人教版高中物理选择性必修三同步讲义第三章《热力学定律》综合练习（2份，原卷版+解析版）

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第三章《热力学定律》综合练习一．选择题（共12小题）1．下列说法正确的是（　　）A．热机中燃气的内能能够全部变成机械能 B．电流对电热丝做功消耗的电能可以全部转变成内能 C．第二类永动机不可能制成，因为它违反能量守恒定律 D．满足能量守恒定律的物理过程都能自发进行【解答】解：A.热机中燃气的内能除了一部分转化为机械能外，还有很大一部分转化为热能而损失掉，故A错误；B.电流对电热丝做功能把电能全部转化为内能，故B正确；C.第二类永动机也不可能制成，虽然它不违反能量守恒定律，但它违背机械能和内能转化具有方向性的原理，故C错误；D.满足能量守恒定律的物理过程不一定都能自发进行，比如热量不能自发的从低温物体传递给高温物体，故D错误。故选：B。2．（2023秋•北辰区月考）一定质量的理想气体温度不变时，体积减小，压强增大，下列说法中正确的是（　　）A．气体分子的平均动能增大 B．气体的分子势能增大 C．单位时间内撞击器壁上单位面积的分子数增加 D．气体从外界吸收热量【解答】解：A、温度是分子平均动能的标志，温度不变，气体分子的平均动能不变，故A错误；B、理想气体不考虑分子势能，故B错误；C、体积减小，单位体积内的分子数增加，温度不变，分子的平均动能不变，则单位时间内撞击器壁上单位面积的分子数增加，故C正确；D、一定质量的理想气体温度不变，内能不变，体积减小，外界对气体做功，根据热力学第一定律可知，气体对外界放出热量，故D错误。故选：C。3．（2022秋•郴州期末）关于能源，下列说法正确的是（　　）A．根据能量守恒定律，我们不需要节约能源 B．化石能源、水能和风能都是不可再生的能源 C．华龙一号（核电技术电站）工作时，它能把核能转化为电能 D．能量的转化、转移没有方向性【解答】解：A．虽然能量是守恒的，但能量耗散使在环境中的内能再也不能被人类利用，即能量的可利用率越来越低，能量的品质越来越低，不能被人们利用，方便使用的能源在减少，故我们仍需要节约能源，故A错误；B．化石能源是不可再生能源，水能和风能都是可再生的能源，故B错误；C．华龙一号（核电技术电站）工作时，它能把核能转化为电能，故C正确；D．根据热力学第二定律可知，有些能量的转化、转移具有方向性，如机械能和内能的相互转化，故D错误。故选：C。4．（2022秋•杨浦区校级期末）目前，我国大力发展新能源汽车产业，新能源车的出现，在减少尾气排放、保护生态环境、节省油气资源等方面，产生立竿见影的效果，下列关于新能源汽车说法正确的是（　　）A．汽车充电时电能全部转化为汽车锂电池的化学能 B．汽车运动时消耗的电能大于输出的机械能，该过程能量不守恒 C．汽车所用的电能是清洁能源，也是一次能源 D．汽车运动时，有一部分能量转化为内能，这些内能我们无法收集起来重新利用【解答】解：A．汽车充电时电能一部分转化为汽车锂电池的化学能，一部分会转化为充电过程产生的内能，即存在能量的耗散，故A错误；B．汽车运动时消耗的电能大于输出的机械能，该过程能量守恒。故B错误；C．汽车所用的电能是清洁能源，是二次能源，不是一次能源，故C错误；D．汽车运动时，有一部分能量转化为内能，这些内能我们无法收集起来重新利用。故D正确。故选：D。5．（2023•忻州开学）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到B和C到D为等温过程，B到C和D到A为绝热过程，该循环称为卡诺循环，下列说法正确的是（　　）A．