温度为27 ℃。
(1)求该气体在状态B、C时的温度；
(2)该气体从状态A到状态C
的过程中是吸热还是放热？传递的热量是多少？
答案 (1)－73 ℃ 27 ℃ (2)吸收热量 200 J
解析 (1)气体从状态A到状态B做等容变化，由查理定律有＝，解得TB＝200 K，即tB＝－73 ℃；气体从状态B到状态C做等压变化，由盖—吕萨克定律有＝，解得TC＝300 K，即tC＝27 ℃。
(2)因为状态A和状态C温度相等，且理想气体的内能是所有分子的动能之和，温度是分子平均动能的标志，所以在这个过程中ΔU＝0，由热力学第一定律ΔU＝Q＋W得Q＝－W。在整个过程中，气体在B到C过程对外做功，故W＝－pBΔV＝－200 J。即Q＝－W＝200 J，是正值，所以气体从状态A到状态C过程中是吸热，吸收的热量Q＝200 J。
6．如图所示，一个质量为20 kg的绝热汽缸竖直放置，绝热活塞的质量为5 kg，处于静止状态时被封闭气体的高度为50 cm，现在在活塞上方加一个质量为15 kg的物体。待稳定后，被封闭气体的高度变为40 cm，若大气压对气体做功为12 J，求在这一过程中气体的内能变化了多少？(g取10 m/s2，不考虑摩擦力)
答案 增加了32 J
解析 由热力学第一定律及能量守恒得：汽缸、活塞绝热Q＝0，大气、活塞和物体的重力对气体做功，等于气体内能的增加量，即ΔU＝W＋(M＋m)gh＝12 J＋(15＋5)×10×(0．5－0．4) J＝32 J。
知识点二·能量守恒定律
7．汽车关闭发动机后恰能沿斜坡匀速运动，在这一过程中( )
A．汽车的机械能守恒
B．汽车的动能和势能相互转化
C．机械能逐渐转化为内能，总能量逐渐减小
D．机械能逐渐转化为内能，总能量不变
答案 D
解析 汽车在关闭发动机时能匀速运动，说明汽车和斜坡之间一定有摩擦力作用，所以汽车的机械能不守恒，有部分机械能转化为内能，
但能的总量保持不变，故D正确。
8．重10 N的物体从一个高3 m、长5 m的斜面上滑下，已知物体与斜面之间的动摩擦因数是0．25，在物体从斜面顶端滑至底端的过程中，内能的增量是( )
A．10 J B．20 J C．30 J D．40 J
答案 A
解析 根据功能关系，滑动摩擦力在相对位移上的功等于内能的转化：ΔU＝μmgcosθ·L＝0．25×10××5 J＝10 J。
9．(多选)下列关于第一类永动机的说法正确的是( )
A．第一类永动机是不消耗任何能量却能源源不断地对外做功的机器
B．第一类永动机不能制成的原因是违背了热力学第一定律
C．第一类永动机不能制成的原因是技术问题
D．第一类永动机不能制成的原因是违背了能量守恒定律
答案 AD
解析 第一类永动机是不消耗任何能量却能源源不断地对外做功的机器，这是人们的美好愿望，但它违背了能量守恒定律，这也是它不能制成的原因。故A、D正确，B、C错误。
10．如图所示的容器中，A、B管中各有一个可自由移动的轻活塞，活塞下面是水，上面是大气，大气压恒定。A、B的底部由带阀门K的管道相连，整个装置与外界绝热。原先A中水面比B中的高，打开阀门，使A中的水逐渐向B中流动，最后达到平衡，在这个过程中( )
A．大气压对水做功，水的内能增加
B．水克服大气压做功，水的内能减少
C．大气压对水不做功，水的内能不变
D．大气压对水不做功，水的内能增加
答案 D
解析 打开阀门K，由于水的重力作用，A中的水逐渐流向B中，运动一段时间后达到平衡状态，A和B中的水面静止在同一高度上。A中水面下降hA，B中水面上升hB。相当于A管中SAhA体积的水移到B管，且SAhA＝SBhB，这部分水的重心降低，重力对水做正功，重力势能减少，大气压力做功情况是大气压对A管中的水做正功，对B管中的水做负功，所以，大气压力对水做的总功为p0SAhA－p0SBhB，因为SAhA＝SBhB，所以大气压对水做的总功为零，又由于系统绝热，与外界没有热交换，只有水的重力做功，由能量守恒知重力势能转化为内能，故D正确。
