新高考物理一轮复习专题15.3　热力学定律与能量守恒定律 精品练习（含解析）

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专题15.3　热力学定律与能量守恒定律【练】1．（2022·江苏常州·三模）如图所示，一定质量的理想气体从状态A依次经过状态B、C和D后再回到状态A，其中，A→B和C→D为等温过程，B→C和D→A为绝热过程（气体与外界无热量交换）。 这就是著名的“卡诺循环”。则（　　）A．A到B过程，气体内能减小 B．B到C过程，气体温度不变C．C到D过程，气体对外界做正功 D．全过程，气体从外界吸收热量【答案】  D【解析】A．A到B过程，温度不变，所以气体内能不变，A错误；B．B到C过程，绝热膨胀，气体对外做功，即根据可知即内能减小，温度降低，B错误；C．C到D过程，等温压缩，气体对外界做负功，C错误；D．全过程，气体内能不变，从A到C过程中气体对外做功大于从C到A过程中外界对气体做的功，则整个过程中，气体对外做功，则气体吸收热量，D正确。故选D。2．（2022·重庆市育才中学模拟预测）下列叙述和热力学定律相关，其中正确的是（　　）A．第二类永动机不可能制成，是因为违背了热力学第一定律B．能量耗散过程中能量不守恒C．夏天打开电冰箱的门，可以起到室内降温作用D．一切自发过程总是沿着分子无序性增大的方向进行【答案】  D【解析】A．第二类永动机不可能制成，是因为违背了热力学第二定律，选项A错误；B．能量耗散过程中能量也是守恒的，选项B错误；C．电冰箱制冷机工作后，冰箱冷冻室内的蒸发器温度降低，吸收空气中的热量，而与此同时，冰箱外部的冷凝器温度升高，将热量传给空气，室内空气的热量只是被冰箱吸收后又被放出，所以室温不会下降，不可以起到室内降温作用，选项C错误；D．根据熵原理， 一切自发过程总是沿着分子无序性增大的方向进行，选项D正确。故选D。3．（2022·浙江·高三开学考试）如图所示，两个相通的容器P、Q间装有阀门K，P中充满气体，Q为真空，整个系统与外界没有热交换。打开阀门K后，气体进入Q中，最终达到平衡，则（　　）A．气体体积膨胀，内能不变B．气体分子势能减少，内能增加C．气体分子势能增加，压强可能不变D．Q中气体能自发地全部退回到P中【答案】  A【解析】AB．气体在真空中膨胀，对外不做功，气体分子势能不变，整个系统与外界没有热交换，由热力学第一定律可得，气体的内能不变，故A正确，B错误；C．气体分子势能几乎不变，温度不变；气体的体积增大，由理想气体得状态方程可知，气体的压强一定减小，故C错误；D．由热力学第二定律可知，Q中的气体不可能自发的全部退回到P中，故D错误。故选A。4．（多选）（2022·内蒙古呼伦贝尔·一模）关于固体、液体和气体，下列说法正确的是（    ）A．物体从单一热源吸收的热量可全部用于做功B．气体放出热量，其温度可能升高C．一千克的水的分子平均动能比一克的铜的分子平均动能大D．固体铜在不断加热熔解的过程中，其内能不断增大E．布朗运动是悬浮在液体中的固体分子的无规则运动【答案】  ABD【解析】A．由热力学第二定律可知，不可能从单一热源吸取热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化，但在一定条件下，物体从单一热源吸收的热量可全部用于做功，A正确；B．气体放出热量的同时也有可能外界对物体做功，外界对物体做功的多少和气体放出热量的多少不确定，故温度有可能升高，B正确；C．温度是分子平均动能的标志，温度相同，分子的平均动能就相同，故一千克10℃的水的分子平均动能与一克10℃的铜的分子平均动能相等，C错误；D．