内能及能量守恒定律试题及解答.docx

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内能及能量守恒定律试题及解答

第二章内能及能量守恒定律

概念：

（一）物体的内能：

1．物体的内能：

物体中所有分子做热运动的动能和分子势能的总和叫做物体的内能，也叫做物体的热力学能。

2．任何物体都具有内能，因为一切物体都是由不停地做无规则热运动并且相互作用着的分子所组成。

3．决定物体内能的因素：

（1）从宏观上看：

物体内能的大小由物体的摩尔数、温度和体积三个因素决定；

（2）从微观上看：

物体内能的大小由组成物体的分子总数，分子热运动的平均动能和分子间的距离三个因素决定。

4、改变内能的两种方式：

（1）做功可以改变物体的内能：

①外界对物体做功，物体的内能增加；

②物体对外界做功，物体的内能减少；

③做功使物体内能发生改变的时候，内能的改变就用功数值来量度．外界对物体做多少功，物体的内能就增加多少；物体对外界做多少功，物体的内能就减少多少。

（二）能量守恒定律：

1、能量守恒定律：

能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为别的形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中其总量不变。

另一种表述：

第一类用动机是不可能制成的。

2、能量守恒定律的历史意义．

3、能的转化和守恒是自然界的普遍规律，违背该定律的永动机是永远无法实现的。

它是没有条件的。

4、物质的不同运动形式对应不同形式的能，各种形式的能在一定条件下可以转化或转移，在转化或转移过程中，能的总量守恒。

5、理解：

（1）某种形式的能减小，一定存在其他形式的能增加，且减小量和增加量一定相等。

（2）某个物体的能减小，一定存在其他物体的能量增加，且减小量和增加量一定相等。

例题分析

【例1】关于物体内能及其变化，下列说法正确的是（B）

A.物体的温度改变时，其内能必定改变

B.物体对外做功，其内能不一定改变，向物体传递热量，其内能不一定改变

C.对物体做功，物体内能必定改变；物体向外传出一定热量，其内能必定改变

D.若物体与外界不发生热交换，则物体的内能必定不改变

【解析】一定质量的物体，其内能由温度和体积共同决定物体的温度改变时，其内能不一定改变.所以A错误.做功和热传递是改变物体内能的两种方式若物体对外做功W焦，同时吸收Q焦的热量，且①W＞Q，则物体的内能减少；②W＝Q，则物体的内能不变；③W＜Q，则物体的内能增加，所以只有B正确.

【例2】下面设想符合能量转化和守恒定律的是（D）

A.利用永久磁铁间的作用力，造一台永远转动的机械

B.做成一条船，利用流水的能量逆水航行

C.通过太阳照射飞机，即使飞机不带燃料也能飞行

D.利用核动力，驾驶地球离开太阳系

【解析】利用磁场能可以使磁铁所具有的磁场能转化为动能，但由于摩擦力的不可避免性，动能最终转化为内能使转动停止，故A错，让船先静止在水中，设计一台水力发电机使船获得足够电能，然后把电能转化为船的动能使船逆水航行；同理可利用光能的可转化性和电能的可收集性，使光能转化为飞机的动能，实现飞机起飞；故B、C可选；设计一种利用反冲理论以核动力为能源，使地球获得足够大的能量，挣脱太阳引力的束缚而离开太阳系，故D可选.

