物理第三章 热力学定律本章综合与测试学案

章末检测试卷(三)

(时间：90分钟　满分：100分)

一、单项选择题(本题共7小题，每小题4分，共28分)

1．根据你学过的热学中的有关知识，判断下列说法中正确的是(　　)

A．机械能可以全部转化为内能，内能也可以全部用来做功转化成机械能

B．凡与热现象有关的宏观过程都具有方向性，在热传递中，热量只能从高温物体传递给低温物体，而不能从低温物体传递给高温物体

C．尽管科技不断进步，热机的效率仍不能达到100%，制冷机却可以使温度降到－273.15 ℃

D．第一类永动机违背能量守恒定律，第二类永动机不违背能量守恒定律，随着科技的进步和发展，第二类永动机可以制造出来

答案　A

解析　机械能可以全部转化为内能，而内能在引起其他变化时也可以全部转化为机械能，A正确；凡与热现象有关的宏观过程都具有方向性，在热传递中，热量可以自发地从高温物体传递给低温物体，也能从低温物体传递给高温物体，但必须借助外界的帮助，B错误；尽管科技不断进步，热机的效率仍不能达到100%，制冷机也不能使温度降到－273.15 ℃，只能无限接近－273.15 ℃，C错误；第一类永动机违背能量守恒定律，第二类永动机不违背能量守恒定律，但违背热力学第二定律，第二类永动机不可能制造出来，D错误．

2．(2020·济宁市月考)二氧化碳是导致“温室效应”的主要原因之一，人类在采取节能减排措施的同时，也是在研究控制温室气体的新方法，目前专家们正在研究二氧化碳的深海处理技术．在某次实验中，将一定质量的二氧化碳气体封闭在一个可以自由压缩的导热容器中，将容器缓慢移到海水某深处，气体体积减小为原来的一半，温度逐渐降低．此过程中(　　)

A．封闭的二氧化碳气体对外界做正功

B．封闭的二氧化碳气体压强一定增大

C．封闭的二氧化碳气体分子的平均动能增大

D．封闭的二氧化碳气体一定从外界吸收热量

答案　B

解析　气体体积减为原来的一半，外界对气体做正功，故A错误．海水压强随深度增加而增加，又导热容器可以自由压缩，则气体的压强一定增大，故B正确；温度降低，所以气体分子的平均动能减小，故C错误；温度降低，内能减小，外界对气体做正功，根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，封闭气体向外界放出热量，故D错误．

3.如图1所示，直立容器内有被隔板隔开的A、B两部分体积相等的气体，A的密度小，B的密度较大，抽去隔板，加热气体，使两部分气体均匀混合，设在此过程中气体吸收的热量为Q，气体内能增量为ΔE，则(　　)

图1

A．ΔE＝Q   B．ΔE<Q

C．ΔE>Q   D．无法比较

答案　B

解析　A部分气体密度小，B部分气体密度大，以整体为研究对象，开始时，气体的重心在容器下部，混合均匀后，气体的重心应在容器中部，所以重力对气体做负功，气体的重力势能增大，由能量守恒定律可知，吸收的热量Q有一部分用于增加气体的重力势能，另一部分用于增加气体的内能，故选B.

4.(2020·北京高三学考)如图2所示为一个斯特林热气机理想循环的V－T图像，一定质量理想气体从状态A依次经过状态B、C和D后再回到状态A完成一个循环过程，则(　　)

图2

A．气体从状态A变化到状态C的过程中，气体的内能减小

B．气体从状态C变化到状态D的过程中，气体分子单位时间内碰撞容器壁的次数增多

C．气体从状态D变化到状态A的过程中，气体放热

D．气体从状态D变化到状态A的过程中，气体吸热

答案　C

解析　气体从状态A到状态C的过程中，先经历一个等温压缩A到B过程，再经过一个等容升温B到C过程，在A到B过程中，温度不变，内能不变，在B到C过程中，温度升高，内能增大，故A到C过程中，内能增大，A错误；气体从状态C到状态D的过程是一个等温膨胀过程，压强减小，气体分子平均速率不变，所以单位时间内碰撞容器壁的次数减少，B错误；气体从状态D到状态A的过程是一个等容降温的过程，根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，ΔU＜0，W＝0，所以Q＜0，是一个放热过程，D错误，C正确．