铜是晶体，固体铜在不断加热熔解的过程中，温度不变，分子的平均动能不变，在溶解过程中体积增大，分子势能增大，故物体的内能增大，故D正确；E．布朗运动是悬浮在液体中的固体颗粒的无规则运动，不是固体分子的无规则运动故E错误。故选ABD。5．（多选）（2022·湖南·岳阳市教育科学技术研究院三模）下列说法正确的是（   ）A．物体的温度降低，个别分子的动能可能会增大B．岩盐是立方体结构，粉碎后的岩盐不再是晶体C．地球大气的各种气体分子中氢分子质量小，其平均速率较大，更容易挣脱地球吸引而逃逸，因此大气中氢含量相对较少D．系统对外做功，内能一定减少E．热运动的宏观过程会有一定的方向性【答案】  ACE【解析】A．物体的温度降低，分子的平均动能减小，但是个别分子的动能可能会增大，选项A正确；B．岩盐是立方体结构，粉碎后的岩盐仍是晶体，选项B错误；C．地球大气的各种气体分子中氢分子质量小，其平均速率较大，更容易挣脱地球吸引而逃逸，因此大气中氢含量相对较少，选项C正确；D．系统对外做功，若系统吸热，则内能不一定减少，选项D错误；E．根据热力学第二定律可知，热运动的宏观过程会有一定的方向性，选项E正确。故选ACE。6．（多选）（2022·福建·莆田锦江中学高三阶段练习）快递运送易碎物品时，常在快递箱内放置缓冲气袋，然后放入物品，如图所示。若物品放入时，气袋被挤压无破损，袋内气体视为理想气体，温度保持不变，则被挤压后袋内气体（　　）A．内能增大 B．压强增大C．从外界吸热 D．分子平均动能不变【答案】  BD【解析】A．D．气体温度不变，内能不变，分子平均动能不变，故A错误，D正确；B．被挤压后袋内气体体积减小，根据玻意耳定律可知，气体压强增大，故B正确；C．外界对气体做正功，气体内能不变，根据热力学第一定律可知，气体向外界放热，故C错误。故选BD。7．（多选）（2022·湖南师大附中二模）下列说法中正确的是（　　）A．机械能可以全部转化为内能，吸收的热量也可以完全变成机械能B．当两分子间的距离小于平衡位置的间距时，分子间距变大，分子势能变小C．晶体的物理性质都是各向异性的D．液体的表面张力使液体的表面有扩张的趋势E．空气相对湿度越大时，空气中水蒸气压强越接近同温度水的饱和汽压，水蒸发越慢【答案】  ABE【解析】A．在引起其它变化的情况下，机械能可以全部转化为内能，如运动的物体只受摩擦力停下来，吸收的热量也可以全部转化为机械能，选项A正确；B．当两分子间距离小于平衡位置的间距时，分子力表现为斥力，分子间的距离变大，分子力做正功，则分子势能减小，选项B正确；C．晶体有单晶体和多晶体两种，单晶体各向异性，而多晶体各向同性，选项C错误；D．液体的表面张力使液体的表面有收缩的趋势，选项D错误；E．空气相对湿度越大时，空气中水蒸气压强越接近同湿度水的饱和汽压，水蒸发变慢，选项E正确。故选ABE。8．（2022·广东·高三开学考试）水火箭又称气压式喷水火箭、水推进火箭，是一个利用气压作用设计的玩具。在学校科技节上，科技小组同学用容积为2.0L的可乐瓶制作了一支水火箭，箭身及其配重总质量M=0.1kg。现向瓶中装入0.5L的水后用带气嘴的橡胶塞塞紧瓶口，将火箭竖直放置，火箭内气体的压强为1atm，如图所示。用打气筒向里打气，已知打气筒每打一次气能把体积为0.5L、压强为1atm的空气压入瓶内，当瓶内空气压强达到5atm时橡胶塞脱落，水流高速喷出，火箭向上飞起。