A→B过程中气体分子间的平均距离变小 B．B→C过程中气体分子的平均动能不变 C．C→D过程中气体的内能变大 D．卡诺循环气体需要向外界吸热【解答】解：A、A→B过程中，理想气体等温膨胀，分子间的平均距离变大，故A错误；B、B→C过程为绝热膨胀，气体对外界做功，内能减小，温度降低，气体分子的平均动能减小，故B错误；C、C→D过程为等温压缩，分子的平均动能不变，内能不变，故C错误；D、A→C过程中气体对外界做的功大于C→A过程中外界对气体做的功，所以在一个循环中气体对外界做功，根据热力学第一定律可知气体需要向外界吸热，故D正确。故选：D。6．（2023•天心区校级开学）2022年，兼顾低碳装置、环保宜居、复合空间、可拆卸、可移动、可长期使用的成都高新区“10m2的地球”低碳小屋在大源中央公园落成。如图所示，其顶部采用了太阳能光伏发电，可满足室内照明、多媒体播放的需求，是行走的低碳知识“宣传者”。关于光伏发电和“低碳”，下列说法正确的是（　　）A．光伏发电是将太阳表面发生核裂变释放的光能转化为电能 B．光伏发电利用的是不可再生能源，获得的电能是二次能源 C．太阳能、风能、地热能等清洁能源的转换效率可达到 100% D．能源利用中部分硫化物、碳氧化物的大量排放会对环境造成破坏【解答】解：A、光伏发电是光能转化为电能，也就是将太阳内部发生核聚变释放的光能转化为电能，故A错误；B、光伏发电利用的是太阳能，太阳能属于可再生能源，获得的电能是二次能源，故B错误；C、实际生产和生活中转换效率不可能达到100%，故C错误；D、能源利用中部分硫化物、碳氧化物的大量排放会对环境造成破坏，故D正确。故选：D。7．（2023秋•官渡区校级期中）“神舟”六号载人飞船上的电子仪器及各种动作的控制都是靠太阳能电池供电的，由于光照而产生电动势的现象称为光伏效应。“神舟”飞船上的太阳能电池就是依靠光伏效应设计的单晶硅太阳能电池。在正常照射下，太阳能电池的光电转换效率可达30%。单片单晶硅太阳能电池可产生0.6V的电动势，可获得0.1A的电流，则每秒照射到这种太阳能电池上的太阳光的能量是（　　）A．0.6J B．0.3J C．0.2J D．0.06J【解答】解：每秒照射到这种太阳能电池上的太阳光的能量是ΔE=IEtη=0.1×0.6×10.3J=0.2J，故ABD错误，C正确。故选：C。8．（2023秋•汕头期中）如图1所示为东汉杜诗发明的“杜诗水排”，如图2是其水排装置图。当水流带动下卧轮转动时，通过转轴带动上卧轮转动，最后依靠弦索带动小轮完成后续的动力传动。a、b、c分别位于下卧轮、上卧轮和小轮的边缘，下列说法正确的是（　　）A．c点的线速度小于b点的线速度 B．a点的线速度大于b点的线速度 C．弦索对小轮的摩擦力方向与小轮转动方向相反 D．该装置能够将河水的重力势能全部转化为水排的机械能【解答】解：A.由图知c点与b点位于轮的边缘，且通过弦索传动，所以两者的线速度大小相等，故A错误；B.a点与b点在同一个轴上，两者的角速度相等，且线速度正比于半径，a点半径大于b点半径，所以a点线速度大于b点线速度，故B正确；C.弦索对小轮的摩擦力对小轮提供动力，方向和小轮的运动方向相同，故C错误；D.由于该装置存在摩擦阻力等影响，所以该装置不能将水的重力势能全部转化为水排的机械能，故D错误；故选：B。9．（2023秋•莱芜区校级期中）对于一定量的理想气体，经过下列过程，其初始状态的内能与末状态的内能一定变化的是（　　）A．等温增压后再等温膨胀 B．