5．一台电冰箱，制冷系数为其主要性能指标之一，所谓制冷系数是指冰箱从食物中吸收热量与电动机做功的比值．假设冰箱制冷系数为6，工作的某过程中从贮藏食物中吸收的热量为10 056 J，则在这一过程中这台电冰箱向外界释放的能量为(　　)

A．25.14 J   B．11 732 J

C．1 676 J   D．10 056 J

答案　B

解析　一方面冰箱从贮藏食物中吸收的热量全部转移到室内，为：Q1＝10 056 J；另一方面电动机做功消耗的电能也将转化为内能而向室内释放热量，为：Q2＝Q1＝1 676 J，故在这一过程中这台电冰箱向室内释放的热量为Q＝Q1＋Q2＝10 056 J＋1 676 J＝11 732 J，故B正确，A、C、D错误．

6.(2020·涿鹿中学高二月考)如图3所示，导热性良好的气缸内密封的气体(可视为理想气体)在等压膨胀过程中，下列关于密封的气体说法正确的是(　　)

图3

A．气体内能可能减少

B．气体会向外界放热

C．气体吸收的热量大于对外界所做的功

D．气体分子的平均动能将减小

答案　C

解析　气体等压膨胀，根据＝c知气体温度升高，气体分子的平均动能将增大，故D错误；理想气体的内能只与温度有关，温度升高则内能增大，故A错误；体积增大，则气体对外界做功，即W<0，又内能增加，根据热力学第一定律知气体一定吸热，即Q>0，根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W>0，得Q>|W|，故B错误，C正确．

7．一定质量的理想气体(分子力不计)，体积由V膨胀到V′，如果通过压强不变的过程来实现，对外做功大小为W1，传递热量的值为Q1，内能变化为ΔU1，如果通过温度不变的过程来实现，对外做功大小为W2，传递热量的值为Q2，内能变化为ΔU2，则(　　)

A．W1＞W2，Q1＜Q2，ΔU1＞ΔU2

B．W1＞W2，Q1＞Q2，ΔU1＞ΔU2

C．W1＜W2，Q1＝Q2，ΔU1＞ΔU2

D．W1＝W2，Q1＞Q2，ΔU1＞ΔU2

答案　B

解析　第一种情况，根据＝c可知，气体压强不变，体积增大，因此温度升高，ΔU1＞0，根据热力学第一定律有ΔU1＝Q1－W1；第二种情况，气体等温变化，ΔU2＝0，根据热力学第一定律有ΔU2＝Q2－W2，第二种情况下，压强减小，体积变化相同，因此W1＞W2，且ΔU1＞ΔU2＝0，因此Q1＞Q2，故选B.

二、多项选择题(本题共3小题，每小题6分，共18分)

8．(2020·山西高二期末)下列关于物体内能的说法中正确的是(　　)

A．物体内能的改变有两种方式：做功和热传递，两者在内能的改变上是等效的

B．在有其他影响的情况下，可以把内能全部转化为功

C．内能可以由低温物体转移到高温物体而不引起其他变化

D．在内能的转化和转移过程中，虽然存在能量损失，但总能量依然守恒

答案　ABD

解析　改变物体的内能有两种方式，分别为做功和热传递，两者在内能的改变上是等效的，故A正确；热力学第二定律指出不可能从单一热源吸收热量使之完全转换为功而不产生其他影响，故B正确；内能的转移是通过热传递的方式完成的，热力学第二定律指出不可能使热量从低温物体传到高温物体而不产生其他影响，故C错误；能量守恒定律指出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其他形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化和转移的过程中，能量的总量不变，故D正确．

9.我国航天员漫步太空已成为现实．飞船在航天员出舱前先要“减压”，在航天员从太空返回进入航天器后要“升压”，因此将此设施专门做成了飞船的一个舱，叫“气闸舱”，其原理如图4所示．两个相通的舱A、B间装有阀门K.指令舱A中充满气体，气闸舱B内为真空，整个系统与外界没有热交换．打开阀门K后，A中的气体进入B中，最终达到平衡．若将此气体近似看成理想气体，则(　　)

