章末综合检测(3) 热力学定律（Word练习）-【优化指导】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册（教科版2019）

章末综合检测(三)　热力学定律 (时间：75分钟　满分：100分) 一、选择题(本题共12小题，共40分。在每小题给出的四个选项中，第1～8题只有一项符合题目要求，每小题3分；第9～12题有多项符合题目要求，每小题4分，全部选对的得4分，选对但不全的得2分，有选错的得0分) 1．某校中学生参加某电视台“异想天开”节目的活动，他们提出了下列四个设想方案，从理论上讲可行的是(　　) A．制作一个装置从海水中吸收内能并全部用来做功 B．制作一种制冷设备，使温度降至绝对零度以下 C．在房屋顶盖上安装太阳能板，可以用太阳能来解决照明和热水问题 D．汽车尾气中的各类有害气体排入大气后严重污染了空气，想办法使它们自发地分离，既清洁了空气，又变废为宝 C　解析：根据热力学第二定律知，在不产生其他影响时，内能不能全部转化为机械能，因此从海水中吸收内能并全部用来做功而不产生其他影响是不可能实现的，A错误；绝对零度是温度的极值，使温度降至绝对零度以下是不可能的，B错误；在房屋顶盖上安装太阳能板，利用太阳能来解决照明和热水问题是可以的，C正确；有害气体和空气不可能自发地分离，违反热力学第二定律的方向性，D错误。 2．在绝热汽缸中用绝热活塞封闭了一定质量的理想气体，温度为T1，压强为p1，如图甲所示。在活塞上放一个物块，经过一段时间后气体达到新的平衡态，温度为T2，压强为p2，如图乙所示。下列说法正确的是(　　) A．T2与T1相等 B．p2一定大于p1 C．气体对外做功 D．气体内能减小 B　解析：初始时汽缸内气体的压强p1＝p0＋，在活塞上放一个物块M，经过一段时间后气体达到新的平衡态，气体的压强p2＝p0＋，故p2一定大于p1，B正确；在活塞上放一个物块，经过一段时间后气体达到新的平衡态，绝热汽缸气体的体积减小，外界对气体做功，气体内能增加，C错误，D错误；对一定质量的理想气体，气体内能增加，温度升高，T2大，A错误。 3．骑自行车既是安全、绿色的出行方式之一，又是比较不错的有氧运动。山地自行车安装了气压式减震装置来抵抗颠簸从而受到不少人的喜爱，其原理如图所示。如果路面不平，随着骑行时自行车的颠簸，活塞上下振动，下列说法正确的是(　　) A．活塞迅速下压时汽缸内的气体对外界做负功 B．活塞迅速下压时汽缸内的气体温度可能减小 C．活塞迅速下压时汽缸内的气体的压强变小 D．活塞迅速下压时汽缸内的气体的内能减小 A　解析：根据题意可知，活塞迅速下压时外界对气体做功且来不及热交换，根据热力学第一定律，气体的内能增大，温度升高，汽缸内的气体分子平均动能增大，气体的体积减小，则气体压强增大，A正确。 4．在飞机起飞的过程中，由于高度快速变化，会引起机舱内气压变化，乘客小周同学观察发现，在此过程中密封桶装薯片的薄膜盖子凸起，如图所示。若起飞前后桶内气体的温度保持不变，则下列关于桶内气体(可视为理想气体)的说法正确的是(　　) A．桶内气体从外界吸收热量 B．桶内气体分子平均动能变小 C．桶内气体压强增大 D．桶内气体对外做功，内能减小 A　解析：由于理想气体温度不变，则内能不变，即ΔU＝0，理想气体体积变大，气体对外做功，则W<0，根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W，可知Q>0，桶内气体从外界吸收热量，A正确，D错误；桶内气体的温度保持不变，则桶内气体分子平均动能不变，B错误；根据玻意耳定律可知，气体的体积变大，则桶内气体压强减小，C错误。 