等压膨胀后再等温压缩 C．等容减压后再等压膨胀 D．等容增压后再等压压缩【解答】解：A、等温增压后再等温膨胀，气体温度不变，内能不变，即初始状态的内能一定等于未状态的内能，故A错误；B、等压膨胀过程，由盖一吕萨克定律得，气体温度升高，则气体内能增大，等温压缩过程，温度不变，气体内能不变，则气体初始状态的内能一定小于末状态的内能，故B正确；C、等容减压过程，由查理定律得，气体温度降低，则气体内能减小，等压膨胀过程，由盖一吕萨克定律得，气体温度升高，则气体内能增大，气体内能先减小后增大，初始状态的内能与末状态的内能可能相等，故C错误；D、等容增压过程，由查理定律得，气体温度升高，则气体内能增大，等压压缩过程，由盖一吕萨克定律得，气体温度降低，则气体内能减小，气体内能先增大后减小，初始状态的内能与末状态的内能可能相等，故D错误；故选：B。10．（2023春•弥勒市校级期末）抽水蓄能电站可以在用电低谷时，将电网中多余的电能转化为水的重力势能；在用电高峰时，再将水的重力势能转化为电能输回电网，假定多余电能为5×104kW•h，这部分多余的电能经储存再回到电网过程中将损失44%，则此蓄能电站能给电网补充的电能为（　　）A．2.2×104kW•h B．2.8×104kW•h C．3.5×104kW•h D．5×104kW•h【解答】解：此蓄能电站能给电网补充的电能为：Q＝5×104kW•h×（1﹣44%）＝2.8×104kW•h，故B正确，ACD错误。故选：B。11．（2022秋•金华期末）下表是某共享电动汽车的主要参数，根据信息，下列说法正确的是（　　）A．工作时，电动汽车的电动机是将机械能转化成电池的化学能 B．电池充满电时的电荷量为1.8×108C C．标准承载下，电动汽车以72km/h的速度匀速行驶10min所用电能为2.4kW•h D．若标准承载下汽车以120km/h速度匀速行驶，汽车电动机输出功率不小于30kW【解答】解：A、工作时，电动汽车的电动机是将电能转化成机械能，故A错误；B、由公式W＝Pt得电池充满电时的电能为W＝50kW•h＝50×1000×3600J＝1.8×108J所以50kW•h为充满电时的电能不是电荷量，根据题目已知信息无法求得电池充满电时的电荷量，故B错误；C、标准承载下，电动汽车以v＝72km/h＝20m/s的速度匀速行驶时，F＝0.09mg功率P＝Fv＝0.09mgv＝0.09×（800+200）×10×20W＝1.8×104W＝18kW如果电能全部转化为机械能时，根据W＝Pt＝18kW•1060h＝3kW•h但实际过程中电能不可能全部转化为机械能，所以耗电量大于3kW•h，故C错误；D、若标准承载下汽车速度能达120km/h，功率P＝Fv2＝0.09mgv2＝0.09×（800+200）×10×1203.6W＝30000W＝30kW，则汽车电动机最大输出功率不小于30kW，故D正确。故选：D。12．（2023秋•兴庆区校级期中）风力发电已成为我国实现“双碳”目标的重要途径之一。如图所示，风力发电机是一种将风能转化为电能的装置。某风力发电机在风速为9m/s时，输出电功率为405kW，风速在5～10m/s范围内，转化效率可视为不变。该风机叶片旋转一周扫过的面积为A，空气密度为ρ，风场风速为v，并保持风正面吹向叶片。则下列说法中正确的是（　　）A．该风力发电机的输出电功率与风速成正比 B．单位时间流过面积A的流动空气动能为12ρAv2 C．若每天平均有1.0×108kW的风能资源，则每天发电量为2.4×109kW•h D．