阶段检测练（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（鲁科版2019）

阶段检测练(三)　热力学定律 [对应学生用书P148] 一、选择题(本题12个小题，共40分。在每小题给出的四个选项中，1～8题只有一项符合题目要求，每小题3分；9～12题有多项符合题目要求，全部选对得4分，选对但不全的得2分，有选错的得0分) 1．某学生利用自行车内胎、打气筒、温度传感器以及计算机等装置研究自行车内胎打气、打气结束、突然拔掉气门芯放气与放气后静置一段时间的整个过程中内能的变化情况，车胎内气体温度随时间变化的情况如图所示。可获取的信息是(　　) A．从开始打气到打气结束的过程中由于气体对外做功，内能迅速增大 B．打气结束到拔出气门芯前由于气体对外做功，其内能缓慢减少 C．拔掉气门芯后，气体冲出内胎对外做功，其内能急剧减少 D．放气后静置一段时间，由于再次对气体做功，气体内能增大 C　解析：从开始打气到打气结束的过程是外界对车胎内气体做功，A错误；打气结束到拔出气门芯前由于热传递，车胎内气体内能减少，B错误；拔掉气门芯后，气体冲出车胎对外界做功，气体内能急剧减少，C正确；放气后静置一段时间，由于热传递车胎内气体温度上升，D错误。 2．(2021·天津蓟州一中高二期末)下列说法正确的是(　　) A．因为能量守恒，所以能源危机是不可能的 B．热力学第二定律可表述为所有自发的热现象的宏观过程都具有方向性 C．摩擦力做功的过程，必定有机械能转化为内能 D．第二类永动机不可能制造成功的原因是违背了能量守恒定律 B　解析：能量虽然是守恒的，总量不变，但是我们可以利用的能源是有限的，故一定要注意节约能源，防止能源危机，A错误；热力学第二定律可表述为所有自发的热现象的宏观过程都具有方向性，B正确；一对滑动摩擦力做功，两物体之间存在相对运动时，系统机械能转化为内能，如果没有相对运动，即一对静摩擦力做功，就没有机械能转化为内能，C错误；第二类永动机是指只需从单一热源吸收热能便能永远对外做功的动力机械，虽然不违反能量的转化和守恒定律，但是违反了热力学第二定律，D错误。 3．给质量一定、温度为0 ℃的水加热，在水的温度由0 ℃上升到4 ℃的过程中，水的体积随着温度的升高反而减小，我们称之为“反常膨胀”。某研究小组通过查阅资料知道：水分子之间存在一种结合力，这种结合力可以形成多分子结构，在这种结构中，水分子之间也存在相互作用的势能。在水反常膨胀的过程中，体积减小是由于水分子之间的结构发生了变化，但所有水分子间的总势能是增大的。关于这个问题，下列说法中正确的是(　　) A．水分子的平均动能减小，吸收的热量一部分用于分子间的结合力做正功 B．水分子的平均动能减小，吸收的热量一部分用于克服分子间的结合力做功 C．水分子的平均动能增大，吸收的热量一部分用于分子间的结合力做正功 D．水分子的平均动能增大，吸收的热量一部分用于克服分子间的结合力做功 D　解析：温度是分子平均动能的标志，温度升高，分子的平均动能增大；由题意可知，在水反常膨胀的过程中，体积减小是由于水分子之间的结构发生了变化，但所有水分子间的总势能是增大的，说明水分子之间的相互作用力对水分子做负功，即吸收的热量一部分用于克服分子间的结合力做功，D正确。 4．(2022·云南保山智源高级中学高二期中)下列说法不正确的是(　　) A．自发的热传递过程是向着分子热运动无序性增大的方向进行的 B．民间常用“拔火罐”来治疗某些疾病，方法是将点燃的纸片放入火罐内，当纸片燃烧完时，迅速将火罐开口端紧压在皮肤上，火罐就会紧紧地“吸”在皮肤上。其原因是火罐内的气体体积不变时，温度降低，压强减小 C．空调既能制热又能制冷，说明在不自发的条件下，热传递可以逆向 D．从单一热源吸收热量，使之完全变为功是提高机械效率的常用手段 D　解析：根据热力学第二定律可知，自然发生的热传递过程是向着分子热运动无序性增大的方向进行的，A正确；火罐内气体压强小于大气压强，所以火罐能“吸”在皮肤上，B正确；根据热力学第二定律可知，热量能够自发地从高温物体传递到低温物体，但不能自发地从低温物体传递到高温物体，在有外界做功的条件热传递可以逆向，C正确；从单一热源吸收热量，使之完全变为功而不产生其他影响是不可能实现的，D错误。 