11．一定质量的理想气体，在经过等压膨胀，等容降温，等压压缩、等容升温四个过程后回到初始状态，它是吸热还是放热？
答案 气体经历四个过程要吸收热量。
解析 因为该题涉及的气体过程比较多，所以可以将各气体过程用pV图象表示如图：
A→B过程中，为等压膨胀，压强不变，体积增大，气体对外做功，W1＝p1ΔV；B→C过程中，等容降温，体积不变，气体不对外做功，外界也不对气体做功；C→D过程中，为等压压缩，压强不变，体积减小，外界对气体做功，W2＝p2ΔV；D→A过程中，等容升温，体积不变，气体不对外做功，外界也不对气体做功；因为A→B过程与C→D过程比较，p1>p2，所以 W1>W2，即气体对外做的功比较多，总功为负
值，结合气体回到初状态上的温度相同，则气体的内能不变，根据热力学第一定律可以知道气体要吸收热量。
12．如图所示，一个小铁块沿半径为R＝0．2 m的半球内壁自上端由静止下滑，当滑至半球底部时，速度为1 m/s，设此过程中损失的机械能全部变为内能，并有40%被铁块吸收，已知铁的比热容c＝0．64×103 J/(kg·℃)，重力加速度g取10 m/s2。
求铁块升高的温度。
答案 0．94×10－3 ℃
解析 铁块滑到底部产生的内能ΔE＝mgR－mv2＝1．5m J，升高温度Δt＝≈0．94×10－3 ℃。
[提升训练]
一、选择题
1．(多选)一定质量的理想气体由状态A变化到状态B，气体的压强随热力学温度变化如图所示，则此过程( )
A．气体的密度增大
B．外界对气体做功
C．气体从外界吸收了热量
D．气体分子的平均动能增大
答案 AB
解析 由图线可知，在从A到B的过程中，气体温度不变，压强变大，由玻意耳定律可知，气体体积变小，VB
0，由热力学第一定律ΔU＝Q＋W可知：Q<0，气体要放出热量，故C错误；气体温度不变，分子平均动能不变，故D错误。
2．(多选)在光滑水平面上运动的物体，受到一个与速度同方向的推力，物体的温度与环境温度相同，在这个过程中以物体为研究对象( )
A．与热传递等效的功是正功，物体的内能增加
B．与热传递等效的功是零，内能不变
C．动能定理中的功是正功，动能增加
D．动能定理中的功是零，动能不变
答案 BC
解析 水平面光滑无摩擦，推力对物体做功只是使物体机械运动的动能增加，
没有机械能与物体内能之间的转化，因此物体的内能不变，故B、C正确。
3．如图所示为冲击摆实验装置，一飞行子弹射入沙箱后与沙箱合为一体，共同摆起一定高度，则下面有关能的转化的说法中正确的是( )
A．子弹的动能转变成沙箱和子弹的内能
B．子弹的动能转变成了沙箱和子弹的势能
C．子弹的动能转变成了沙箱和子弹的动能
D．子弹的动能一部分转变成沙箱和子弹的内能，另一部分转变成沙箱和子弹的机械能
答案 D
解析 子弹在射入沙箱瞬间，要克服摩擦阻力做功，有一部分动能转变成沙箱和子弹的内能，然后共同摆起一定高度的过程中机械能守恒，不再由机械能转化为内能，故D正确。
4．一定质量的理想气体，从某一状态开始经过一系列改变后又回到开始状态，用W1表示外界对气体做功，W2表示气体对外界做功，Q1表示气体吸收的热量，Q2表示气体放出的热量，则整个过程一定有( )
A．Q1－Q2＝W1－W2 B．Q1＝Q2
C．W2＝W1 D．Q1>Q2
答案 A'
解析 一定质量的理想气体，从某一状态开始经过一系列变化后又回到开始状态，根据热力学第一定律可知A正确。
5．(多选)一定质量的理想气体的状态变化过程表示在如图所示的pV图上，气体先由a状态沿双曲线经等温过程变化到b状态，再沿与横轴平行的直线变化到c状态，a、c两点位于与纵轴平行的直线上，下列说法中正确的是( )
A．由a状态至b状态过程中，气体放出热量，内能不变
B．由b状态至c状态过程中，气体对外做功，内能增加
C．c状态与a状态相比，c状态分子间平均距离较大，分子平均动能较大