【例3】关于物体内能，下列说法中正确的是〖〗

A．手感到冷时，搓搓手就会感到暖和些，这是利用做功改变物体的内能

B．将物体举高或使它们的速度增大，是利用做功来使物体的内能增大

C．阳光照晒衣服，衣服的温度升高，是利用热传递来改变物体的内能

D．用打气筒打气，简内气体变热，是利用热传递来改变物体的内能

【解析】AC

【变式一】下面关于物体内能改变的说法中正确的是〖〗

A、物体对外做功，其内能必定改变

B、物体对外做功，其内能不一定改变

C、物体吸收热量，其内能必增加

D、外界对物体做功，物体同时吸收热量，其内能必增加

【解析】B

【变式二】对于热量、功和内能三个物理量，下列各种说法中正确的是〖〗

A．热量和功由过程决定，而内能由状态决定

B．热量、功和内能的物理意义相同

C．热量和功都可以作为内能的量度

D．内能大物体含有的热量多

【解析】A

【例4】下列说法正确的是〖〗

A、第二类永动机与第一类永动机一样违背了能量守恒定律

B、自然界中的能量是守恒的，所以能量永不枯竭，不必节约能源

C、自然界中有的能量便于利用，有的不便于利用

D、不可能让热量由低温物体传递给高温物体而不引起其它任何变化

【解析】CD

【自我检测】一：

一、选择题

1．关于物体的内能及其变化，以下说法正确的是（　　）

A．物体的温度改变时，其内能必定改变

B．物体对外做功，其内能不一定改变，向物体传递热量，其内能也不一定改变

C．物体对外做功，其内能必定改变．物体向外传出一定热量其内能必定改变

D．若物体与外界不发生热交换，则物体的内能必定不改变

2．下列关于做功和热传递的说法中正确的是（　　）

A．做功和热传递的实质是相同的

B．做功和热传递在改变物体内能上是等效的

C．做功和热传递是对同一过程中的两种说法

D．做功和热传递是不可能同时发生的

3．“第一类永动机”是不可能制成的，这是因为它（　　）

A．不符合热力学第一定律

B．做功产生的热量太少

C．由于有摩擦、热损失等因素的存在

D．找不到合适的材料和合理的设计方案

4．（2010年高考重庆卷）给旱区送水的消防车停于水平地面．在缓慢放水过程中，若车胎不漏气，胎内气体温度不变，不计分子间势能，则胎内气体（　　）

A．从外界吸热B．对外界做负功

C．分子平均动能减小D．内能增加

5．一定量的气体在某一过程中，外界对气体做了8×104J的功，气体的内能减少了1.2×105J，则下列个式中正确的是（　　）

A．W＝8×104J，ΔU＝1.2×105J，Q＝4×104J

B．W＝8×104J，ΔU＝－1.2×105J，Q＝－2×105J

C．W＝－8×104J，ΔU＝1.2×105J，Q＝2×104J

D．W＝－8×104J，ΔU＝1.2×105J，Q＝－4×104J

6.（2010年高考广东理综卷）图4－1－7是密闭的汽缸，外力推动活塞P压缩气体，对缸内气体做功800J，同时气体向外界放热200J，缸内气体的（　　）

图4－1－7

A．温度升高，内能增加600J

B．温度升高，内能减少200J

C．温度降低，内能增加600J

D．温度降低，内能减少200J

7．（2011年高考新课标全国卷）对于一定量的理想气体，下列说法正确的是（　　）

A．若气体的压强和体积都不变，其内能也一定不变

B．若气体的内能不变，其状态也一定不变

C．若气体的温度随时间不断升高，其压强也一定不断增大

D．气体温度每升高1K所吸收的热量与气体经历的过程有关

E．当气体温度升高时，气体的内能一定增大

8．关于物体内能的变化，以下说法中正确的是（　　）

A．物体吸收热量，内能一定增大

B．物体对外做功，内能一定减少

C．物体吸收热量，同时对外做功，内能可能不变

D．物体放出热量，同时对外做功，内能可能不变

9．一木箱静止于水平面上，现在用一个80N的水平推力推动木箱前进10m，木箱受到的摩擦力为60N，则转化为木箱与地面系统的内能U和转化为木箱的动能Ek，分别是（　　）

A．U＝200J，Ek＝600J　　　B．U＝600J，Ek＝200J

C．U＝600J，Ek＝800JD．U＝800J，Ek＝200J

10．（2011年高考重庆理综卷）某汽车后备箱内安装有撑起箱盖的装置，它主要由汽缸和活塞组成．开箱时，密闭于汽缸内的压缩气体膨胀，将箱盖顶起，如图4－1－5所示．在此过程中，若缸内气体与外界无热交换，忽略气体分子间相互作用，则缸内气体（　　）

图4－1－5

A．对外做正功，分子的平均动能减小

B．对外做正功，内能增大

C．对外做负功，分子的平均动能增大

D．对外做负功，内能减小

二、非选择题

1．风沿水平方向以速度v垂直吹向一直径为d的风车叶轮上，设空气密度为ρ，风的动能有50%转化为风车的动能，风车带动水车将水提高h的高度，效率为80%，则单位时间最多可提升的水的质量m＝________.