若风场每年有5000h 风速在6～10m/s范围内，则该发电机年发电量至少为6.0×104kW•h【解答】解：AB、单位时间内流过面积A的流动空气体积：V0＝A•vt＝Av单位时间流过面积A的流动空气质量：m0＝ρV0＝ρAv单位时间流过面积A的流动空气动能：Ek=12m0v2=12×ρAv×v3=12ρAv3设转化效率为η，转化成的电能为：E＝η•Ek=12ηρStv3该风力发电机的输出电功率P=Et=12ηρSv3，则该风力发电机的输出电功率与风速的三次方成正比，故AB错误；C、由于风力发电存在转化效率，若每天平均有1.0×108kW的风能资源，则每天发电量约为W＝η•Pt＝η×1.0×108kW×24h＝2.4η×109kW•h＜2.4×109kW•h，故C错误；D、由题意可知风力发电机在风速为v＝9m/s时，输出电功率为P＝405kW由P=Et=12ρSv3，可得PP1=v3v13=9363代入数据可得风速为v1＝6m/s时的输出功率：P1＝120kW若风场每年有5000h风速在6～10m/s的风能资源，则该发电机年发电量：E′＝P1•t＝120kW×5000h＝6.0×105kW•h，故D正确；故选：D。二．多选题（共3小题）（多选）13．（2022秋•甘谷县校级期末）电动汽车是近几年国家提倡的流行汽车，其电池包括铅酸蓄电池、镍基电池、钠硫电池、二次锂电池、空气电池等，现有一辆汽车装有镍基电池，对于其工作原理，下列说法正确的是（　　）A．工作时化学能转化为电能和内能 B．充电时化学能转化为电能和内能 C．工作时电能转化为化学能和内能 D．充电时电能转化为化学能和内能【解答】解：AC、电池工作时化学能转化为电能，同时由于用电元件发热，也转化为部分内能，故A正确，C错误；BD、充电时电能转化为化学能，同时由于用电元件发热，也转化为部分内能，故B错误，D正确。故选：AD。（多选）14．（2023春•泸西县校级期末）下列关于热机的说法中，正确的是（　　）A．热机是把内能转化成机械能的装置 B．热机是把机械能转化为内能的装置 C．只要对内燃机不断进行革新，它可以把燃料燃烧释放的内能全部转化为机械能 D．即使没有漏气，也没有摩擦等能量损失，内燃机也不可能把内能全部转化为机械能【解答】解：AB.热机是把内能转化为机械能的装置，故A正确，B错误；CD.根据热力学第二定律可知，热机不可能从单一热源取热使之完全转换为有用的功而不产生其他影响，因此内燃机的效率不可能达到百分百，即内燃机不能把内能全部转化为机械能，故C错误，D正确。故选：AD。（多选）15．（2023•和平区二模）气压式升降椅通过气缸上下运动来调节椅子的升降，其简易结构如图所示，圆柱形气缸与椅面固定连接，柱状气缸杆与底座固定连接，可自由移动的气缸与气动杆之间封闭一定质量的理想气体，设气缸气密性、导热性良好，忽略摩擦力，设气体初始状态为A，某人坐上椅面后，椅子缓慢下降一段距离达到稳定状态B，然后打开空调，一段时间后，室内温度降低到设定温度，稳定后气体的状态为C（此过程中人的双脚一直悬空），下列判断正确的是（　　）A．从A到B的过程中气体从外界吸热 B．从A到B的过程中气体压强增大 C．从B到C的过程中气体压强增大 D．从B到C的过程中气体向外放热【解答】解：AB．分析题意可知，封闭气体经历A→B是等温变化，内能不变，人坐上椅面，理想气体体积减小，根据玻意耳定律P1V1＝P2V2，可知气体压强增大。因为压缩气体所以外界对气体做功，即W＞0，根据热力学第一定律可知ΔU＝Q+W＝0可知Q＜0即气体向外界放热。故A错误，B正确；CD．