D．b状态与a状态相比，b状态分子间平均距离较小，分子平均动能较小
答案 AB
解析 由a状态至b状态的过程中，气体温度不变，所以内能不变，同时体积减小，外界对气体做功，W>0，由热力学第一定律知气体向外放出热量；b状态与a状态相比，气体分子平均动能相同，分子间平均距离较小，A正确，D错误。由b状态至c状态过程中，气体压强不变，体积增大，气体对外界做功，W<0，同时温度升高，内能增大，由热力学第一定律知气体必从外界吸收热量，B正确。由c状态至a状态过程中，体积不变，压强减小，温度降低，内能减小，c状态与a状态相比，其分子间平均距离相同，分子平均动能较大，C错误。
6．(多选)关于物体的内能，下列说法中正确的是( )
A．相同质量的两种物体，升高相同的温度，内能增量一定相同
B．一定量0 ℃的水结成0 ℃的冰，内能一定减少
C．一定量气体克服外界压力膨胀，但不吸热也不放热，内能一定减少
D．一定量气体吸收热量而保持体积不变，内能可能减少
答案 BC'
解析 内能的改变不仅仅决定于温度的变化，还与物体的比热、质量、体积等因素有关，由于两物体比热可能不同，内能增量可能不同，A错误；一定量0 ℃的水结成0 ℃的冰，要放出热量，内能一定减少，B正确；在无热传递的情况下，气体膨胀对外做功，内能一定减少。气体体积不变，即意味着气体不对外界做功，外界也不对气体做功，吸收热量，内能一定会增加，故C正确，D错误。
7．(多选)如图所示，带有活塞的汽缸中封闭着一定质量的理想气体(不考虑气体分子势能)，汽缸和活塞均具有良好的绝热性能。将一个热敏电阻置于汽缸中，热敏电阻与汽缸外的欧姆表连接，汽缸固定不动，缸内活塞可自由移动且不漏气，活塞下挂一沙桶，沙桶装满沙子时活塞恰好静止。现将沙桶底部钻一小洞，细沙缓缓漏出。则下列说法正确的是( )
A．外界对气体做功，气体的内能增大
B．气体对外界做功，气体的内能减小
C．气体的压强增大，体积减小
D．欧姆表的指针逐渐向右偏转
答案 ACD
解析 在细沙缓慢漏出的过程中，沙桶对活塞向下的拉力减小，活塞在大气压的作用下向上运动，气体体积减小，压强增大，外界对气体做功，气体的内能增大，温度升高，由于热敏电阻的阻值随温度的升高而减小，欧姆表示数减小，指针右偏，故A、C、D正确，B错误。
8．如图所示，汽缸放置在水平地面上，质量为m的活塞将汽缸分成甲、乙两气室，两气室中均充有气体，汽缸、活塞是绝热的且不漏气。开始活塞被销钉固定，现将销钉拔掉，活塞最终静止在距原位置下方h处，设活塞移动前后甲气室中气体内能的变化量为ΔE，不计气体重心改变的影响，下列说法正确的是( )
A．ΔE＝mgh
B．ΔE＞mgh
C．ΔE＜mgh
D．以上三种情况均有可能
答案 B
解析 甲气室中气体体积减小，外界对它做正功，其中包括mgh和乙气室中气体分子对活塞的力做的功W乙，且为正功，ΔE＝mgh＋W乙，故B正确。
二、非选择题
9．试说明下列现象中能量转化的情况，其中有的现象，你可能对过程的具体情况不太清楚，但是你起码能说出：起初是什么形式的能量，最后又转化成什么形式的能量。
(1)在水平公路上行驶的汽车，发动机熄火之后，速度越来越小，最后停止。_____________________________________________________________________。
(2)你用力蹬自行车上一个斜坡。___________________________________________________________________。
(3)植物的光合作用。_____________________________________________________________________。
(4)用太阳能电池作动力的电动汽车在赛车场上奔驰。______________________________________________________________________