（1）水喷出后瞬间，箭体内气体的温度升高还是降低，简要说明理由：（2）设打气过程气体温度保持不变，求需打气的次数：（3）若火箭以v=20m/s的速度（相对地面）一次性向下喷出质量m=0.2kg的水流，已知ρ水=1.0×103kg/m3，重力加速度g=10m/s2，忽略空气阻力和喷水过程重力的影响，求火箭上升的最大高度。【答案】  （1）降低；（2）12；（3）5m【解析】（1）水喷出后瞬间，箭体内气体对外界做功，且此过程经历时间很短，气体来不及与外界完成充分的热交换，可视为绝热过程，根据热力学第一定律可知气体内能将减少，温度将降低；（2）设需打气n次，根据玻意耳定律有其中V=（2.0-0.5）L=1.5LV′=0.5L解得n=12（3）喷水前，瓶内水的总质量喷水过程，系统动量守恒，有竖直方向有联立可得火箭上升的最大高度h=5m9．（2022·江苏省昆山中学模拟预测）一定质量的理想气体，在初始状态A时，体积为V0，压强为，温度为。该理想气体从状态A经由一系列变化，最终返回到原来状态A，其变化过程的图，如图所示。其中CA延长线过坐标原点，B、A点在同一竖直线上。求：（1）画出图甲中理想气体从状态A经由一系列变化得图；（2）该理想气体从状态B经由状态C回到状态A的过程中，气体向外界放出的热量。【答案】  （1）；（2）【解析】（1）根据题意，由图甲可知，B、A点在同一竖直线上，则气体由状态A到状态B为等温变化，由玻意耳定律有可得气体由状态B到状态C为等容变化，由查理定律有解得由于CA延长线过坐标原点，气体由状态C到状态A为等压变化，综上所述，理想气体从状态A经由一系列变化得图，如图所示（2）由图线知从状态B到状态C为等容过程，外界对气体不做功，从状态C到状态A，等压变化过程，外界对气体做功为对状态B经状态C回到状态A，温度不变，则内能增加量为由热力学第一定律解得即气体对外界放出热量为。10．（2022·江苏南京·高三开学考试）如图所示，一定质量的理想气体从状态a（p0，V0，T0）经过程ab、bc、ca后回到状态a。下列说法正确的是（　　）A．ab过程中，气体始终放热B．ca过程中，气体始终放热C．ca过程中，气体对外界做功D．bc过程中，气体的温度先降低后升高【答案】  B【解析】A．ab过程气体经历等容变化，压强增大，根据查理定律可知气体温度升高，内能增大，而外界对气体做功为零，根据热力学第一定律可知气体始终吸热，故A错误；BC．ca过程气体经历等压变化，体积减小，外界对气体做功，根据盖-吕萨克定律可知气体温度降低，内能减少，根据热力学第一定律可知气体始终放热，故B正确，C错误；D．根据图像可写出p和V的数值满足的函数关系为所以根据二次函数知识可知当时，pV有最大值，所以bc过程中pV值先增大后减小，根据理想气体状态方程可知气体温度先升高后降低，故D错误。故选B。11．（2022·浙江·高三开学考试）如图所示，密封的矿泉水瓶中，距瓶口越近水的温度越高。一开口向下、导热良好的小瓶置于矿泉水瓶中，小瓶中封闭一段空气。挤压矿泉水瓶，小瓶缓慢下沉到底部：松开后，小瓶缓慢上浮。下沉过程中，小瓶内气体（　　）A．内能减少B．气体对外界做功C．内能的变化量的绝对值大于放出的热量D．内能的变化量的绝对值等于放出的热量【答案】  A【解析】A．由于越接近矿泉水瓶口，水的温度越高，因此小瓶下沉过程中，小瓶内温度降低，则内能减小，故A正确；B．在小瓶下沉过程中，小瓶内气体的温度逐渐降低，压强逐渐增大，根据理想气体状态方程可知气体体积减小，则外界对气体做功，故B错误；CD．由AB分析知，小瓶下沉过程中，小瓶内气体内能减小（），外界对气体做功（），根据热力学第一定律可知气体放热（），且内能的变化量的绝对值小于放出的热量，故CD错误。故选A。12．