图4

A．气体体积膨胀，对外做功

B．气体分子势能减小，内能增加

C．气体体积变大，温度不变

D．B中气体不可能自发地全部退回到A中

答案　CD

解析　当阀门K被打开时，A中的气体进入B中，由于B中为真空，所以气体体积膨胀，但对外不做功，故A错误；又因为系统与外界无热交换，所以气体内能不变，则气体的温度也不变，B错误，C正确；由热力学第二定律知，真空中气体膨胀具有方向性，在无外界作用时，B中气体不能自发地全部退回到A中，故D正确．

10.(2020·张家口一中高二期中)如图5，一定质量的理想气体从状态a经过等容过程ab到达状态b，再经过等温过程bc到达状态c，最后经过等压过程ca回到状态a.下列说法正确的是(　　)

图5

A．在过程ab中气体的内能增加

B．在过程ca中外界对气体做功

C．在过程ab中气体对外界做功

D．在过程bc中气体从外界吸收热量

答案　ABD

解析　从a到b等容升压，根据＝c可知温度升高，一定质量的理想气体的内能取决于气体的温度，温度升高，则内能增加，故A正确；在过程ca中压强不变，体积减小，所以外界对气体做功，故B正确；在过程ab中气体体积不变，根据W＝pΔV可知，气体对外界做功为零，故C错误；在过程bc中，气体膨胀对外做功，而气体的温度不变，则内能不变；根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q可知，气体从外界吸收热量，故D正确．

三、非选择题(本题共5小题，共54分)

11．(4分)(2020·全国卷Ⅱ)下列关于能量转换过程的叙述，违背热力学第一定律的有________，不违背热力学第一定律、但违背热力学第二定律的有________．(填正确答案标号)

A．汽车通过燃烧汽油获得动力并向空气中散热

B．冷水倒入保温杯后，冷水和杯子的温度都变得更低

C．某新型热机工作时将从高温热源吸收的热量全部转化为功，而不产生其他影响

D．冰箱的制冷机工作时从箱内低温环境中提取热量散发到温度较高的室内

答案　B　C(每空2分)

解析　A项符合热力学第一、第二定律．冷水和杯子温度不可能都变低，只能是一个升高一个降低，或温度都不变，B项描述违背了热力学第一定律．C项描述虽然不违背热力学第一定律，但违背了热力学第二定律．D项中冰箱消耗电能从而可以从低温环境中提取热量散发到温度较高的室内，不违背热力学第二定律．

12.(10分)(2020·扬州中学月考)把一个小烧瓶和一根弯成直角的均匀玻璃管用橡皮塞连成如图6所示的装置．在玻璃管内引入一小段油柱，将一定质量的空气密封在容器内，被封空气的压强跟大气压强相等．如果不计大气压强的变化，利用此装置可以研究烧瓶内空气的体积随温度变化的关系．

图6

(1)关于瓶内气体，下列说法中正确的有________．

A．温度升高时，瓶内气体体积增大，压强不变

B．温度升高时，瓶内气体分子的动能都增大

C．温度升高，瓶内气体分子单位时间碰撞容器壁单位面积的次数增多

D．温度不太低，压强不太大时，可视为理想气体

(2)改变烧瓶内气体的温度，测出几组体积V与对应温度T的值，作出V－T图像如图7所示．已知大气压强p0＝1×105 Pa，则由状态a到状态b的过程中，气体对外做的功为________J．若此过程中气体吸收热量60 J，则气体的内能增加了________J.

图7

(3)已知1 mol任何气体在压强p0＝1×105 Pa，温度t0＝0 ˚C时，体积约为V0＝22.4 L．瓶内空气的平均摩尔质量M＝29 g/mol，体积V1＝2.24 L，温度为T1＝25 ˚C.可估算出瓶内空气的质量为________．

答案　(1)AD(3分)　(2)50(2分)　10(2分)

(3)2.66 g(3分)

解析　(1)温度升高时，由于气压等于外界大气压，不变，故瓶内气体体积增大，故A正确；温度升高时，瓶内气体分子的热运动的平均动能增大，但不是每个分子的动能都增大，故B错误；气体压强是分子对容器壁的频繁碰撞产生的，温度升高，分子热运动的平均动能增大，气体压强不变，故瓶内气体分子单位时间碰撞到容器壁单位面积的次数减少，故C错误；温度不太低，压强不太大时，实际气体均可视为理想气体，故D正确．

(2)由状态a到状态b的过程中，气体对外做的功为：

W＝p·ΔV＝1.0×105×(2.5×10－3－2×10－3) J＝50 J

若此过程中气体吸收热量60 J，则气体的内能增加

ΔU＝60 J－50 J＝10 J

(3)瓶内空气体积V1＝2.24 L，温度为T1＝(25＋273) K＝298 K，转化为标准状态，有＝

解得：V2＝

物质的量为n＝

故质量：m＝nM＝·M≈2.66 g.