5．(2022·广东广州高二期末)如图所示，A、B是两个完全相同的球，分别浸没在水和水银的同一深度内，A、B两球用同一种材料制成，当温度稍微升高时，球的体积会明显变大，如果开始水和水银的温度相同，且两液体温度同时缓慢升高同一值，两球膨胀后，体积相等，仍浸没在液体中，深度相同。则(　　) A．A球吸收的热量较多 B．B球吸收的热量较多 C．两球吸收的热量一样多 D．两球对外做的功一样多 B　解析：水和水银的初温相同(两球的初温相同)，当两液体温度同时缓缓地升高同一值，二者的末温相同，所以内能变化相同，根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W，吸收的热量除了使内能增加相同的量外还要克服液体的压力做功，由于水银的密度比水的密度大，所以B球吸收的热量较多，B正确。 6．(2022·湖北高二期中)根据热力学定律，下列说法正确的是(　　) A．空调机在制冷过程中，从室内吸收的热量等于向室外放出的热量 B．科技的进步可以使内燃机成为单一热源的热机，将内能全部转化为机械能 C．导体在光滑水平U形导轨上做切割磁感线运动，最后停下来，是自发的，但金属棒不会自发地将内能转化为棒的动能运动起来 D．冰箱的使用说明热量可以自发地从低温物体传递到高温物体 C　解析：空调机在制冷过程中，压缩机要消耗电能，产生一部分内能，所以从室内吸收的热量小于向室外放出的热量，A错误；根据热力学第二定律，从单一热源吸收热量，全部用来对外做功而不引起其他变化是不可能的，B错误；导体在光滑水平U形导轨上做切割磁感线运动，会产生感应电流，导体受到安培力作用最后停下来，是自发的，但金属棒不会自发地将内能转化为棒的动能运动起来，C正确；电冰箱正常工作时，通过对制冷系统做功，冰箱内的热量可以传到冰箱外，使热量可以从低温物体传递到高温物体，D错误。 7．(2022·江苏阜宁实验高中模拟预测)一定质量的理想气体，其内能与温度成正比。在初始状态A时，气体的体积为V0、压强为p0、热力学温度为T0，该理想气体从状态A经一系列变化，最终又回到状态A，其变化过程的pT图像如图所示，其中CA的延长线过坐标原点，A、B在同一竖直线上，B、C在同一水平直线上。下列说法正确的是(　　) A．由C到A的过程中，气体的体积减小 B．从B到C的过程中，气体的每个分子的动能都增大 C．由A到B的过程中，气体从外界吸热 D．从B经过C到A的过程中，气体从外界吸收的热量为2p0V0 D　解析：从C到A过程，由理想气体状态方程可得＝，代入数据可得VC＝VA，故C到A过程中体积不变，A错误；从B到C过程，温度升高，分子平均动能增大，但并不是每个分子的动能都增大，个别分子动能也可能减小，B错误；A到B过程为等温变化，由玻意耳定律可得pAVA＝pBVB，解得VB＝＝，体积减小，外界对气体做功，即W>0气体内能不变，由热力学第一定律知，Q<0即气体对外界放热，C错误；B经过C到A的过程，气体的温度先升高后降低，则内能先增大后减小，整个过程气体的内能不变，由C项的解析可知VB＝，从B到C的过程中，气体对外界做的功为W＝3p0(－V0)＝－2p0V0，则从B经过C到A的过程中，气体吸收的热量为2p0V0，D正确。 8．(2022·宁夏贺兰景博中学高二期末)某同学将一定质量的理想气体封闭在导热性能良好的注射器内，注射器通过非常细的导气管与压强传感器相连，将整套装置置于恒温水池中。开始时，活塞位置对应刻度数为“8”，测得压强为P0。活塞缓慢压缩气体的过程中，当发现导气管连接处有气泡产生时，立即进行气密性加固。继续缓慢压缩气体，当活塞位置对应刻度数为“2”时停止压缩，此时压强为p0。则该过程中(　　) A．泄漏气体的质量为最初气体质量的 B．气泡在上升过程中会放出热量 C．在压缩气体的过程中，气体分子的平均动能变大 D．