（2022·湖北·武汉市第一中学高三开学考试）如图，一定质量的理想气体从状态A开始，经历两个状态变化过程，先后到达状态B和C。下列说法正确的是（　　）A．过程，所有气体分子热运动速率都增大B．整个过程中，气体分子的平均动能先减小后增大C．过程，气体吸收的热量大于气体内能的增加量D．过程，气体吸收的热量大于对外界所做的功【答案】  D【解析】A．过程，等压变化，体积增大，温度升高，气体分子热运动的平均速率增大，故A错误；C．过程，气体等容变化，压强减小，温度降低，内能降低，体积不变，气体没有做功，根据热力学第一定律可知，气体一定向外放出热量，故C错误；B．过程，温度升高，过程，温度降低，整个过程中，气体分子的平均动能先增大后减小，故B错误；D．过程，等压变化，温度升高，内能增大，气体体积增大，对外做功，根据热力学第一定律可知，气体从外界吸收的热量大于气体对外界做的功，故D正确。故选D。13．（多选）（2022·广西·柳州市第三中学模拟预测）下列说法正确的是（　　）A．气体从外界吸收热量，其内能一定增加B．在完全失重的情况下，气体对容器壁的压强为零C．气体在等压膨胀的过程中温度一定升高D．电冰箱的工作过程表明，热量可以从低温物体向高温物体传递E．自然界中符合能量守恒定律的宏观过程不一定能自然发生【答案】  CDE【解析】A．气体从外界吸收热量的同时可能伴随着气体膨胀对外做功的过程，根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q知，气体的内能不一定增加，A错误；B．气体压强是由于大量气体分子撞击容器壁产生的，与重力无关，气体处于超重或失重状态不影响气体的压强，B错误；C．根据气体实验定律在等压膨胀的过程中，气体的温度一定升高，C正确；D．热力学第二定律表明，“不可能使热量由低温物体传递到高温物体而不引起其他变化”，电冰箱工作过程中，热量从低温物体向高温物体传递的前提条件是压缩机做功，不违背热力学第二定律，D正确；E．自发的宏观过程不仅遵循能量守恒定律，同时也遵循热力学第二定律，只符合能量守恒定律的宏观过程不一定能自然发生，E正确。故选CDE。14．（多选）（2022·天津·一模）一定质量的理想气体从状态甲变化到状态乙，再从状态乙变化到状态丙，其图像如图所示。则该理想气体（　　）A．由乙到丙，分子在单位时间内撞击容器壁上单位面积的平均次数逐渐减少B．由甲到丙，内能先增大后减小C．甲、丙两状态下的分子平均动能相同D．由乙到丙，吸收的热量【答案】  AC【解析】A．由图像可知，由乙到丙，气体体积变大，所以分子在单位时间内撞击容器壁上单位面积的平均次数逐渐减少，故A正确；B．由图可知，从甲到乙体积不变，压强减小，由查理定律可知，温度降低，则内能减小，从乙到丙，压强不变，体积变大，则由盖吕萨克定律可知，温度升高，则内能增大，故由甲到丙，内能先减小后增大，故B错误；C．由图可知，甲、丙两状态下可知，甲、丙两状态的温度相等，所以甲、丙两状态下的分子平均动能相同，故C正确；D．由图像知，由乙到丙气体对外界做功大小为而由B项分析知，由乙到丙温度升高，内能增大，由热力学第一定律知因为所以故D错误。故选AC。15．（多选）（2022·宁夏·平罗中学高三期中）如图所示，一定质量的理想气体的状态连续变化，变化过程为a→b→c→a。其中ab直线平行于p轴，ca直线平行于V轴，b→c为等温过程。下列分析正确的是（　　）A．a→b过程气体内能减小B．a→b过程外界对气体做功C．c→a过程气体对外界做功D．c→a过程气体放出热量E．b→c过程气体放出热量【答案】  ACE【解析】A．过程为等容变化，压强减小，由公式可知，温度降低，则理想气体内能减小，故A正确；B．