2．一定质量的气体，在从一个状态变化到另一个状态的过程中，吸收热量280J，并对外做功120J，试问：

（1）这些气体的内能发生了怎样的变化？

（2）如果这些气体又返回原来的状态，并放出了240J热量，那么在返回的过程中是气体对外界做功，还是外界对气体做功？

做多少功？

3．（2011年陕西高二质检）山峡水利工程的坝高h0＝185m，正常水位为h＝175m，水库容积V＝3.93×1010m3，装机容量（发电机的总功率）P＝1.768×107kW，发电量W＝8.4×1010kW·h.假设发电机效率为η＝80%，试根据这些数据计算出水利枢纽的流量Q，并写出每个物理量应选用的单位．（不进行具体计算，用字母表示）

4.如图4－1－6所示，一导热汽缸放在水平面上，其内封闭一定质量的某种理想气体，活塞通过滑轮组与一重物连接，并保持平衡，已知汽缸高度为h，开始活塞在汽缸中央，初始温度为t摄氏度，活塞面积为S，大气压强为p0.物体重力为G，活塞质量及一切摩擦不计，缓慢升高环境温度，使活塞上升Δx，封闭气体吸收了Q的热量．（汽缸始终未离开地面）求：

图4－1－6

（1）环境温度升高了多少度？

（2）气体的内能如何变化？

变化了多少？

一、选择题

1、解析：

选B.温度变化物体的分子动能变化，但内能可能不变，A错；改变内能有两种方式：

做功和热传递，由热力学第一定律可知B正确，C、D错．

2、解析：

选B.做功和热传递在改变物体内能上是等效的，但本质不同，做功是将其他形式的能量转化为内能或将内能转化为其他形式的能量，热传递是内能的转移，且做功和热传递可以同时进行，故B选项正确．

3、解析：

选A.第一类永动机是指不消耗能量而且还能对外做功，故违背了能量的转化与守恒．

4、解析：

选A.本题考查了热力学定律．由于车胎内温度保持不变，故分子的平均动能不变，内能不变．放水过程中体积增大对外做功，由热力学第一定律可知，胎内气体吸热．A选项正确．

5、解析：

选B.由符号法则可知，外界对气体做功W取正，气体内能减少，ΔU为负值，代入热力学第一定律表达式得Q＝－2×105J.故选B.

6、解析：

选A.对一定质量的气体，由热力学第一定律ΔU＝W＋Q可知，ΔU＝800J＋（－200J）＝600J，ΔU为正表示内能增加了600J，对气体来说，分子间距较大，分子势能为零，内能等于所有分子动能的和，内能增加，气体分子的平均动能增加，温度升高，选项A正确．

7、解析：

选ADE.A选项，p、V不变，则T不变，气体的内能不变，故选项A正确．B选项，内能不变，温度不变，p、V可能变，选项B错误．C选项，气体温度升高，压强不一定增大，故选项C错误．D选项，气体温度每升高1K吸收的热量与气体对外做功多少有关，即与经历的过程有关，故选项D正确．E选项，温度升高，理想气体的内能一定增大，故选项E正确．

8、解析：

选C.做功和热传递可以改变物体的内能，当做功和热传递同时发生时，物体的内能可能不变，比如物体吸热的同时又对外做功，且吸收的热量与对外做的功在数值上相等，此时物体的内能不发生变化．

9、解析：

选B.由于木箱在推动中受到滑动摩擦力，其与相对位移的乘积为物体的内能即：

U＝60×10J＝600J．由能量守恒定律可得：

Ek＝W总－U＝80×10J－600J＝200J，故B正确．

10、解析：

选A.气体膨胀，气体对外做正功，又因气体与外界无热交换，由热力学第一定律可知气体内能减小，因忽略气体分子间相互作用，没有分子势能，所以分子的平均动能减小，选项A正确．

二、非选择题

1、解析：

设在t时间内吹在风车上的空气的质量为

m＝

πd2·vt·ρ，

风的动能Ek＝

mv2＝

πd2v3tρ.