泄漏出的气体的内能与注射器内存留气体的内能相等 A　解析：对被封闭气体，如没有泄露气体，等温变化时，由玻意耳定律p0·8lS＝p0·xlS，解得x＝6，则泄露气体的质量与最初气体质量之比为4∶6＝2∶3，A正确；气泡在上升过程，随着压强的减小，体积将增大，气体对外做功，由热力学第一定律，温度不变内能不变，则此过程会吸收热量，B错误；注射器导热性能良好，在压缩气体的过程中，气体温度不变，气体分子的平均动能不变，C错误；由A项分析知泄露出的气体的质量与注射器内存留气体的质量之比为2∶1，同种气体，在同样的状态下，显然泄露出的气体内能大于残留气体的内能，D错误。 9．(2022·贵州顶兴学校高二期中)下列说法正确的是(　　) A．第二类永动机不违反能量守恒定律，但违反了热力学第一定律 B．从单一热源吸收热量，使之完全变为功是提高机械效率的常用手段 C．从能量转化的角度，能量耗散反映出自然界中的宏观过程具有方向性 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 CD　解析：第二类永动机不违反能量守恒定律，但是违反热力学第二定律，A错误；从单一热源吸收热量，使之完全变为功是不可能实现的，B错误；从能量转化的角度，能量耗散反映出自然界中的宏观过程具有方向性，所以能量虽然守恒，但是仍然要节约使用能源，C正确；电冰箱的工作过程表明，在其他外力作用下，热量可以从低温物体向高温物体传递，D正确。 10．(2022·湖南长沙明德中学高三开学考试改编)如图，两端开口、下端连通的导热汽缸，用两个轻质绝热活塞(截面积分别为S1和S2)封闭一定质量的理想气体，活塞与汽缸壁间无摩擦。在左端活塞上缓慢加细沙，活塞从A下降h高度到B位置时，活塞上细沙的总质量为m。在此过程中，用外力F作用在右端活塞上，使活塞位置始终不变。整个过程环境温度和大气压强p0保持不变，系统始终处于平衡状态，重力加速度为g。下列说法正确的是(　　) A．整个过程，外力F做功大于0，小于mgh B．整个过程，理想气体的内能不变 C．左端活塞到达B位置时，外力F等于 D．整个过程，理想气体向外界释放的热量等于(p0S1h＋mgh) BC　解析：整个过程，因右侧活塞静止不动，则外力F做功为零，A错误； 整个过程，因为汽缸导热且活塞缓慢移动，可知气体的温度不变，则气体的内能不变，B正确；左端活塞到达B位置时，则封闭气体的压强p＝＋p0＝＋p0，解得外力F＝，C正确；整个过程，气体的内能不变，气体体积减小，外界对气体做功等于放出的热量，若在活塞上一次性放上质量为m的沙子时，外界对气体做功为W＝(p0S1＋mg)h，此时理想气体向外界释放的热量等于(p0S1h＋mgh)，但是因沙子是逐渐加入的，则外界对气体做功W≠(p0S1＋mg)h，理想气体向外界释放的热量也不等于(p0S1h＋mgh)，D错误。 11．(2022·北京人大附中高二期中)关于分子动理论和热力学第二定律，下列说法正确的是(　　) A．拉断一根绳子需要一定大小的力，说明分子间存在相互作用力 B．生产半导体器件时需要在纯净的半导体材料中掺入其他元素，这可以在高温条件下利用分子的扩散来完成 C．可使热量自发地从低温物体传向高温物体 D．如图所示，绝热汽缸中左侧气体在隔板抽去后会自发地膨胀到右侧的真空 ABD　解析：拉断一根绳子需要一定大小的力，说明分子间存在相互作用力，A正确；利用分子的扩散可以在高温条件下在纯净的半导体材料中掺入其他元素，B正确；由热力学第二定律可知，热量不可能自发地从低温物体传向高温物体，C错误；绝热汽缸中左侧气体在隔板抽去后会自发地膨胀到右侧的真空，D正确。 12．(2022·山东菏泽高二期末)如图所示，汽缸和活塞与外界均无热交换，中间有一个固定的导热性良好的隔板，封闭着两部分气体A和B，活塞处于静止平衡状态。现通过电热丝对气体A加热一段时间，后来活塞达到新的平衡，不计气体分子势能，不计活塞与汽缸壁间的摩擦，大气压强保持不变，则下列判断正确的是(　　) A．气体A吸热，内能增加 B．气体B吸热，对外做功，内能不变 C．气体A分子的平均动能增大 D．