101．内能

内能从微观角度看，是分子无规则运动的能量之和的统计平均值。无外场条件下分子无规则运动的能量包括分子的动能、分子间的相互作用势能和分子内运动的能量。从理论上讲，一个物体的内能应包括所有这些微粒的能量，如动能、势能、化学能、电离能和在原子核内的核能，但是，在热力学状态的改变过程中，物质的结构并不发生变化，所以这些能量的改变是可以忽略的。

 

1．质量相等的氢气和氧气，温度相同，不考虑分子间的势能，则（    ）

A．氧气的内能较大            B．氢气的内能较大

C．两者内能相等               D．氢气的分子平均动能较大

 

2．在一个密闭容器内有一滴 15 ℃ 的水，过一段时间后，水滴蒸发变成了水蒸气，温度还是 15 ℃，下列说法正确的是（    ）

A．分子势能减小        B．分子平均动能减小

C．内能一定增加        D．分子的速率都减小

 

3．礼花喷射器原理如图所示，通过扭动气阀可释放压缩气罐内气体产生冲击，将纸管里填充的礼花彩条喷向高处，营造气氛。在喷出礼花彩条的过程中，罐内气体（    ）

A．内能减少

B．分子热运动加剧

C．由于来不及发生热传递，故温度保持不变

D．礼花喷射器宜在高温干燥环境保存

 

4．气泡从湖底缓慢上升到湖面的过程中体积增大。假设湖水温度保持不变，气泡内气体可视为理想气体，则气泡上升过程中气泡内气体的内能___________（选填“增加”“减少”或“保持不变”），气体___________（选填“吸收”或“放出”）热量。

 

5．如图，导热的汽缸固定在水平地面上，用活塞把一定质量的理想气体封闭在汽缸中，汽缸的内壁光滑。若用水平外力 F 作用于活塞杆，使活塞缓慢地向右移动，由状态 ① 变化到状态 ②，在此过程中：

（1）（多选）如果环境保持恒温，下列说法正确的是（    ）

A．每个气体分子的速率都不变        B．气体分子平均动能不变

C．水平外力 F 逐渐变大                 D．气体内能减少

E．气体放热

F．气体内能不变，却对外做功，此过程违反热力学第一定律，不可能实现

G．气体是从单一热源吸热，全部用来对外做功，此过程不违反热力学第二定律

（2）（多选）如果环境保持恒温，分别用 p、V、T 表示该理想气体的压强、体积、温度。气体从状态 ① 变化到状态 ②，此过程可用下列图像表示的是（    ）

 

（3）如果在上述过程中，环境温度变化，气体对外界做功 8×10⁴ J，吸收热量 1.2×10⁵ J，则内能的变化量为___________J。

【答案】

1．B

2．C

3．A

4．保持不变，吸收

5．（1）BCG         （2）AD       （3）4×10⁴

 

102．热力学第一定律形成史

热力学第一定律与能量守恒定律有着极其密切的关系。德国物理学家、医生迈尔发现体力和体热来源于食物中所含的化学能，提出如果动耢体能的输入同支出是平衡的，所有这些形式的能在量上就必定守恒。他由此受到启发，去探索热和机械功的关系。1842 年他发表了论文《论无机性质的力》，表述了物理、化学过程中各种力（能）的转化和守恒的思想。迈尔是历史上第一个提出能量守恒定律并计算出热功当量的人。

 

1．下列现象可以用热力学第一定律解释的是（    ）

A．两物体接触后，热量自发地从高温物体传递到低温物体

B．蒸汽机不能把蒸汽的内能全部转化为机械能

C．叶片搅拌绝热容器中的水，引起水温升高

D．利用能源的过程中会发生“能量耗散”现象

 

2．下列说法正确的是（    ）

A．对物体做功，同时物体放热，物体的内能一定减小

B．对物体做功，同时物体吸热，物体的内能一定减小

C．物体对外做功，同时放热，物体的内能一定减小

D．物体对外做功，同时吸热，物体的内能一定减小

 

3．一定质量的理想气体从状态 a 变化到状态 b，其压强 p 和热力学温度 T 变化图像如图所示，此过程中该系统（    ）

A．从外界吸热            B．体积保持不变        C．外界对其做正功            D．内能减少

 

4．如图，绝热密闭容器中装有一定质量的某种理想气体和一个充有同种气体的气球。容器内温度处处相同，气球内部压强大于外部压强。气球缓慢漏气后，容器中气球外部气体的压强将___________（选填“增大”“减小”或“不变”），温度将___________（选填“升高”“降低”或“不变”）。