____________________。
(5)用柴油机带动发电机发电，供给电动水泵抽水，把水从低处抽到高处。____________________________________________________________________。
答案 (1)机械能转化为内能
(2)化学能转化为机械能和内能
(3)太阳能转化为化学能
(4)太阳能转化为电能，然后电能再转化为机械能和内能
(5)化学能转化为电能，然后电能转化为机械能
解析 (1)发动机熄火之后，速度减小，即机械能减小，速度减小的原因是汽车受到摩擦阻力的作用，此过程中将产生“热能”，即内能，因此，此过程是：机械能转化为内能。
(2)你用力蹬自行车上斜坡时，你感觉到疲劳即消耗体能，你的化学能减小，此过程中你的高度升高，自行车将受到地面的摩擦阻力作用，即机械能增加，产生内能。所以，此过程是：化学能转化为机械能和内能。
(3)植物的光合作用是：太阳能转化为化学能。
(4)用太阳能电池作动力的电动汽车在赛车场上奔驰，此过程是：太阳能转化为电能，然后电能再转化为机械能和内能。
(5)用柴油带动发电机发电，供给电动水泵抽水，把水从低处抽到高处，此过程是：化学能转化为电能，然后电能转化为机械能。
10．在将空气压缩装入气瓶的过程中，温度保持不变，外界做了24 kJ的功。现潜水员背着该气瓶缓慢地潜入海底，若在此过程中，瓶中空气的质量保持不变，且放出了5 kJ的热量。在上述两个过程中，空气的内能共减小________kJ，空气________(选填“吸收”或“放出”)的总热量为________kJ。
答案 5 放出 29
解析 将空气压入气瓶的过程中，因为温度不变，所以内能不变、外界做24 kJ的功，气体放出24 kJ的热量，在潜水员下潜过程中，瓶中空气质量不变、体积不变，放出5 kJ的热量，所以内能减少5 kJ，在这两个过程中，空气共放出24 kJ＋5 kJ＝29 kJ的热量。
11．一定质量的实际气体从外界吸收了4．2×105 J的热量，同时气体对外做了6×105 J的功，问：
(1)物体的内能增加还是减少？变化量是多少？
(2)分子势能是增加还是减少？
(3)分子的平均动能是增加还是减少？
答案 (1)减少 1．8×105 J (2)增加 (3)减少
解析 (1)气体从外界吸热为：Q＝4．2×105 J
已知气体对外做功：W＝－6×105 J
由热力学第一定律：ΔU＝W＋Q
有：ΔU＝W＋Q＝(－6×105) J＋(4．2×105) J
＝－1．8×105 J。ΔU为负，说明气体的内能减少了，减少1．8×105 J。
(2)因为气体对外做功，所以气体的体积膨胀，分子间的距离增大了，分子力做负功，气体分子势能增加了。
(3)因为气体对外做功，分子势能增加；所以分子平均动能减少。
12．质量M＝200 g的木块，静止在光滑水平面上，质量m＝20 g的铅弹[铅的比热容c＝126 J/(kg·℃)]以水平速度v0＝500 m/s射入木块，当它射出木块时速度变为v＝300 m/s，木块的速度为20 m/s。若这一过程中损失的机械能全部转化为内能，其中42%被铅弹吸收而使其升温，对铅弹穿过木块过程，求：
(1)铅弹克服摩擦力做的功；
(2)摩擦力对木块做的功；
(3)产生的总热量；
(4)铅弹升高的温度。
答案 (1)1600 J (2)40 J (3)1560 J (4)260 ℃
解析 (1)铅弹克服摩擦力做的功：W1＝m(v－v2)＝×0．02×(5002－3002) J＝1600 J。
(2)摩擦力对木块做的功：W2＝mv′2－0＝×0．2×202 J＝40 J。
(3)这一过程中损失的机械能为：
W＝W1－W2＝(1600－40) J＝1560 J
已知损失的机械能全部转化为内能，则内能的增量，即产生的总热量Q为1560 J。
(4)已知产生的总热量中有42%被铅弹吸收而使其升温，则子弹升高的温度为：
Δt＝＝ ℃＝260 ℃。