封闭气体经历从B→C的过程中，根据人的双脚一直悬空可知人对椅面的压力大小不变，又因为椅面的面积不变则理想气体的压强不变，随着室温降低则内能减小，根据盖—吕萨克定律V1T1=V2T2，可知气体体积减小，外界对气体做功，即W＞0，根据热力学第一定律ΔU＝Q+W＜0可知Q＜0即气体向外界放热。故C错误，D正确。故选：BD。三．填空题（共3小题）16．（2023春•厦门期末）1834年，克拉伯龙发表了《论热的驱动能力》一文，指出效率最高的热机循环只能由绝热过程和等温过程构成。如图所示，一定量的理想气体从状态A经等温过程AB、绝热过程BC、等温过程CD、绝热过程DA后，又回到状态A。其中，过程AB中气体的温度为T1、过程CD中气体的温度为T2，则T1　大于　T2（选填“大于”或“小于”），过程AB中气体会 　吸收　（选填“释放”或“吸收”）热量。【解答】解：由于B到C过程中气体绝热膨胀、气体对外做功，根据热力学第一定律ΔU＝W+Q可知，气体内能减小、温度降低，则T1大于T2；一定质量的理想气体从状态A经等温变化到B，气体膨胀、对外做功、内能不变，根据热力学第一定律ΔU＝W+Q可知，气体会吸收热量。故答案为：大于；吸收。17．（2023•鲤城区校级一模）一定质量的理想气体从状态A变化到状态B，再从状态B变化到状态C，其压强随温度的变化关系如图所示，图线的横轴是摄氏温度t，已知热力学温度T＝t+273（K），则：（1）气体在状态A时的分子数密度 　大于　（选填“大于”“小于”或“等于”）气体在状态C时的分子数密度。（2）气体从状态A经过状态B到状态C的全过程 　吸收　（选填“吸收”或“放出”）热量。【解答】解：（1）根据一定质量理想气体状态方程可得：pVT=C，解得：p=CVT若以﹣273℃为坐标原点，即为0K为坐标原点建立坐标轴，p﹣T图中某点与坐标原点连线斜率越大说明体积越小，所以A状态气体体积小于C状态气体体积，所以气体在状态A时的分子数密度大于气体在状态C时的分子数密度。（2）气体从状态A到状态B过程中，体积不变，温度升高，气体吸收热量；气体从B到状态C的过程中做等温变化，体积增大、对外做功、内能不变，根据ΔU＝Q﹣W可知，气体吸收热量；所以气体从状态A经过状态B到状态C的全过程吸收热量。故答案为：大于；吸收。18．（2023•鼓楼区校级二模）继共享单车进入人们的日常生活之后，共享电动汽车也在各个城市出现。如表所示为某款电动汽车的参数，若某次充满电后在平直路面驾驶时，该车载重为100kg，所受阻力为车与载重总重力的0.02倍，重力加速度g取10m/s2。该电动汽车的最大行驶速度为 　90　km/h，该车以额定功率行驶时最长行驶时间为 　5　h，电池充满电后储存的能量为 　5.4×107　J。【解答】解：汽车所受阻力f＝0.02（M+m）g＝0.02×（500+100）×10N＝120N电动汽车的最大行驶速度为vm=P额f=3000120m/s＝25m/s＝90km/h电动车放电电流为I=P额U=300060A＝50A该车以额定功率行驶时最长行驶时间为t=qI=25050h＝5h电池充满电后储存的能量为E＝UIt＝Uq＝60×250×3600J＝5.4×107J故答案为：90，5，5.4×107。四．计算题（共3小题）19．（2023春•富平县期末）如图所示，绝热气缸倒扣放置，质量为M的绝热活塞在气缸内封闭一定质量的理想气体，活塞与气缸间摩擦可忽略不计，活塞下部空间与外界连通，气缸底部连接一U形细管（管内气体的体积忽略不计）。初始时，封闭气体温度为T，活塞距离气缸底部为h0，细管内两侧水银柱存在高度差。