全国版2021高考物理一轮复习专题十四热学考点2固体液体和气体热力学定律精练含解析
固体、液体和气体 热力学定律
1.[2020山东统考]如图所示,水平放置的封闭绝热汽缸,被一锁定的绝热活塞分为体积相等的a、b两部分.已知a部分气体为1 mol氧气,b部分气体为2 mol氧气,两部分气体温度相等,均可视为理想气体.解除锁定,活塞滑动一段距离后,两部分气体各自再次达到平衡态时,它们的体积分别为Va、Vb,温度分别为Ta、Tb.下列说法正确的是( )
A.Va>Vb,Ta>Tb B.Va>Vb,Ta
Tb
2.[2020吉林长春监测,多选]下列关于物理现象的解释正确的是( )
A.荷叶上面的小水珠呈球形的主要原因是液体有表面张力
B.人们感到潮湿是因为空气的绝对湿度较大
C.土壤里有很多毛细管,若要防止地下的水分沿着它们上升到地表,可将地面的土壤锄松
D.悬浮在水中的花粉的布朗运动反映了花粉分子的热运动
E.彩色液晶显示器利用了液晶的光学性质具有各向异性的特点
3.[2019辽宁抚顺第一次模拟,多选]下列说法正确的是( )
A.单晶体有固定的熔点,多晶体和非晶体没有固定的熔点
B.石墨和金刚石的物理性质不同,是由于组成它们的物质微粒排列结构不同
C.在合适的条件下,某些晶体可以转化为非晶体,某些非晶体也可以转化为晶体
D.固体分为晶体和非晶体两类,有些晶体在不同的方向上有不同的光学性质
E.烧热的针尖接触涂有蜂蜡薄层的云母片背面,熔化的蜂蜡呈椭圆形,说明蜂蜡是晶体
4.[2020山西太原名校定时训练,5分]一定质量的理想气体由状态a经状态b、c到状态d,其体积V与热力学温度 T的关系如图所示,O、a、d三点在同一直线上,ab和cd平行于横轴,bc平行于纵轴,由状态a变到状态b的过程中,气体 (填“吸收”或“放出”)热量,从状态b到状态c,气体对外做 (填“正功”或“负功”),从状态a到状态d,气体内能 (填“增加”“不变”或“减少”).
5.[2020湖北部分重点中学调研,4分]如图所示,一定质量的理想气体,按图示方向经历了ABCDA的循环.状态B时,气体分子的平均动能比状态A时气体分子的平均动能 (填“大”或“小”).由B到C的过程中,气体将 (填“吸收”或“放出”)热量.经历ABCDA一个循环,气体吸收的总热量
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(填“大于”或“小于”)释放的总热量.
6.[2020四川成都摸底,8分]如图所示,透明容器中装有足够深的某种均匀液体,液面上竖直倒插着一根质量m=0.01 kg的细长玻璃试管,当外界大气压强p0=1.01×105 Pa时,试管静止时露出液面的长度为L=5 cm,管中空气柱的总长度为L0=15 cm.已知试管横截面积为S=1×10-4 m2,重力加速度g=10 m/s2,试管的壁厚不计,试管与液体之间的粘滞力也不计.
(1)求该液体的密度;
(2)若温度不变,但由于某种原因导致外界大气压强变为p'0=0.99×105 Pa,求试管再次静止后露出水面部分的长度L'.
7.[2020湖北武汉质量检测,8分]一定质量的某种理想气体由状态A经状态B变化到状态C,其有关数据如图所示,且状态A的温度为T0.已知理想气体的内能U与温度T的关系为U=αT,其中α为正的常量.求:
(1)气体在状态C时的温度TC;
(2)气体由状态B变化到状态C的过程中,放出的热量.
8.[2020山东统考,8分]如图所示,按下压水器,能够把一定量的外界空气经单向进气口压入密闭水桶内,开始时桶内气体的体积V0=8.0 L,出水管竖直部分内外液面相平,出水口与大气相通且与桶内水面的高度差h1=0.20 m.出水管内水的体积忽略不计,水桶的横截面积S=0.08 m2.现压入空气,缓慢流出了V1=2.0 L水.已知水的密度ρ=1.0×103 kg/m3,外界空气压强p0=1.0×105 Pa,取重力加速度大小g=10 m/s2,设整个过程中气体可视为理想气体,温度保持不变,求压入的空气在外界时的体积ΔV.