5．中国制造的列车空气弹簧实现了欧洲高端铁路市场全覆盖，空气弹簧安装在列车车厢底部，可以起到有效减震、提升列车运行平稳性的作用。空气弹簧主要由活塞、汽缸及密封在汽缸内的一定质量气体构成。列车上下乘客及剧烈颠簸均会引起车厢震动。上下乘客时汽缸内气体的体积变化较慢，气体与外界有充分的热交换；剧烈颠簸时汽缸内气体的体积变化较快，气体与外界来不及热交换。若外界温度恒定，汽缸内气体视为理想气体，则(　　) A.乘客上车造成气体压缩的过程中，空气弹簧内气体的内能增加 B．乘客上车造成气体压缩的过程中，空气弹簧内气体分子的平均动能减小 C．剧烈颠簸造成气体压缩的过程中，空气弹簧内气体压强可能不变 D．剧烈颠簸造成气体压缩的过程中，单位时间内与器壁碰撞的分子数增多 D　解析：乘客上车时汽缸内气体被缓慢压缩，气体与外界有充分的热交换，则气体温度不变、内能不变，空气弹簧内气体分子的平均动能不变，A、B错误；剧烈颠簸时汽缸内气体的体积变化较快，气体与外界来不及热交换，即Q＝0，在气体压缩的过程中，外界对气体做正功，即W＞0，根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W，可得ΔU＞0，即气体的内能增加，温度升高，根据理想气体状态方程＝C，可知气体的压强增大，因为体积减小，分子数密度增大；温度升高，分子运动剧烈，所以单位时间内与器壁碰撞的分子数增多，C错误，D正确。 6．如图所示，密封的矿泉水瓶中，距瓶口越近的水温度越高。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，小瓶下沉到底部；松开后，小瓶缓慢上浮。上浮过程中，小瓶内气体(　　) A．内能减少 B．对外界做负功 C．增加的内能大于吸收的热量 D．增加的内能小于吸收的热量 D　解析：上浮过程中，小瓶内的气体将吸收热量，温度升高，因此内能增大，A错误；上浮过程中，小瓶内的气体压强减小，体积增大，因此对外界做了正功，B错误；小瓶内的气体内能增大，同时对外界做了正功，根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W可知，气体增加的内能小于气体吸收的热量，故C错误，D正确。 7．如图所示，野外生存需要取火时，可以用随身携带的取火装置，在铜制活塞上放置少量易燃物，将金属筒套在活塞上迅速下压，即可点燃易燃物。在此过程中，若认为筒内气体与外界无热交换，忽略气体分子间相互作用，则筒内封闭气体(　　) A．对外做负功，分子的平均动能增大 B．对外做正功，内能增大 C．对外做正功，分子的平均动能减小 D．对外做负功，内能减小 A　解析：迅速下压过程中，气体体积变小，气体对外做负功，外界对气体做正功，即W>0，气体与外界无热交换，是绝热过程，即Q＝0，根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W，可知ΔU>0，气体内能增大，温度升高，分子平均动能增大，A正确，B、C、D错误。 8．如图所示，在玻璃瓶中放入少量水，用中间插有玻璃管的橡皮塞盖紧瓶口，然后往瓶中打气，当气压达到足够大时，橡皮塞从瓶口冲出，原来透明的瓶内充满了白雾，这一实验现象表明(　　) A．气体对外界做功，瓶内气体温度升高，内能减少 B．外界对气体做功，瓶内气体温度升高，内能增加 C．气体对外界做功，瓶内气体温度降低，内能减少 D．