高中物理 加強練習第十五章　141.熱力學定律

141.熱力學定律(分值：50分)1、2題每題5分1.(2025·四川成都市三模)在2025年春節期間，小明進行了一項有趣的實驗。他將一個未開封的薯片袋放在溫暖的室內(溫度為T1=27℃)，此時薯片袋看起來較為飽滿，袋內氣體壓強與外界大氣壓相同，設為p0，之后他帶著這袋薯片開車前往海拔較高的山區老家過年，山區溫度較低，為T2=7℃，且外界大氣壓變為0.8p0，此過程中薯片袋均未張緊，袋內氣體視為理想氣體，下列關于袋內氣體狀態變化的說法正確的是()A.袋內氣體分子的平均動能減小B.袋內氣體的體積會變小C.袋內氣體對外界做負功D.袋內氣體的一定會放出熱量答案A解析以袋內氣體為研究對象，由題意可知，初始狀態T1=27℃=300K，壓強為p0，設體積為V1，最終狀態T2=7℃=280K，壓強為0.8p0，設體積為V2。袋內氣體溫度從300K降低到280K，因此袋內氣體分子的平均動能減小，故A正確；由理想氣體狀態方程可得p1V1T1=p2V2T2，解得V2=280300×0.8V根據熱力學第一定律可得ΔU=W+Q，因為袋內氣體溫度降低，所以ΔU<0，因為袋內氣體體積增大，所以W<0，則無法確定Q的正負，即袋內氣體不一定會放出熱量，故D錯誤。2.(多選)(2026·河北石家莊市檢測)某種理想氣體內能公式可表示為U=5nRT2，其狀態參量滿足pV=nRT，n表示物質的量，R為理想氣體常數(R=8.3J·mol-1·K-1)，T為熱力學溫度。現有一絕熱汽缸，用一個橫截面積S=400cm2、質量M=15kg的絕熱活塞封閉物質的量n=0.5mol的該種理想氣體，汽缸底部有電阻絲可以對氣體進行加熱。現對電阻絲通電一段時間后斷開電源，穩定后發現汽缸內氣體溫度升高了ΔT=50K。已知外界大氣壓強為p0=1×105Pa，重力加速度g取10m/s2，不計活塞與汽缸之間的摩擦。從對氣體加熱到活塞停止上升的整個過程中，關于缸內氣體的判斷正確的是(A.穩定后壓強為1.0375×105PaB.活塞上升的高度為5cmC.對外界做功為207.5JD.吸收的熱量為526.25J答案ABC解析由平衡條件知pS=p0S+Mg，穩定后壓強為p=p0+MgS=1.0375×105Pa，故A氣體做等壓變化，根據蓋—呂薩克定律有V0T0=ΔVΔT=SΔhΔT，又pV0=nRT對外界做功為W=pSΔh=207.5J，故C正確；由題干知氣體增加的內能為ΔU=5nRΔT2=518.75J，根據熱力學第一定律有ΔU=-W+Q，解得氣體吸收的熱量為Q=726.253.(8分)(2025·遼寧鞍山市二模)如圖所示一U形玻璃管豎直放置，右端開口，左管用光滑活塞和水銀封閉一段空氣柱。外界大氣壓為p0=1.0×105Pa，封閉氣體的溫度t0=27℃，玻璃管的橫截面積為S=5.0cm2，管內水銀柱及空氣柱長度如圖所示。已知水銀的密度為ρ=1.36×104kg/m3，重力加速度g取10m/s2；封閉氣體的溫度緩慢降至t1=-3℃(過程中活塞位置不變)。(1)(4分)求溫度t1=-3℃時空氣柱的長度L；(2)(4分)已知該過程中氣體向外界放出6.0J的熱量，求氣體內能的變化量(結果保留兩位有效數字)。