已知水银密度为ρ，大气压强为p0，气缸横截面积为S，重力加速度为g，求：（1）U形细管内两侧水银柱的高度差；（2）通过加热装置缓慢提升气体温度使活塞下降Δh0，求此时的温度；（3）此加热过程中，若气体吸收的热量为Q，求气体内能的变化。【解答】解：（1）设封闭气体的压强为p，对活塞受力分析可得ps+Mg＝p0s解得，p=p0-MgS又Δp＝p0﹣p＝ρgΔh解得Δh=MρS；（2）活塞下降过程，密闭气体做等压变化，则Sh0T=S(h0+Δh0)T' 解得此时温度T'＝（1+Δh0h0）T；（3）气体对外做功为：W＝pSΔh0＝（p0S﹣Mg）Δh0；根据热力学第一定律得：W+Q＝ΔU，解得：ΔU＝Q﹣（p0S﹣Mg）Δh0。20．（2023•慈溪市校级开学）如图，一台四冲程内燃机，活塞在压缩冲程某段时间内移动的距离为0.1m，这段过程活塞对气体的压力逐渐增大，其做的功相当于2×103N的恒力使活塞移动相同距离所做的功（如图甲）。内燃机工作时汽缸温度高于环境温度，该过程中压缩气体传递给汽缸的热量为25J。（1）求上述压缩过程中气体内能的变化量；（2）燃烧后的高压气体对活塞做功，气体推动活塞移动0.1m，其做的功相当于9×103N的恒力使活塞移动相同距离所做的功（如图乙），该做功过程气体传递给汽缸的热量为30J，求此做功过程气体内能的变化量。【解答】解：（1）压缩气体过程中，外界对气体做功，则W＝Fl＝2×103×0.1J＝200J压缩气体传递给汽缸的热量为25J，则气体放出的热量为Q＝﹣25J由热力学第一定律可得内能的变化量ΔU＝W+Q＝200J﹣25J＝175J（2）气体推动活塞做的功W′＝F′l＝9×103×0.1J＝900J气体传递给汽缸的热量为30J，则气体放出的热量为Q′＝﹣30J由热力学第一定律可得气体内能的变化量ΔU′＝﹣W′+Q′＝﹣900J﹣30J＝﹣930J21．（2023•市中区校级一模）单级水火箭可以简化为如图（a）所示的下方开口的容器。容器中气体体积V＝3L，压强p0＝1×105Pa，下方水的深度h＝50cm。单向气阀（不计质量）是一个只能朝一个方向通入气体的装置，它外部为橡胶材质，将其紧紧塞在容器口位置可将水堵住还能向容器内进行充气。单向气阀与容器口摩擦力的最大值f＝91.5N。现用打气筒通过单向气阀向容器内一次次的充入压强p0＝1×105Pa，V1＝300ml的气体。当容器内的气体压强到达一定值时单向气阀和容器中的水被一起喷出，水火箭可以获得一定的速度发射。已知重力加速度g＝10m/s2，容器口的横截面积S＝3×10﹣4m2，水的密度ρ＝1×103kg/m3。假设容器中的气体为理想气体，充气和喷水时忽略温度的变化。（1）求水火箭刚好喷水时容器内气体压强p；（2）求水火箭刚好喷水时的充气次数；（3）水火箭喷水过程中，容器内气体的p﹣V图像如图（b）所示，试估算容器内气体从状态a到状态b从外部吸收的热量。【解答】解：（1）对单向气阀受力分析，根据平衡条件有p0S+f＝mg+pS，h＝50cm＝0.5m解得p=p0+fS-ρgh代入数据得p＝4×105Pa（2）气体做等温变化，根据理想气体状态方程有p0V+Np0V1＝pV解得充气次数N＝30（3）由p﹣V图像可知，外界对气体做功W＝﹣208×4＝﹣832J由热力学第一定律ΔU＝W+Q＝0所以气体吸收热量Q＝832J空车质量800kg电池能量50kW•h标准承载200kg最大续航（充满电最大行驶路程）200km所受阻力与汽车总重比值（忽略空气阻力）0.09车身质量500kg输出电压60V电动机额定功率3000W电池容量250A•h充电电压220V充电时间8～10h