过程为等容变化，气体对外不做功，外界对气体也不做功，故B错误；CD．过程为等压变化，体积变大，则气体对外做功；由可知，温度升高，则内能增加，又由热力学第一定律可知，气体吸热，故C正确，D错误；E．过程为等温变化，内能不变，体积减小，外界对气体做功，由热力学第一定律可知，气体放出热量，故E正确。故选ACE。16．（多选）（2022·山东·高三专题练习）某汽车的四冲程内燃机利用奥托循环进行工作，该循环由两个绝热过程和两个等容过程组成。如图所示为一定质量的理想气体所经历的奥托循环，则该气体（　　）A．状态a和c在同一条等温线上B．在a→b过程中增加的内能在数值上等于abefa所围的“面积”C．在一次循环过程中吸收的热量大于放出的热量D．b→c过程中增加的内能小于d→a过程中减少的内能【答案】  BC【解析】A．从c到d为绝热膨胀，有，外界对气体做功，根据热力学第一定律，可知，即内能减少，温度降低，状态c的温度高于状态d的温度；从d到a，体积不变，由查理定律可知压强减小，则温度降低，则状态d的温度高于状态a的温度，可得状态c的温度高于状态a的温度，所以状态a的温度小于状态c的温度，A错误；B．在a→b过程中为绝热压缩，外界对气体做功，，根据热力学第一定律，可知即外界对其做的功全部用于增加内能，而p-V图线与坐标轴所围面积表示外界对气体做功，所以在a→b过程中增加的内能在数值上等于abefa所围的“面积”，B正确；CD．从b→c过程系统从外界吸收热量，从c→d系统对外做功，从d→a系统放出热量，从a→b外界对系统做功，根据p-V图像“面积”即为气体做功大小，可知c到d过程气体对外界做功，图像中b→c→d→a围成的图形的面积为气体对外界做的功，整个过程气体内能变化为零，则即在一次循环过程中吸收的热量大于放出的热量，则b→c过程中增加的内能大于d→a过程中减少的内能，C正确D错误。故选BC。17．（2022·全国·高三开学考试）如图所示，一定质量的理想气体被活塞封闭在竖直放置的汽缸中，活塞面积为S，与汽缸底部相距L，汽缸和活塞绝热性能良好，气体的温度为，此时活塞恰好不下滑。现接通电热丝加热气体，一段时间后断开，活塞缓慢向上移动距离L后停止，活塞不会脱离汽缸，整个过程中气体吸收的热量为Q。已知活塞的质量为m，重力加速度大小为g，活塞与汽缸间的滑动摩擦力为f，最大静摩擦力等于滑动摩擦力，外界大气压为。求：（1）当活塞刚开始向上移动时气体的温度；（2）该过程中气体内能的增加量。【答案】  （1）；（2）【解析】（1）开始时对活塞受力分析可知当活塞刚要开始向上移动时由查理定理解得（2）该过程中气体对外做功根据热力学第一定律可知该过程中气体内能的增加量18．（2022·广东广州·模拟预测）如图所示，导热气缸开口向右水平放置，缸内活塞密闭效果良好且能无摩擦滑动。开始时活塞在虚线位置静止（状态I），封闭气体体积为V=1L，通过给缸体缓慢加热，气体膨胀至体积加倍（状态Ⅱ），此时气缸内壁的卡销自动开启，同时停止加热，待气缸慢慢冷却至环境温度（状态Ⅲ）。若封闭气体可视为理想气体，环境温度为27℃，外界大气压强为p0=1.0×105Pa。求：（1）请在坐标图上画出封闭气体的压强p随热力学温度T的变化图像，并通过计算说明作图所需的关键状态参量；（2）若给缸体缓慢加热的过程，气体吸收的热量为Q=220J，则在气缸冷却的过程气体放出的热量是多少？【答案】  （1）见解析；（2）120J【解析】（1）状态I状态参量：体积：，温度：，压强：状态Ⅱ状态参量：体积：；由于等压膨胀由等压变化规律解得状态Ⅲ状态参量：，体积：由等容变化可知可得封闭气体的压强p随热力学温度T的变化图像为（2）加热过程由热力学第一定律外界做功又，可得气缸冷却过程是等容变化，则内能变化由，可得则在气缸冷却的过程气体放出的热量120J。