 

5．理想气体做如图所示的循环，其中状态 2 → 状态 3 是绝热过程，状态 3 → 状态 1 是等温过程。若状态 2 → 状态 3 的过程中气体对外界做功 150 J，状态 3 → 状态 1 的过程中外界对气体做功 100 J，试问：

（1）全过程气体对外做功多少？

（2）状态 1 → 状态 2 的过程中气体吸收的热量为多少？

【答案】

1．C

2．C

3．A

4．增大，升高

5．（1）状态 1 → 状态 2 是等容过程，气体不对外界做功，外界也不对气体做功；全过程只有状态 2 → 状态 3 和状态 3 → 状态 1 两个过程做功，全过程气体对外做功 W = W₁ + W₂ =（150 − 100）J = 50 J。

（2）状态 2 → 状态 3 是绝热过程，气体对外界做功 150 J，内能减小 150 J；状态 3 → 状态 1 是等温过程，内能不变，外界对气体做功 100 J，气体向外放热 100 J；状态 1 → 状态 2 的过程中，内能要恢复原来的内能，需要吸收的热量为 150 J。

 

103．永动机

在历史上，永动机一直被人们讨论和研究，但是，很多人并不清楚这背后到底有什么意义。在人们的想象中，永动机是一种机械装置，它可以不停地自动运动，而且还可以举起重物等，做一些有意义的事情。13 世纪就有人试图制造这种机械装置，但是直到 21 世纪也没有人真正制造出来。

 

1．下列说法正确的是（    ）

A．气体吸收热量时温度一定升高

B．外界对气体做功时气体的内能一定增加

C．因为能量是守恒的，所以能源是无限的资源

D．第一类永动机违背能量守恒定律，不可能制成

 

2．关于热力学第二定律的表述，下列说法不正确的是（    ）

A．开尔文表述为不可能从单一热源吸热，使之完全转化为有用功

B．热力学第二定律共有两种表述方式，它们是克劳修斯表述和开尔文表述

C．克劳修斯表述是关于热传导方向性的表述

D．开尔文表述是关于功热转换不可逆性的表述

 

3．如图，某演示用的“永动机”转轮由5根轻杆和转轴构成，轻杆的末端装有形状记忆合金制成的叶片，轻推转轮后，进入热水的叶片因伸展面“划水”推动转轮转动。离开热水后，叶片形状迅速恢复，转轮因此能较长时间转动。下列说法正确的是（    ）

A．转轮依靠自身惯性转动，不需要消耗外界能量

B．转轮转动所需能量来自形状记忆合金自身

C．叶片在热水中吸收的热量大于在空气中释放的热量

D．因为转动的叶片不断搅动热水，所以水温最终会升高

 

4．热量总是自发地从高温物体传递给低温物体，这说明热传递过程具有___________。冰箱工作时，能把冰箱内的热量传递到冰箱外，这___________（选填“违反”或“不违反”）热力学第二定律。

 

5．氢气是一种清洁能源，它燃烧后只生成水，对环境无污染，某同学设想了一个利用氢能的方案，如图所示是它的示意图，请你判断这一方案的可行性，并说明理由。

判断：___________（选填“可行”或“不可行”）

理由：_______________________________________________________。

 

6．空调制冷工作过程（热量从室内温度较低的空气中传递到室外温度较高的空气中）是否违反热传递过程的单向性，请说明理由：_________________________________。若在与外界无热传递的封闭房间里打开冰箱门，让冰箱内的冷气不断流出，经过一段时间后能否起到和空调一样让室内降温的效果，请说明理由：_________________________________。

【答案】

1．D

2．A

3．C

4．方向性，不违反

5．不可行，违反了能量守恒定律

6．空调制冷工作过程是通过压缩做功来实现的，不违反热传递过程的单向性。

不能起到和空调一样让室内降温的效果．由于电冰箱在工作中要消耗电能，室内空气的内能增加，故室内的气温将升高。

 

104．势能

自然界真是奇妙，微观世界的规律竟然与宏观运动的规律存在相似之处。在长期的科学探索实践中，人类已经建立起各种形式的能量概念以及度量方法，其中一种便是势能。势能是由于物体间存在相互作用而具有的、由物体间的相对位置决定的能，如重力势能、弹性势能、分子势能和电势能等。

 

1．因为分子之间存在分子力，具有与其相对位置有关的能量称为___________；分子力做正功，该能量会___________（选填“增大”“减小”或“不变”）。