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9.[2020湖北部分重点中学调研,8分]如图所示,导热性能良好的柱形金属容器竖直放置,容器上端的轻质塞子将容器密闭,内有质量为m的活塞将容器分为A、B两个气室,A、B两个气室的体积均为V.活塞与容器内壁间气密性良好,且没有摩擦,活塞的横截面积为S.已知重力加速度大小为g,大气压强为2mgS,A气室内气体的压强为mgS,气体为理想气体.
(1)拔去容器上端的塞子,求活塞稳定后B气室的体积VB;
(2)拔去塞子待活塞稳定后,室温开始缓慢升高,从活塞稳定到其恰好上升到容器顶端的过程中,B气室中气体从外界吸热为Q,求这个过程中B气室中气体内能增量ΔU.
10.[2020广东六校联考,10分]如图所示,开口朝下的圆筒形导热汽缸竖直悬挂,处于静止状态,汽缸内用横截面积为S的薄活塞封闭着温度为300 K的某种理想气体,活塞可在汽缸内上下无摩擦滑动.通过电热丝可以对气体缓慢加热,使活塞缓慢向下移动.当气体温度升高至360 K时,活塞刚好移到汽缸口.已知大气压强为p0,汽缸容积为V0,重力加速度为g.
(1)求300 K时汽缸内气体的体积;
(2)如果不加热气体,而在活塞下悬挂一个砂盘,缓慢地往砂盘里添加砂,当砂与砂盘总质量与活塞质量相等时,活塞也刚好移到汽缸口,判断此过程中气体吸热还是放热,并求出活塞的质量m.
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11.[2020贵州贵阳摸底,10分]如图所示,一根粗细均匀、导热性能良好的玻璃管一端开口,另一端封闭,管内有一段水银柱,当玻璃管开口向上竖直放置时,封闭空气柱(可视为理想气体)的长度为L1;若环境温度保持不变,将玻璃管缓慢地转动到开口竖直向下的位置(没有水银溢出管外),稳定后,封闭空气柱的长度变为L2.已知L1∶L2=3∶5,大气压强为p0=1×105 Pa(相当于76 cm高的水银柱产生的压强).
(1)求玻璃管内水银柱的长度;
(2)若保持玻璃管开口向上竖直放置,当环境温度升高时,请通过计算说明管内水银柱移动的方向.
考点2 固体、液体和气体 热力学定律
1.D 解除锁定前,两部分气体温度相同,体积相同,由pV=nRT可知b部分气体压强大,故活塞左移,平衡时VaTb.
2.ACE 荷叶上面的小水珠呈球形的主要原因是液体(水)有表面张力,选项A正确;人们感到潮湿是因为空气的相对湿度较大,绝对湿度不一定较大,选项B错误;土壤中有很多毛细管,可以产生毛细现象,能把地下的水分引导到地表蒸发,若要防止地下的水分上升到地表,可以将地面土壤锄松,破坏这些毛细管,选项C正确;悬浮在水中的花粉的布朗运动反映了液体分子的无规则热运动,不能反映花粉分子的热运动,选项D错误;彩色液晶显示器利用了液晶的光学性质具有各向异性的特点,选项E正确.
3.BCD 单晶体、多晶体都属于晶体,有固定的熔点,故A项错误;石墨和金刚石的物理性质不同,是由于组成它们的物质微粒排列结构不同,故B项正确;在合适的条件下,某些晶体可以转化为非晶体,某些非晶体也可以转化为晶体,例如天然石英是晶体,熔融过的石英却是非晶体,把晶体硫加热熔化(温度超过300 ℃)再倒进冷水中,会变成柔软的非晶硫,再过一段时间又会转化为晶体硫,故C项正确;固体分为晶体和非晶体两类,有些晶体具有各向异性,在不同方向上有不同的光学性质,故D项正确;烧热的针尖接触涂有蜂蜡薄层的云母片背面,熔化的蜂蜡呈椭圆形,说明云母片是晶体,故E项错误.
4.吸收(2分) 正功(2分) 增加(1分)
解析:由状态a变到状态b的过程中,气体体积不变,则W=0,温度升高,则ΔU>0,根据ΔU=W+Q可知气体吸收热量;从状态b到状态c,气体体积变大,则气体对外做正功;从状态a到状态d,气体温度升高,则内能增加.