根据题意：

πd3v2tρ×50%×80%＝mgh.

则

＝

.

答案：

2、解析：

（1）由热力学第一定律可得

ΔU＝W＋Q

＝－120J＋280J

＝160J.

（2）由于气体的内能仅与状态有关，所以气体从2状态回到1状态过程中内能的变化应等于从1状态到2状态过程中内能的变化，则从2状态到1状态的内能应减少160J．即

ΔU′＝－160J，又Q′＝－240J，根据热力学第一定律

得：

ΔU′＝W′＋Q′

∴W′＝ΔU′－Q′

＝－160J－（－240J）

＝80J

即外界对气体做功80J.

答案：

（1）增加了160J

（2）外界对气体做功　80J

3、解析：

设在时间Δt内，有ΔV的水通过水利枢纽，则：

Q＝

，ΔV＝QΔt减少的重力势能ΔEp＝mgh＝ΔVρgh＝QΔtρgh

发电机的功率：

P＝

＝

＝Qρghη

流量为Q＝

.（其中各物理量均取国际制单位）

4、解析：

（1）活塞缓慢移动，任意状态都处于平衡状态，故气体做等压变化，由盖—吕萨克定律可知：

＝

得ΔT＝

（273＋t）

（2）设汽缸内压强为p，由平衡条件得：

pS＝p0S－G

封闭气体对外做功W＝pSΔx＝（p0S－G）Δx

由热力学第一定律得：

ΔU＝Q＋（－W）＝Q－（p0S－G）Δx.

1．关于物体内能的变化，以下说法中正确的是（　　）

A．物体吸收热量，内能一定增大

B．物体对外做功，内能一定减少

C．物体吸收热量，同时对外做功，内能可能不变

D．物体放出热量，同时对外做功，内能可能不变

解析：

选C.做功和热传递可以改变物体的内能，当做功和热传递同时发生时，物体的内能可能不变，比如物体吸热的同时又对外做功，且吸收的热量与对外做的功在数值上相等，此时物体的内能不发生变化．

2．一木箱静止于水平面上，现在用一个80N的水平推力推动木箱前进10m，木箱受到的摩擦力为60N，则转化为木箱与地面系统的内能U和转化为木箱的动能Ek，分别是（　　）

A．U＝200J，Ek＝600J　　　B．U＝600J，Ek＝200J

C．U＝600J，Ek＝800JD．U＝800J，Ek＝200J

解析：

选B.由于木箱在推动中受到滑动摩擦力，其与相对位移的乘积为物体的内能即：

U＝60×10J＝600J．由能量守恒定律可得：

Ek＝W总－U＝80×10J－600J＝200J，故B正确．

3．（2011年高考重庆理综卷）某汽车后备箱内安装有撑起箱盖的装置，它主要由汽缸和活塞组成．开箱时，密闭于汽缸内的压缩气体膨胀，将箱盖顶起，如图4－1－5所示．在此过程中，若缸内气体与外界无热交换，忽略气体分子间相互作用，则缸内气体（　　）

图4－1－5

A．对外做正功，分子的平均动能减小

B．对外做正功，内能增大

C．对外做负功，分子的平均动能增大

D．对外做负功，内能减小

解析：

选A.气体膨胀，气体对外做正功，又因气体与外界无热交换，由热力学第一定律可知气体内能减小，因忽略气体分子间相互作用，没有分子势能，所以分子的平均动能减小，选项A正确．

4.如图4－1－6所示，一导热汽缸放在水平面上，其内封闭一定质量的某种理想气体，活塞通过滑轮组与一重物连接，并保持平衡，已知汽缸高度为h，开始活塞在汽缸中央，初始温度为t摄氏度，活塞面积为S，大气压强为p0.物体重力为G，活塞质量及一切摩擦不计，缓慢升高环境温度，使活塞上升Δx，封闭气体吸收了Q的热量．（汽缸始终未离开地面）求：