 

2．一定质量 0 ℃ 的冰在熔化过程中，下列关于其产生的冰水泥合物说法正确的是（    ）

A．分子的平均动能变大，内能变大

B．分子的平均动能不变，内能不变

C．分子势能变大，内能变大

D．分子势能不变，内能不变

 

3．下列情况中分子势能一定减小的是（    ）

A．分子间距离减小时

B．分子间表现为斥力且分子间距离增大时

C．分子动能增大时

D．分子间作用力做负功时

 

4．如图甲所示，a、b 为某种物质的两个分子，以 a 为原点，沿两分子连线建立 r 轴。如果选取两个分子相距无穷远时的势能为零，则作出两个分子之间的势能 E_p 与距离 r 的 E_p – r 关系如图乙所示。假设分子 a 固定不动，分子 b 只在 a、b 间分子力的作用下运动（在 r 轴上）。当两分子间距离为 r₀ 时，b 分子的动能为 E_k0（E_k0 < E_p0）。

 

（1）求 a、b 分子间的最大势能 E_pm。

（2）利用图乙，结合画图说明分子 b 在 r 轴上的运动范围。

（3）若某固体由大量这种分子组成，当温度升高时，物体体积膨胀。试结合图乙的 E_p – r 图像，分析说明这种物体受热后体积膨胀的原因。

【答案】

1．分子势能，减小

2．C

3．B

4．（1）根据功能关系可知，当 b 分子的速度为零时，此时两分子间势能最大。根据能量守恒．有 E_pm = E_k0 – E_p0。

（2）由 E_p – r 图像可知，当两分子间势能为 E_pm 时，b 分子对应 r₁ 和 r₂ 两个位置坐标，则 b 分子的活动范围 Δr = r₂ – r₁．如图所示。

 

（3）当物体温度升高时，分子在 r = r₀ 处的平均动能增大，分子的活动范围 Δr 将增大。由 E_p – r 图线可以看出，曲线两边不对称．r < r₀ 时曲线较陡．r > r₀ 时曲线较缓，导致分子的活动范围 Δr 主要向 r > r₀ 方向偏移，即分子运动过程中的中问位置向右偏移，导致物体的体积膨胀。

 

105．分子运动论

分子运动论（又称气体动理论或分子动理论）是热学的一种微观理论，它以分子的运动理论来解释物质的宏观热性质。该理论基于两个基本的概念：一个是物质都是由大量的分子和原子组成的；另一个是热现象都是这些分子无规则运动的表现形式。

 

1．缉毒犬可以嗅出毒品藏匿的位置，不仅由于其嗅觉灵敏，还因为（    ）

A．分子之问有间隙            B．分子的质量很小

C．分子的体积很小            D．分子不停地运动

 

2．布朗运动是说明分子运动的重要实验事实，布朗运动是指（    ）

A．液体分子的运动

B．只是悬浮在液体中的固体分子运动

C．悬浮在液体中或气体中的小颗粒的运动

D．水分子与花粉颗粒共同的运动

 

3．如图所示为某一定质量的气体分子在两种不同温度下的速率分布图像，下列说法错误的是（    ）

A．状态 ① 的气体分子平均动能比状态 ② 的大

B．状态 ① 曲线下的面积与状态 ② 曲线下的面积一样

C．曲线给出了任意速率区间的某气体分子数占总分子数的百分比

D．此气体若是理想气体，则状态 ① 的内能比状态 ② 的内能小

 

4．在“用油膜法估测油酸分子的大小”实验中人们进行了理想化的假设，如__________________（写出一种假设即可）。若已知 n 滴油的总体积为 V，一滴油所形成的油膜面积为 S，则一个油分子的直径为________。

 

5．某同学为了估算阿伏加德罗常数，查阅资料知道水分子的直径为 4×10⁻¹⁰ m，水的摩尔体积为 1.8×10⁻⁵ m³/mol。若把水分子都看成是一个挨一个的小球，则阿伏加德罗常数的估算值为________（结果保留两位有效数字）。把你的结果与课本中的阿伏加德罗常数相比较，分析其差异的主要原因是________________________________________。

【答案】

1．D

2．C

3．D

4．将油膜看作单分子油膜，

5．5.4×10²³ mol⁻¹，水分子不是球体，用球体模型算出水分子的体积大于水分子实际所占据空间的体积。

 