答案(1)36cm(2)-3.5J解析(1)氣體溫度降低時，氣體進行等壓變化，由蓋—呂薩克定律可知V0T0=V1解得L=36cm(2)封閉氣體壓強為p=p0+ρgh該過程中外界對氣體做功W=pΔV=(p0+ρgh)ΔV=(1.0×105+1.36×104×10×0.2)×(0.40-0.36)×5.0×10-4J≈2.5J氣體內能的變化量ΔU=W+Q=2.5J-6J≈-3.5J。4.(10分)(2026·四川巴中市“零診”)如圖所示為一超重報警裝置示意圖，長度L=0.8m，橫截面積S=1×10-2m2、導熱性能良好的薄壁容器水平放置，開口向右。一厚度不計的輕質活塞將一定質量的理想氣體封閉在容器內，活塞通過水平輕繩跨過滑輪與重物相連。不掛重物時封閉氣體的長度為14L，掛上一質量為m=50kg的重物時活塞右移至預警傳感器處，此時系統剛好發出超重預警且活塞恰好平衡。已知環境溫度為t0=27℃，大氣壓強為p0=1.0×105Pa，重力加速度g取10m/s2(1)(5分)求預警傳感器離容器底部距離d；(2)(5分)從剛好發出預警開始，若環境溫度從t0=27℃緩慢降至t1=17℃，該過程中氣體內能減少了ΔU=803J，求氣體向外界放出的熱量Q答案(1)0.4m(2)1003解析(1)由題可知，初始狀態p1=p0，V1=14系統剛好發出超重預警時，設理想氣體的壓強為p2，有p2S+mg=p0S對理想氣體，由玻意耳定律得p1·L4S=p2·聯立解得d=0.4m(2)由蓋—呂薩克定律可得dST0解得V3=5815×10-3m此過程外界對氣體做的功W=p2ΔV=p2(dS-V3)=203由熱力學第一定律有-ΔU=-Q+W解得Q=1003J5.(10分)(2025·江蘇常州市二模)“聲致發光”是懸浮于液體中的氣泡受到強聲波的激發，氣泡膨脹后迅速塌縮并發出極短暫亮光的現象。設氣泡內氣體最初的壓強p0=100kPa，溫度T0=300K，氣泡半徑r0=5.0μm。當氣泡周圍流體中的壓強降低時，氣泡等溫膨脹至半徑為r1=25.0μm；接著由于聲波的作用，壓強爆增，氣泡迅速坍縮到半徑r0。已知氣泡在膨脹過程吸收0.24×10-9J的熱量，在塌縮過程中內能增加了3.6×10-9J。求：(1)(5分)氣泡膨脹后的壓強；(2)(5分)在一次膨脹和塌縮的過程中外界對氣泡所做的總功。答案(1)0.8kPa(2)3.36×10-9J解析(1)氣泡等溫膨脹，根據玻意耳定律p0V0=p1V1且V0=43πr03，V1=解得氣泡膨脹后的壓強p1=0.8kPa(2)根據熱力學第一定律，膨脹過程ΔU1=W1+Q1塌縮過程ΔU2=W2+Q2其中ΔU1=0，ΔU2=3.6×10-9J，Q1=0.24×10-9J，Q2=0解得W=W1+W2=3.36×10-9J。6.(12分)(2025·陜西西安市三模)“拔火罐”是一種中醫的傳統療法，某實驗小組為了探究“火罐”的“吸力”，設計了如圖所示的實驗。圓柱狀汽缸(橫截面積為S)被固定在鐵架臺上，輕質活塞通過細線與置于鐵架臺平面上的質量為m的重物相連，將一團燃燒的輕質酒精棉球從缸頂的閥門K處扔到汽缸內，酒精棉球熄滅時密閉閥門K，此時活塞下的細線剛好拉直且拉力為零，而這時活塞距缸頂為L。由于汽缸傳熱良好，隨后重物會被吸起，最后重物穩定在距地面2L5處。已知環境溫度T0不變，mgS=16p0(1)(6分)酒精棉球熄滅時的溫度T與環境溫度T0的比值；(2)(6分)若從酒精棉球熄滅到最終穩定的過程中氣體放出的熱量為Q，求氣體內能的變化。答