13．(12分)一定质量的理想气体从状态A经绝热过程到达状态B，再经等容过程到达状态C，此过程的p－V图像如图8所示，图中虚线为等温线．在B→C的过程中，气体吸收热量为12 J．则：

图8

(1)比较气体在A和B状态的内能EA、EB的大小；

(2)从A→B过程中气体对外界做的功．

答案　(1)EA>EB　(2)12 J

解析　(1)A→B过程绝热，Q＝0，体积V增大，对外做功，内能减小，EA＞EB.(3分)

(2)A→B→C过程中有：ΔU＝WAB＋WBC＋QAB＋QBC(2分)

A、C温度相等，内能不变ΔU＝0(1分)

A、B绝热过程QAB＝0(1分)

B、C等容变化不做功WBC＝0(1分)

在B→C的过程中，气体吸收热量为12 J，即QBC＝12 J(1分)

故WAB＝－12 J(2分)

即从A→B过程中气体对外界做的功为12 J．(1分)

14.(13分)如图9为一太阳能空气集热器，底面及侧面为隔热材料，顶面为透明玻璃板，集热器容积为V0，开始时内部封闭气体的压强为p0.经过太阳曝晒，气体温度由T0＝300 K升至T1＝350 K.

图9

(1)求此时气体的压强．

(2)保持T1＝350 K不变，缓慢抽出部分气体，使气体压强再变回到p0.求集热器内剩余气体的质量与原来总质量的比值．判断在抽气过程中剩余气体是吸热还是放热，并简述原因．

答案　(1)p0　(2)　吸热　原因见解析

解析　(1)由题意知，气体体积不变，由查理定律得

＝(2分)

所以此时气体的压强p1＝p0＝p0＝p0(2分)

(2)抽气过程可等效为等温膨胀过程，设膨胀后气体的总体积为V2，由玻意耳定律可得p1V0＝p0V2(2分)

可得V2＝＝V0(2分)

所以集热器内剩余气体的质量与原来总质量的比值为＝(2分)

因为抽气过程中气体温度不变，故内能不变，而气体的体积膨胀对外做功．由热力学第一定律ΔU＝W＋Q可知，气体一定从外界吸收热量．(3分)

15.(15分)(2020·安徽高二期末)一定质量的理想气体被活塞封闭在气缸内，气缸如图10所示水平放置．活塞的质量m＝20 kg，横截面积S＝100 cm2，活塞可沿气缸壁无摩擦滑动且不漏气，开始使气缸水平放置，活塞与气缸底的距离L1＝12 cm，离气缸口的距离L2＝4 cm.外界气温为27 ˚C，大气压强为1.0×105 Pa，将气缸缓慢地转到开口向上的竖直位置，待稳定后对缸内气体缓慢加热，使活塞上表面刚好与气缸口相平，已知g＝10 m/s2，求：

图10

(1)此时气体的温度为多少；

(2)在对缸内气体加热的过程中，气体膨胀对外做功，同时吸收Q＝390 J的热量，则气体增加的内能ΔU为多少．

答案　(1)480 K　(2)318 J

解析　(1)当气缸水平放置时，p0＝1.0×105 Pa，V0＝L1S，T0＝300 K

当气缸口向上，活塞到达气缸口时，对活塞受力分析如图所示，有p1S＝p0S＋mg(2分)

则p1＝1.2×105 Pa，V1＝(L1＋L2)S

由理想气体状态方程得＝(3分)

解得T1＝480 K(1分)

(2)当气缸口向上，未加热稳定时，由玻意耳定律得

p0L1S＝p1LS(2分)

解得L＝10 cm(1分)

加热后，气体做等压变化，外界对气体做功为

W＝－p0(L1＋L2－L)S－mg(L1＋L2－L)＝－72 J(3分)

根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q(2分)

解得ΔU＝318 J．(1分)