气体B分子单位时间内对器壁单位面积碰撞次数增大 AC　解析：气体A发生等容变化W＝0，温度升高，内能增加，根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q可知气体A吸热，A正确；对B上方活塞进行受力分析，根据平衡条件可知，B气体的压强不变，由于隔板导热性良好，B气体会吸收A气体的热量后温度上升，内能增大，再根据理想气体状态方程＝C，在压强不变，温度升高的情况下，体积增大，则气体对外做功，B错误；气体A和气体B温度都上升了，分子的平均动能都增大，C正确；根据气体压强的微观意义，气体压强和分子单位时间内对器壁单位面积碰撞次数、分子平均动能有关，在压强不变的情况下，气体B的分子平均动能增大，气体B分子单位时间内对器壁单位面积碰撞次数减少，D错误。 二、非选择题(共60分) 13．(6分)(2022·广东卷)利用空调将热量从温度较低的室内传递到温度较高的室外环境，这个过程__________(选填“是”或“不是”)自发过程。该过程空调消耗了电能，空调排放到室外环境的热量__________(选填“大于”“等于”或“小于”)从室内吸收的热量。 答案：不是　大于 解析：空调将热量从温度低的室内传递到温度较高的室外，这个过程要消耗电能，不是自发的过程；由于空调的压缩机做功，使得空调排放到室外环境的热量大于从室内吸收的热量。 14．(8分)(2022·广东佛山一中高二期中)小张同学试用如图所示的高压锅，她盖好密封锅盖，将压力阀套在出气孔上，给高压锅加热，当锅内气体压强达到一定值时，气体把压力阀顶起。在压力阀恰好被顶起瞬间，她停止加热。 (1)根据分子动理论，从微观上说明定容加热过程中锅内气体压强的变化。 (2)小张试用结束后撤走压力阀放气，锅内气体对外界做功20 J，同时向外界放出40 J的热量。锅内原有气体的内能如何变化？变化了多少？放出的气体可以自发地从出气孔流回高压锅吗？为什么？ (3)若大气压强p随海拔高度H线性减小，即p＝p0(1－αH)(常数α>0)。分析小张在不同海拔地区使用该压力锅，当压力阀被顶起时，锅内气体的温度有何差异。 答案：见解析 解析：(1)气体压强是大量气体分子频繁碰撞器壁在单位面积上产生的平均作用力，微观上由分子平均动能(速率)和分子密集程度决定，锅内气体质量一定，体积保持不变时，气体分子的密集程度保持不变，温度升高，分子的平均动能(速率)增大，气体压强增大。 (2)根据热力学第一定律有ΔU＝W＋Q＝－20 J－40 J＝－60 J，即锅内气体内能减少了60 J。 不能，违反热力学第二定律，气体从高压锅内向外膨胀的过程具有方向性。 (3)由p＝p0(1－αH)(α>0)知，随着海拔高度的增加，大气压强减小。由p1＝p＋知，阀门被顶起时的锅内气体压强p1也减小。高压锅容积不变，由查理定律＝C可知，随着海拔高度的增加，阀门被顶起时的锅内气体温度T1会降低。 15．(10分)(2022·山东肥城教学研究中心模拟)如图所示，一个内壁光滑的圆柱形汽缸，高度为L＝30 cm、底面积为S＝40 cm2，缸内有一个质量为m＝10 kg的活塞，封闭了一定质量的理想气体。温度为热力学温标T0＝300 K时，用绳子系住汽缸底，将汽缸倒过来悬挂起来，汽缸处于竖直状态，缸内气体高为L0＝20 cm。已知重力加速度为g＝10 m/s2，大气压强为p0＝1×105 Pa，不计活塞厚度及活塞与缸体的摩擦，求： (1)采用缓慢升温的方法使活塞与汽缸脱离，缸内气体的温度至少要升高到多少？ (2)从开始升温到活塞刚要脱离汽缸，缸内气体压力对活塞做功多少？ (3)当活塞刚要脱离汽缸时，缸内气体的内能增加量为ΔU＝60 J，则气体在活塞下移的过程中吸收的热量为多少。 答案：(1)450 K　(2)30 J　(3)90 J 解析：(1)缓慢升高汽缸内的温度，气体等压膨胀，当气柱长为L时，活塞与汽缸脱离，设缸内气体的温度为T，则＝，解得T＝450 K。 (2)设缸内气体压力为F，由于气体是等压膨胀，压力不变，根据活塞受力平衡F＋mg＝p0S 则F＝p0S－mg＝300 N 缸内气体压力对活塞做功W＝F(L－L0)＝30 J。 (3)根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q 由于缸内气体压力对活塞做功，W为负，所以 Q＝ΔU＋W＝90 J。 16．(10分)(2022·安徽三模)一定质量的理想气体从状态A变化到状态B再变化到状态C，其状态变化过程的p－V图像如图所示。已知该气体在状态A时的温度为27 ℃。 (1)求该气体在状态B、C时的温度(用摄氏温度表示)； (2)该气体从状态A到状态C的过程中是吸热还是放热？ 答案：(1)－73 ℃　27 ℃　(2)放热 解析：(1)气体在状态A时的热力学温度为 TA＝(27＋273)K＝300 K 对A→B过程根据盖—吕萨克定律有＝ 解得TB＝200 K 由题图易知pCVC＝pAVA 根据理想气体状态方程可知TC＝TA＝300 K 所以tB＝(200－273)℃＝－73 ℃，tC＝tA＝27 ℃。 (2)该气体从状态A到状态C的过程中体积减小，外界对气体做功，而气体温度不变，则内能不变，根据热力学第一定律可知气体放热。 17．(12分)(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2.0 L的可乐瓶制作了一支水火箭，箭身及其配重总质量M＝0.1 kg。现向瓶中装入0.5 L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1 atm，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0.5 L、压强为1 atm的空气压入瓶内，当瓶内空气压强达到5 atm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＝20 m/s的速度(相对地面)一次性向下喷出质量m＝0.2 kg的水流，已知 ρ水＝1.0×103 kg/m3，重力加速度g＝10 m/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)5 m 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ΔU＝Q＋W，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 p0(V＋nV′)＝5p0V 其中V＝(2.0－0.5)L＝1.5 L，V′＝0.5 L，解得n＝12。 (3)喷水前，瓶内水的总质量m1＝ρV′＝0.5 kg 喷水过程，系统动量守恒，有(M＋m1－m)v1＝mv 竖直方向有v02＝2gh 联立可得火箭上升的最大高度h＝5 m。 18．(14分)(2022·黑龙江大庆东风中学高二期中)如图所示，P、Q是两个厚度不计的活塞，可在竖直固定的两端开口的汽缸内无摩擦地滑动，其面积分别为S1＝30 cm2、S2＝10 cm2，质量分别为M1＝1.5 kg、M2＝2.5 kg，它们之间用一根长为d的轻质细杆连接，静止时汽缸中气体的温度T1＝600 K，活塞P下方气柱(较粗的一段气柱)长为d＝12 cm，已知大气压强 p0＝1×105 Pa，g＝10 m/s2，缸内气体可看作理想气体，活塞在移动过程中不漏气。 (1)求活塞静止时汽缸内气体的压强； (2)若缸内气体的温度逐渐降为了T2＝300 K，已知该过程中缸内气体的内能减小100 J，求活塞下移的距离h和气体放出的热量Q。 答案：(1)1.2×105 Pa　(2)10 cm　124 J 解析：(1)对两个活塞的整体受力分析可得 (M1＋M2)g＋p0(S1－S2)＝p(S1－S2) 解得p＝1.2×105 Pa。 (2)由以上分析可知逐渐降温的过程中活塞始终受力平衡，内部气体为等压变化， 则＝ 其中V1＝S1d＋S2·d，V2＝S1(d－h)＋S2·(d＋h) 解得h＝10 cm<12 cm 活塞下降的过程对内部气体用热力学第一定律得 ΔU＝W＋Q 其中W＝p(S1h－S2h) 以上解得Q＝－124 J 放出热量为124 J。 学科网（北京）股份有限公司 $$