外界对气体做功，瓶内气体温度降低，内能增加 C　解析：雾是小液滴，它是由水蒸气的液化而形成的。其具体过程是：瓶内的气体压强增大到一定程度，对瓶塞做功，将瓶塞打出，气体对外做功，将内能转化为机械能，气体的内能减少，温度降低，瓶中的水蒸气遇冷液化而形成白雾，C正确，A、B、D错误。 9．(2024·河北卷)如图所示，水平放置的密闭绝热汽缸被导热活塞分成左右两部分，左侧封闭一定质量的理想气体，右侧为真空，活塞与汽缸右壁中央用一根轻质弹簧水平连接。汽缸内壁光滑且水平长度大于弹簧自然长度，弹簧的形变始终在弹性限度内且体积忽略不计。活塞初始时静止在汽缸正中间，后因活塞密封不严发生缓慢移动，活塞重新静止后(　　) A．弹簧恢复至自然长度 B．活塞两侧气体质量相等 C．与初始时相比，汽缸内气体的内能增加 D．与初始时相比，活塞左侧单位体积内气体分子数减少 ACD　解析：初始状态活塞受到左侧气体向右的压力和弹簧向左的弹力处于平衡状态，弹簧处于压缩状态。因活塞密封不严，可知左侧气体向右侧真空漏出。左侧气体压强变小，右侧出现气体，对活塞有向左的压力，最终左、右两侧气体压强相等，且弹簧恢复原长，A正确；由题知活塞初始时静止在汽缸正中间，但由于活塞向左移动，左侧气体体积小于右侧气体体积，则左侧气体质量小于右侧气体质量，B错误；密闭的汽缸绝热，与外界没有能量交换，但弹簧弹性势能减少了，可知气体内能增加，C正确；初始时气体在左侧，最终气体充满整个汽缸，则初始左侧单位体积内气体分子数应该是最终左侧的两倍，D正确。 10．如图所示，在足够长的光滑斜面上，用细线拴着一端封闭的导热玻璃管。玻璃管内部液柱封闭了一定质量的理想气体，外界温度不变，玻璃管和液柱均处于静止状态。当剪断细线下滑稳定后，以下说法正确的是(　　) A．封闭气体的长度将变短 B．封闭气体压强小于外界大气压 C．玻璃管内壁单位时间内单位面积上所受气体分子撞击次数增加 D．封闭气体内能减小 AC　解析：玻璃管沿斜面下落过程处于失重状态，封闭气体压强变大，根据玻意耳定律可知，封闭气体的长度将变短，A正确；由于玻璃管处于失重状态，液柱受到两边气体压强大小相等，封闭气体压强等于外界大气压，B错误；封闭气体压强变大，但环境温度不变，气体分子平均速率不变，所以玻璃管内壁单位时间内单位面积上所受气体分子撞击次数增加，C正确；由于环境温度不变，封闭气体内能不变，D错误。 11．一消毒水简易喷洒装置如图所示，内部装有一定量的水，水上部是密封的空气，喷洒口管径细小。现保持阀门紧闭，通过打气筒再充入一些空气。设所有过程温度保持不变，下列说法正确的是(　　) A．充气后，密封气体分子单位时间撞击器壁次数增多 B．充气后，密封气体的分子平均动能增大 C．打开阀门后，密封气体对外界做正功 D．打开阀门后，密封气体从外界吸热 ACD　解析：充气后，气体质量增大，分子数密度增大，密封气体分子单位时间撞击器壁次数增多，A正确。温度是分子平均动能的标志，因为温度不变，所以密封气体的分子平均动能不变，B错误。打开阀门后，密封气体体积增大，气体对外界做正功，C正确。打开阀门后，气体对外界做正功，有W＜0，而温度不变，有ΔU＝0，根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W，可知Q＞0，即密封气体从外界吸热，D正确。 12．网上热卖的科普小制作——斯特林发动机如图甲所示，汽缸内的气体在一个周期的循环中经历冷却、压缩、吸热、膨胀四个过程，并实现对外做功。