5.(1)大(1分) 放出(1分) 大于(2分)
解析:由p-V图象可知,从状态A到状态B,气体的压强增大,体积增大,根据理想气体状态方程可知,状态B时的温度比状态A时的温度高,根据温度是分子平均动能的标志,可知状态B时气体分子的平均动能比状态A时气体分子的平均动能大.由状态B到状态C的过程中,气体的体积不变,不对外做功,压强减小,则温度降低,内能减小,根据热力学第一定律,可知气体将放出热量.根据p-V图象中图线与坐标轴所围图形的面积表示功可知,经历ABCDA一个循环,气体对外做功数值大于外界对气体做功数值,内能不变,根据热力学第一定律,可知气体吸收的总热量大于放出的总热量.
6. 解析:(1)对试管,由力的平衡条件得ρg(L0-L)S=mg(2分)
代入数据解得该液体的密度ρ=m(L0-L)S=1×103 kg/m3.(1分)
(2)初态,试管内气体压强p1=p0+mgS=1.02×105 Pa(1分)
末态,设试管内气柱长为L'0
试管内气体压强为p2=p'0+mgS=1.0×105 Pa(1分)
根据玻意耳定律有p1SL0=p2SL'0(1分)
代入数据解得L'0=15.3 cm(1分)
因试管排开的液体体积不变,故露出水面部分的长度变为
L'=L+(L'0-L0)=5.3 cm.(1分)
7.解析:(1)一定质量的理想气体由状态A变化到状态C,由理想气体状态方程有pAVATA=pCVCTC(1分)
其中TA=T0
解得TC=0.3T0.(1分)
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(2)气体由状态A变化到状态B,由查理定律有pATA=pBTB(1分)
解得TB=0.6T0(1分)
气体由状态B变化到状态C,外界对气体做功
W=0.6p0(V0-0.5V0)=0.3p0V0(1分)
内能的变化ΔU=α(TC-TB)=-0.3αT0(1分)
由热力学第一定律有ΔU=W+Q(1分)
解得Q=-0.3αT0-0.3p0V0
气体由状态B变化到状态C,放出的热量为0.3αT0+0.3p0V0.(1分)
8.解析:流出2.0 L水后,液面下降Δh=V1S(1分)
此时,瓶中气体压强p2=p0+ρg(h1+Δh),体积V2=V0+V1(2分)
设瓶中气体在外界压强下的体积为V',则
p2V2=p0V'(2分)
又初始状态瓶中气体压强为p0,体积为V0,故
ΔV=V'-V0(1分)
解得ΔV=2.225 L.(2分)
9.解析:(1)塞子拔去待活塞稳定后,B气室中的气体初、末状态温度不变,由玻意耳定律有(mgS+mgS)·V=(mgS+2mgS)·VB(2分)
解得VB=23V.(2分)
(2)B气室的气体吸收的热量,一部分用来对外做功,一部分为其内能增量.室温缓慢升高过程中,气体对外做功为
W=(mgS+2mgS)(2V-VB)=4mgVS(2分)
根据热力学第一定律可得ΔU=Q-W=Q-4mgVS.(2分)
10.解析:(1)缓慢加热气体的过程中,气体发生等压变化,根据盖—吕萨克定律可得V1T1=V2T2 (2分)
其中T1=300 K, T2=360 K,V2=V0
解得V1=56V0.(1分)
(2)封闭气体做等温变化,内能不变,气体体积增大,对外做功,根据热力学第一定律可知,此过程中气体吸热. (2分)
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在挂砂盘使活塞移到汽缸口的过程中,气体发生等温变化,根据玻意耳定律可得p1V1=p2V2 (2分)
其中p1=p0-mgS (1分)
p2=p0-2mgS (1分)
联立解得m=p0S7g.(1分)
11.解析:(1)设玻璃管的横截面积为S,水银柱的长度为h,水银的密度为ρ,重力加速度大小为g
开口向上时,封闭气体的压强为p1=p0+ρgh ①(1分)
开口向下时,封闭气体的压强为p2=p0-ρgh ②(1分)
玻璃管导热,气体的温度不变,根据玻意耳定律有
p1L1S=p2L2S ③(2分)
由①②③式和题给条件及数据解得h=19 cm.(1分)
(2)设环境温度由T1升高到T3,封闭空气柱的长度由L1变为L3,由于气体的压强不变,根据盖—吕萨克定律有L1ST1=L3ST3④(2分)
因T1
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