106．热力学

热力学主要是从能量转化的观点来研究物质的热性质，它揭示了能量从一种形式转换为另一种形式时遵从的宏观规律。热力学基本定律是人类在长期生产经验和科学实验的基础上总结出来的，它们虽不能用其他理论方法加以证明，但由它们出发得出的热力学关系及结论都与事实或经验相符，这有力地说明了热力学定律的正确性。

 

1．大量事实表明：在自然界中的宏观过程由于________________________，使得能量在转化过程中不可能使转化后的能量全部加以利用，总会有一部分能量会流散，这种现象称为________________。

 

2．食盐、玻璃、橡胶、铁块四种固态物质中，熔解时分子热运动的平均动能不变，分子势能增加的有________；物质内部分子排列有序，物理性质各向异性的有________。

 

3．某气体温度升高了（体积不变），可能的原因是（    ）

A．气体一定吸收了热量

B．气体可能放出了热量

C．外界对气体可能做了功

D．气体可能吸收了热量

 

4．如图，用 F 表示两分子间的作用力，用 E_p 表示分子间的分子势能，在两个分子之间的距离由 10r₀ 变为 r₀ 的过程中（    ）

A．F 不断增大，E_p 不断减小

B．F 不断增大，E_p 先增大后减小

C．F 先增大后减小，E_p 不断减小

D．F、E_p 都是先增大后减小

 

5．一定质量的理想气体从状态 a 开始，经历三个过程状态 a → 状态 b、状态 b→状态 c 和状态 c → 状态a 回到原状态，其 p – T 图像如图所示。

（1）气体在状态_________（选填“a”“b”或“c”）的分子平均动能最小；

（2）在状态 B → 状态 c 过程中气体体积_________（选填“变大”“变小”或“不变”）；

（3）在状态 a → 状态 b 过程中气体对外界做功_________（选填“大于”“小于”或“等于”）气体吸收的热量。

【答案】

1．具有方向性，能量耗散

2．食盐、铁块，食盐

3．A

4．C

5．a，变小，小于

 

107．孔明灯

孔明灯又叫天灯，俗称许愿灯、祈天灯，是一种古老的汉族手工艺品。在古代，孔明灯多作军事用途。现代人放孔明灯，多作祈福之用。孔明灯一般在元宵节、中秋节等重大节日放飞。孔明灯会“飞”的原因是加热灯内空气，使灯内空气密度减小，从而使灯内气体重力减小，使得灯的总重力小于所受的浮力，于是灯就会上升。

 

1．决定孔明灯内的气体压强大小的因素是（    ）

A．气体的体积和气体的密度

B．气体的质量和气体的种类

C．气体分子的密度和气体的温度

D．气体分子的质量和气体分子的速度

 

2．要增强孔明灯灯罩面的防水作用，灯罩面选择对水是_________（选择“浸润”或“不浸润“）的材料，材料经纬线间有空隙，落在灯罩面上的雨滴不能透过，是由于水的_________作用。

 

3．如图，设孔明灯的体积恒为 V = 1 m³，空气的初始温度 t₀ = 27 ℃，大气压强 p = 1.013×10⁵ Pa，该条件下空气密度 ρ₀ = 1.2 kg/m³。对灯内气体缓慢加热，直到灯刚能浮起时，灯内气体密度 ρ = 1.0 kg/m³，此时灯内的气体温度 t = _________℃。

 

4．在“研究一定质量的气体在体积不变时，其压强与温度的关系”实验中，实验装置如图（a）所示。

         

（1）图（a）中_________为压强传感器（选填“A”或“B”）；

（2）该实验中，下列做法正确的是（    ）

A．无需测量被封闭气体的体积

B．密封气体的试管大部分在水面之上

C．每次加入热水后，用温度传感器搅拌使水温均匀

D．每次加入热水后，立即读数

（3）甲同学测得多组压强与摄氏温度的数据，并在 p – t 坐标系中作图，获得如图（b）所示的图像。图线与横轴交点的温度被开尔文称为_________，其物理意义是_________。

（4）乙同学记录下了初始时封闭气体压强 p₀ 和摄氏温度 t₀，随后逐渐加热水升高温度，并记录下每次测量结果与初始值的差值 Δp 和 Δt。在实验中压强传感器软管突然脱落，他立即重新接上后继续实验，其余操作无误。则 Δp – Δt 的关系图可能是（    ）

【答案】

1．C

2．不浸润，表面张力

3．87

4．（1）B

（2）A

（3）绝对零度，低温的极限

（4）C

 