19．（2022·辽宁·高考真题）一定质量的理想气体从状态a变化到状态b，其体积V和热力学温度T变化图像如图所示，此过程中该系统（   ）A．对外界做正功 B．压强保持不变 C．向外界放热 D．内能减少【答案】  A【解析】A．理想气体从状态a变化到状态b，体积增大，理想气体对外界做正功，A正确；B．由题图可知V = V0 + kT根据理想气体的状态方程有联立有可看出T增大，p增大，B错误；D．理想气体从状态a变化到状态b，温度升高，内能增大，D错误；C．理想气体从状态a变化到状态b，由选项AD可知，理想气体对外界做正功且内能增大，则根据热力学第一定律可知气体向外界吸收热量，C错误。故选A。20．（2022·湖北·高考真题）一定质量的理想气体由状态a变为状态c，其过程如p—V图中a→c直线段所示，状态b对应该线段的中点。下列说法正确的是（   ）A．a→b是等温过程B．a→b过程中气体吸热C．a→c过程中状态b的温度最低D．a→c过程中外界对气体做正功【答案】  B【解析】AB．根据理想气体的状态方程可知a→b气体温度升高，内能增加，且体积增大气体对外界做功，则W < 0，由热力学第一定律U = W + Q可知a→b过程中气体吸热，A错误、B正确；C．根据理想气体的状态方程可知，p—V图像的坐标值的乘积反映温度，a状态和c状态的坐标值的乘积相等，而中间状态的坐标值乘积更大，a→c过程的温度先升高后降低，且状态b的温度最高，C错误；D．a→c过程气体体积增大，外界对气体做负功，D错误。故选B。21．（2021·江苏·高考真题）如图所示，一定质量理想气体被活塞封闭在气缸中，活塞的面积为S，与气缸底部相距L，气缸和活塞绝热性能良好，气体的压强、温度与外界大气相同，分别为和。现接通电热丝加热气体，一段时间后断开，活塞缓慢向右移动距离L后停止，活塞与气缸间的滑动摩擦为f，最大静摩擦力等于滑动摩擦力，整个过程中气体吸收的热量为Q，求该过程中（1）内能的增加量；（2）最终温度T。【答案】  （1）；（2）【解析】（1）活塞移动时受力平衡气体对外界做功根据热力学第一定律解得（2）活塞发生移动前，等容过程活塞向右移动了L，等压过程且解得22．（2020·山东·高考真题）一定质量的理想气体从状态a开始，经a→b、b→c、c→a三个过程后回到初始状态a，其p-V图像如图所示。已知三个状态的坐标分别为a（V0， 2p0）、 b（2V0，p0）、c（3V0，2p0） 以下判断正确的是（　　）A．气体在a→b过程中对外界做的功小于在b→c过程中对外界做的功B．气体在a→b过程中从外界吸收的热量大于在b→c过程中从外界吸收的热量C．在c→a过程中，外界对气体做的功小于气体向外界放出的热量D．气体在c→a过程中内能的减少量大于b→c过程中内能的增加量【答案】  C【解析】A．根据气体做功的表达式可知图线和体积横轴围成的面积即为做功大小，所以气体在过程中对外界做的功等于过程中对外界做的功，A错误；B．气体从，满足玻意尔定律，所以所以，根据热力学第一定律可知气体从，温度升高，所以，根据热力学第一定律可知结合A选项可知所以过程气体吸收的热量大于过程吸收的热量，B错误；C．气体从，温度降低，所以，气体体积减小，外界对气体做功，所以，根据热力学第一定律可知，放出热量，C正确；D．理想气体的内能只与温度有关，根据可知从所以气体从过程中内能的减少量等于过程中内能的增加量，D错误。故选C。