图4－1－6

（1）环境温度升高了多少度？

（2）气体的内能如何变化？

变化了多少？

解析：

（1）活塞缓慢移动，任意状态都处于平衡状态，故气体做等压变化，由盖—吕萨克定律可知：

＝

得ΔT＝

（273＋t）

（2）设汽缸内压强为p，由平衡条件得：

pS＝p0S－G

封闭气体对外做功W＝pSΔx＝（p0S－G）Δx

由热力学第一定律得：

ΔU＝Q＋（－W）＝Q－（p0S－G）Δx.

答案：

见解析

【自我检测】二：

一、选择题

1．关于物体的内能及其变化，以下说法正确的是（　　）

A．物体的温度改变时，其内能必定改变

B．物体对外做功，其内能不一定改变，向物体传递热量，其内能也不一定改变

C．物体对外做功，其内能必定改变．物体向外传出一定热量其内能必定改变

D．若物体与外界不发生热交换，则物体的内能必定不改变

解析：

选B.温度变化物体的分子动能变化，但内能可能不变，A错；改变内能有两种方式：

做功和热传递，由热力学第一定律可知B正确，C、D错．

2．下列关于做功和热传递的说法中正确的是（　　）

A．做功和热传递的实质是相同的

B．做功和热传递在改变物体内能上是等效的

C．做功和热传递是对同一过程中的两种说法

D．做功和热传递是不可能同时发生的

解析：

选B.做功和热传递在改变物体内能上是等效的，但本质不同，做功是将其他形式的能量转化为内能或将内能转化为其他形式的能量，热传递是内能的转移，且做功和热传递可以同时进行，故B选项正确．

3．“第一类永动机”是不可能制成的，这是因为它（　　）

A．不符合热力学第一定律

B．做功产生的热量太少

C．由于有摩擦、热损失等因素的存在

D．找不到合适的材料和合理的设计方案

解析：

选A.第一类永动机是指不消耗能量而且还能对外做功，故违背了能量的转化与守恒．

4．（2010年高考重庆卷）给旱区送水的消防车停于水平地面．在缓慢放水过程中，若车胎不漏气，胎内气体温度不变，不计分子间势能，则胎内气体（　　）

A．从外界吸热B．对外界做负功

C．分子平均动能减小D．内能增加

解析：

选A.本题考查了热力学定律．由于车胎内温度保持不变，故分子的平均动能不变，内能不变．放水过程中体积增大对外做功，由热力学第一定律可知，胎内气体吸热．A选项正确．

5．一定量的气体在某一过程中，外界对气体做了8×104J的功，气体的内能减少了1.2×105J，则下列个式中正确的是（　　）

A．W＝8×104J，ΔU＝1.2×105J，Q＝4×104J

B．W＝8×104J，ΔU＝－1.2×105J，Q＝－2×105J

C．W＝－8×104J，ΔU＝1.2×105J，Q＝2×104J

D．W＝－8×104J，ΔU＝1.2×105J，Q＝－4×104J

解析：

选B.由符号法则可知，外界对气体做功W取正，气体内能减少，ΔU为负值，代入热力学第一定律表达式得Q＝－2×105J.故选B.

6.（2010年高考广东理综卷）图4－1－7是密闭的汽缸，外力推动活塞P压缩气体，对缸内气体做功800J，同时气体向外界放热200J，缸内气体的（　　）

图4－1－7

A．温度升高，内能增加600J

B．温度升高，内能减少200J

C．温度降低，内能增加600J

D．温度降低，内能减少200J

解析：

选A.对一定质量的气体，由热力学第一定律ΔU＝W＋Q可知，ΔU＝800J＋（－200J）＝600J，ΔU为正表示内能增加了600J，对气体来说，分子间距较大，分子势能为零，内能等于所有分子动能的和，内能增加，气体分子的平均动能增加，温度升高，选项A正确．

