高中 | 热力学第一定律 题目答案及解析

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选修3-3

第十章 热力学定律

10.3 热力学第一定律 能量守恒定律

热力学第一定律

爆震发动机作为一种极具潜力的新型动力装置,其工作原理涉及到复杂的热力学过程。在某先进的爆震发动机实验平台中,对一定质量的理想气体进行模拟爆震燃烧实验。摩尔数为n的理想气体初始状态压强为$p_{0}$,体积为$2V_{0}$,对应下图中的a点。现在这部分气体经过等压膨胀,体积变为$3V_{0}$,对应下图中的b点,气体在状态b经等温膨胀至状态c,压强变为$0.5p_{0}$。又经等压压缩至状态d,最后等温压缩回到状态a。已知理想气体的体积V、压强P和温度T满足方程$pV=nRT$;内能U满足关系$U=\frac{5}{2}nRT$。其中R为常数,n为物质的量,根据以上信息可以判断$(\quad\ \ \ \ )$

["

气体在状态点b时的内能为$5p_{0}V_{0}$

","

气体在状态点a时温度为$\\frac{2p_{0}V_{0}}{nR}$

","

由c到d的过程外界对气体做功为$p_{0}V_{0}$

","

由c到d的过程气体从外界吸热

"]
[["BC"]]

  B.气体在状态点a时有$p_{0} ⋅ 2V_{0}=nRT_{a}$

解得气体在状态点a时温度为$T_{a}=\frac{2p_{0}V_{0}}{nR}$

故B正确;

A.气体a从到b,发生等压变化,则有$\frac{2V_{0}}{T_{a}}=\frac{3V_{0}}{T_{b}}$

解得气体在状态点b时温度为$T_{b}=\frac{3p_{0}V_{0}}{nR}$

则气体在状态点b时的内能为$U_{b}=\frac{5}{2}nRT_{b}=\frac{15p_{0}V_{0}}{2}$

故A错误;

C  D.气体在状态b经等温膨胀至状态c,则有$T_{c}=T_{b}=\frac{3p_{0}V_{0}}{nR}$,$p_{0} ⋅ 3V_{0}=0.5p_{0}V_{c}$

可得气体在状态点c时的体积为$V_{c}=6V_{0}$

气体从状态c等压压缩至状态d,最后等温压缩回到状态a,可知状态d的温度为$T_{d}=T_{a}=\frac{2p_{0}V_{0}}{nR}$

根据$\frac{V_{c}}{T_{c}}=\frac{V_{d}}{T_{d}}$

解得气体在状态点d时的体积为$V_{d}=4V_{0}$

从状态c等压压缩至状态d,外界对气体做功为$W=0.5p_{0} ⋅ (6V_{0} − 4V_{0})=p_{0}V_{0}$

气体的内能变化量为$\Delta U=U_{d}-U_{c}=\frac{5}{2}nR(T_{d}-T_{c})=- \frac{5}{2}p_{0}V_{0}$

根据热力学第一定律可得$ΔU=W+Q$

可得$Q=- \frac{7}{2}p_{0}V_{0}$

可知由c到d的过程气体从外界放热,故C正确,D错误。

故选BC。

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