108．喷雾器

喷雾器是喷雾器材的简称，喷雾器是利用空吸作用将药水或其他液体变成雾状，均匀地喷射到其他物体上的器具，由压缩空气的装置和细管、喷嘴等组成；在农村，喷雾器是防治病虫害不可缺少的重要农具。

 

1．将不同材料制成的两端开口的甲、乙细管插入喷雾器的液体中，甲管中液面比管外液面低，乙管中液面比管外液面高，则（    ）

A．液体对甲管是浸润的

B．液体对乙管浸润的

C．甲管中发生的不是毛细现象，乙管中发生的是毛细现象

D．甲、乙两管中发生的都不是毛细现象

 

2．如图，a、b、c 为喷雾器内一定质量的气体在 p – t 图中的三个状态，其中体积最小的是（    ）

A．a 状态            B．b 状态            C．c 状态            D．无法确定

 

3．如图，竖直放置的 U 形管内装有水银，左端开口，右端封闭一定量的气体，底部有阀门。开始时阀门关闭，左管的水银面较高。若打开阀门，流出一些水银后关闭阀门，当重新平衡时（    ）

A．左管的水银面与右管的等高        B．左管的水银面比右管的高

C．左管的水银面比右管的低            D．左、右管的水银面高度关系无法判断

 

 4．如图，用长度为 l 的一段汞柱把空气封闭在一端开口的粗细均匀的玻璃管里，设大气压强为 p₀，当玻璃管水平放置时，管内空气柱的压强为__________。当玻璃管开口向上竖直放置时，空气柱的长度减小，请分析原因：_____________________________________。

 

5．如图，喷雾器内有 10 L 水，上部封闭有 1 atm 的空气 2 L。关闭喷雾阀门，用打气筒向喷雾器内再充入 1 atm 的空气 3 L（设外界环境温度一定，空气可看作理想气体）。

（1）当水面上方气体温度与外界温度相等时，求气体压强，并从微观上解释气体压强变化的原因。

（2）打开喷雾阀门，喷雾过程中封闭气体可以看成做等温膨胀，此过程气体是吸热还是放热？简要说明理由。

【答案】

1．B

2．A

3．D

4．p₀，气体温度不变而压强增大，根据玻意耳定律可知气体体积减小

5．（1）p₂ = 2.5 atm。从微观角度解释：温度不变，分子平均动能不变，单位体积内分子数增加，所以压强增加。

（2）此过程中气体吸热，因为气体对外做功而内能不变，根据热力学第一定律可知气体吸热。

 

109．气体弹簧

气体弹簧是在一个密封的容器中充入压缩气体，利用气体的可压缩性实现其弹簧作用的。这种弹簧的刚度是可变的，因为作用在弹簧上的载荷增大时，容器内的定量气体的气压升高，弹簧的刚度增大。反之，当载荷减小时，弹簧内的气压下降，刚度减小，故它具有较理想的弹性特性。

 

1．体积不变的容器内密封有某种气体，若该容器由静止起做自由落体运动，则气体对容器壁的压强（    ）

A．为零        B．不变        C．减小        D．增大

 

2．如图，在汽缸内封闭一定质量的气体，汽缸内壁光滑。如果密封气体的温度保持不变，外界气压升高，则下列情况正确的是（    ）

A．密封气体的体积增加

B．活塞向下移动

C．汽缸向上移动

D．弹簧的长度增加

 

3．如图（a）所示，侧放在水平面上的汽缸和质量不可忽略的光滑活塞相连，汽缸内封闭了一定质量的气体，整个系统处于平衡状态。若逆时针缓慢转动汽缸，至如图（b）所示的状态。汽缸和活塞的导热性能良好，不计缸内气体的分子势能，则在此过程中缸内气体对外界__________（选填“吸热”或“放热”），气体的内能__________（选填“增加”“减小”或“不变”）。

 

4．如图甲所示，水平放置的汽缸内壁光滑，活塞厚度不计，在 A、B 两处设有限制装置，使活塞只能在 A、B 之间运动，B 左面汽缸的容积为 V₀，A、B 之间的容积为 0.2V₀。开始时活塞在 B 处，缸内气体的压强为 0.9p₀（p₀ 为大气压强），温度为 306 K，若缓慢加热汽缸内气体至 489.6 K。

（1）求活塞刚离开 B 处时的温度 T_B。

（2）求缸内气体最后的压强 p。

（3）在图乙中画出整个过程的 p – V 图像。

【答案】

1．B

2．C

3．放热，不变

4．（1）T_B = 340 K

（2）p = 1.2p₀

（3）