7．（2011年高考新课标全国卷）对于一定量的理想气体，下列说法正确的是（　　）

A．若气体的压强和体积都不变，其内能也一定不变

B．若气体的内能不变，其状态也一定不变

C．若气体的温度随时间不断升高，其压强也一定不断增大

D．气体温度每升高1K所吸收的热量与气体经历的过程有关

E．当气体温度升高时，气体的内能一定增大

解析：

选ADE.A选项，p、V不变，则T不变，气体的内能不变，故选项A正确．B选项，内能不变，温度不变，p、V可能变，选项B错误．C选项，气体温度升高，压强不一定增大，故选项C错误．D选项，气体温度每升高1K吸收的热量与气体对外做功多少有关，即与经历的过程有关，故选项D正确．E选项，温度升高，理想气体的内能一定增大，故选项E正确．

二、非选择题

8．风沿水平方向以速度v垂直吹向一直径为d的风车叶轮上，设空气密度为ρ，风的动能有50%转化为风车的动能，风车带动水车将水提高h的高度，效率为80%，则单位时间最多可提升的水的质量m＝________.

解析：

设在t时间内吹在风车上的空气的质量为

m＝

πd2·vt·ρ，

风的动能Ek＝

mv2＝

πd2v3tρ.

根据题意：

πd3v2tρ×50%×80%＝mgh.

则

＝

.

答案：

9．一定质量的气体，在从一个状态变化到另一个状态的过程中，吸收热量280J，并对外做功120J，试问：

（1）这些气体的内能发生了怎样的变化？

（2）如果这些气体又返回原来的状态，并放出了240J热量，那么在返回的过程中是气体对外界做功，还是外界对气体做功？

做多少功？

解析：

（1）由热力学第一定律可得

ΔU＝W＋Q

＝－120J＋280J

＝160J.

（2）由于气体的内能仅与状态有关，所以气体从2状态回到1状态过程中内能的变化应等于从1状态到2状态过程中内能的变化，则从2状态到1状态的内能应减少160J．即

ΔU′＝－160J，又Q′＝－240J，根据热力学第一定律

得：

ΔU′＝W′＋Q′

∴W′＝ΔU′－Q′

＝－160J－（－240J）

＝80J

即外界对气体做功80J.

答案：

（1）增加了160J

（2）外界对气体做功　80J

10．（2011年陕西高二质检）山峡水利工程的坝高h0＝185m，正常水位为h＝175m，水库容积V＝3.93×1010m3，装机容量（发电机的总功率）P＝1.768×107kW，发电量W＝8.4×1010kW·h.假设发电机效率为η＝80%，试根据这些数据计算出水利枢纽的流量Q，并写出每个物理量应选用的单位．（不进行具体计算，用字母表示）

解析：

设在时间Δt内，有ΔV的水通过水利枢纽，则：

Q＝

，ΔV＝QΔt减少的重力势能ΔEp＝mgh＝ΔVρgh＝QΔtρgh

发电机的功率：

P＝

＝

＝Qρghη

流量为Q＝

.（其中各物理量均取国际制单位）

答案：

见解析

【自我检测】三：

1．关于热传导的方向性，下列说法正确的是（　　）

A．热量能自发地由高温物体传给低温物体

B．热量能自发地由低温物体传给高温物体

C．在一定条件下，热量也可以从低温物体传给高温物体

D．热量一定不可能从低温物体传给高温物体

解析：

选AC.在有外力做功的情况下，热量可以从低温物体传给高温物体，而热量只能自发地从高温物体传给低温物体．

2．对于孤立体系中发生的实际过程，下列说法中正确的是（　　）

A．系统的总熵只能增大或不变，不可能减小

B．系统的总熵可能增大，可能不变，还可能减小

C．系统逐渐从比较有序的状态向更加无序的状态发展

D．系统逐渐从比较无序的状态向更加有序的状态发展

解析：

选AC.根据熵增加原理，在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减少可知，A对，B错．根据热力学第二定律的微观解释可知，一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行，所以C对，D错．

3．第二类永动机不可能制成，这是因为（　　）

A．它违背了能量守恒定律

B．热量总是从高温物体传递到低温物体

C．机械能不可能全部转变为内能

D．内能不能全部转化为机械能，同