图乙为斯特林循环的p－V图像，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，整个过程由两个等温过程和两个等容过程组成，下列说法正确的是(　　) A．A→B过程中，气体的内能增大 B．B→C过程中，单位时间内碰撞单位面积汽缸壁的分子数增加 C．C→D过程中，气体从外界吸收的热量大于气体对外做的功 D．B→C过程中气体吸收的热量等于D→A过程中气体放出的热量 BD　解析：A→B过程中，气体的温度不变，内能不变，A错误；B→C过程中，气体的体积不变，气体的密度不变，单位体积内的分子数不变；压强增大，根据理想气体状态方程，气体的温度升高，分子的平均动能增大，分子的平均速率增大，单位时间内碰撞单位面积汽缸壁的分子数增加，B正确；C→D过程中，气体的温度不变，内能不变；又因为气体的体积增大，气体对外做功，根据热力学第一定律，气体从外界吸收的热量等于气体对外做的功，C错误；因为B→C过程中气体升高的温度等于D→A过程中气体降低的温度，所以，B→C过程中气体增加的内能ΔUBC，等于D→A过程中气体减少的内能ΔUDA，即ΔUBC＝ΔUDA，又因为QBC吸＝ΔUBC ，QDA放＝ΔUDA ，所以QBC吸＝QDA放 ，B→C过程中气体吸收的热量等于D→A过程中气体放出的热量，D正确。 二、非选择题(本题共4小题，共60分) 13．(12分)如图所示，一粗细均匀的细管开口向上竖直放置，管内有一段高度为4.0 cm的水银柱，水银柱下密封了一定质量的理想气体，水银柱上表面到管口的距离为2.0 cm。若将细管倒置，水银柱下表面恰好位于管口处，且无水银滴落，管内气体温度与环境温度相同。已知大气压强为76 cmHg，环境温度为297 K。 (1)细管倒置后，气体吸热还是放热； (2)求细管的长度； (3)若在倒置前，缓慢加热管内被密封的气体，直到水银柱的上表面恰好与管口平齐为止，求此时密封气体的温度。 答案：(1)吸热　(2)24 cm　(3)330 K 解析：(1)细管倒置后，由于气体体积变大，气体对外做功，而气体温度最终不变，内能不变，由： ΔU＝W ＋Q 可知气体吸热。 (2)设细管的长度为L，横截面的面积为S，水银柱高度为h；初始时，设水银柱上表面到管口的距离为h1，被密封气体的体积为V，压强为 p; 细管倒置时，气体体积为V1，压强为 p1 由玻意耳定律有 pV＝p1V1 由力的平衡条件可得，细管倒置前后，管内气体压强有 p＝p0＋pgh＝80 cmHg p1＝p0－ρgh＝72 cmHg 式中，ρ、g分别为水银的密度和重力加速度的大小， p0为大气压强。由题意有 V＝S(L－h1－h) V1＝S(L－h) 联立解得 L＝24 cm。 (3)设气体被加热前后的温度分别为T0和T，由盖­吕萨克定律有 ＝ 解得T＝330 K。 14．(15分)如图，内壁光滑的汽缸竖直放置在水平桌面上，用活塞封闭一定质量的理想气体。活塞上表面水平，下表面倾斜，倾斜面与左壁的夹角为θ，质量为20 kg，活塞的上表面的面积为S＝2×10－3 m2，状态A体积为VA＝4×10－4 m3，温度为TA＝300 K，大气压强p0＝1×105 Pa，当对气体缓慢加热，气体从状态A变为状态B时，活塞上界面上移h＝10 cm，气体吸收热量280 J。求： (1)气体达到状态B时的温度为多少？ (2)气体从状态A变为状态B过程中内能改变了多少？ 答案：(1)TB＝450 K　(2)ΔU＝240 J 解析：(1)如题图所示，对活塞，竖直方向上由力的平衡得(活塞的下表面的面积记为S′) pS′sin θ＝pS＝mg＋p0S 代入数据得 p＝2×105 Pa 从状态A到状态B，由盖­吕萨克定律得 ＝ 代入数据得 TB＝450 K。 (2)从状态A到状态B，气体对外做功为 W＝pSh＝40 J 由热力学第一定律得 ΔU＝Q－W 代入数据得 ΔU＝240 J。 15．(15分)制作“吸管潜水艇”是深受小朋友喜爱的科学实验，如图所示，将吸管对折后用回形针固定，然后管口竖直向下插入装有水的矿泉水瓶中，使吸管顶部露出水面，最后用盖子封紧矿泉水瓶。实验时，用力按压瓶身，“潜水艇”就会沉入水底，松开手后，“潜水艇”又浮出水面。设水面上方的封闭气体体积为V0，压强为p0，吸管内封闭气体的体积为V，“吸管潜水艇”的总质量为m，水的密度恒为ρ，气体温度始终保持不变，所有气体视为理想气体。 (1)缓慢挤压瓶身时，瓶内封闭气体的内能如何变化？吸热还是放热？ (2)挤压瓶身使“潜水艇”恰好悬浮在水中时，水面上方的气体体积减小了多少？(不考虑吸管厚度和回形针的体积，吸管内外液面高度差产生的压强远小于大气压，即管内外气压始终相等) 答案：(1)不变　放热　(2)V0 解析：(1)环境温度不变，则瓶内封闭气体发生等温变化，故内能保持不变，即ΔU＝0 挤压瓶身时，水面上方气体体积减小，外界对气体做功，即W>0 根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W 则Q<0 即气体对外放热。 (2)设“潜水艇”悬浮时，吸管内部封闭气体的压强为p1，体积为V1，根据平衡条件得 ρgV1＝mg 解得V1＝ 对吸管内的气体，根据玻意耳定律 p0V＝p1V1 解得p1＝ 设水面上方的气体体积减小ΔV，对水面上方的气体，根据玻意耳定律 p0V0＝p1(V0－ΔV) 解得ΔV＝V0。 16．(18分)火罐和抽气罐是中医拔罐的两种方式，如图所示，火罐下端开口，上端封闭；抽气罐下端开口，上端留有抽气阀门。用火罐时，先用火加热罐中气体，然后迅速按到皮肤上，降温后火罐内部气压低于外部大气压，使火罐紧紧吸附在皮肤上。用抽气罐时先把罐体按在皮肤上，再通过抽气降低罐内气体压强，同样使抽气罐紧紧吸附在皮肤上。某次使用火罐时，罐内气体初始温度为400 K，最终降到300 K，内能的减小量为ΔU，因皮肤凸起，内部气体体积变为罐容积的。若换用抽气罐，也可抽气后达到同样的效果。罐内气体均可视为理想气体，忽略抽气过程中气体温度的变化。求： (1)判断火罐内部气体从400 K降温到300 K过程中释放的热量Q与ΔU的大小关系？ (2)火罐内部降温到300 K时内部压强是多少？ (3)用抽气罐拔罐时，抽出气体的质量与抽气前罐内气体质量的比值？ 答案：(1)Q>ΔU　(2)0.8p0　(3) 解析：(1)根据热力学第一定律 －ΔU＝－Q＋W，即ΔU＝Q－W 气体体积减小，W>0，所以Q>ΔU。 (2)设火罐内气体初始状态参量分别为p1、T1、V1，温度降低后状态参量分别为p2、T2、V2，罐的容积为V0，由题意知p1＝p0、T1＝400 K、V1＝V0、T2＝300 K、V2＝，由理想气体状态方程得 ＝ 代入数据得p2＝0.8p0。 (3)对于抽气罐，设初态气体状态参量分别为p3、V3，末态气体状态参量分别为p4、V4，罐的容积为V0，由题意知p3＝p0、V3＝V0、p4＝p2，由玻意耳定律得p0V0＝p2V4 代入数据得V4＝V0 设抽出的气体的体积为ΔV，由题意知 ΔV＝V4－V0 故应抽出气体的质量与抽气前罐内气体质量的比值为 ＝ 代入数据得 ＝。 学科网（北京）股份有限公司 $$