第3章 专题探究4 气体实验定律与热力学第一定律综合应用-【学霸黑白题】2025-2026学年高中物理选择性必修第三册（人教版）

专题探究四气体实验定律与热力学第一定律综合应用 黑题 专题强化 限时：40min 题型1理想气体状态图像问题 3.考虑一定量的理想气体缓慢从状态1变为状 1.如图所示，一定质量的理想气体由状态a经等 态2，过程分别如图所示.若选项A与B中的 压变化到状态b,再从状态b经等温变化到状 虚线为等温线，选项C与D中的虚线为绝热 态c,最后从状态c变化回到状态a.下列说法 线，则下列过程中气体放热的是 正确的是 A.气体在状态a的体积小于在状态b的体积 B.气体在状态a的体积等于在状态c的体积 C.从状态a到状态b的过程中气体向外界放 4.将一定质量的某种理想气体 出热量 密闭在容积可变的容器中， D.从状态b到状态c的过程外界对气体做 其压强(p)随密度(p)变化的 正功 规律如图所示，其状态经历 2.(2025·河南九师联盟期初)（多选）一定质量 了如图所示ab、bc、cd、da四个过程的变化，其 的理想气体，从初始状态A经状态B、C、D再 中cd的延长线通过原点，ab与水平轴平行，bc 回到状态A,其体积V与热力学温度T的关系 与竖直轴平行，da是双曲线的一部分，则下列 如图所示，下列说法正确的是 说法正确的是 A.da过程气体温度保持不变 B.ab过程气体可能从外界吸收热量 C.bc过程气体一定向外界放出热量 D.cd过程气体分子单位时间内对器壁单位面 Te T 积碰撞次数增加 A.从状态A到状态B,气体吸收热量小于气5.在热力学中，“奥托循环”(Otto cycle)用于描 体内能增量 述四冲程内燃机在理想状态下的工作过程， B.从状态B到状态C,气体对外做功同时向 由两个绝热过程与两个等容过程构成.在一个 外放热 封闭的汽缸内，一定质量的理想气体做奥托 C.从状态C到状态D,气体吸收热量全部用 循环的p-V图像如图所示，a→b→c→d→a为 来对外做功 一个完整循环.在a、b点处，该理想气体的体 D.从状态D到状态A,气体吸收热量大于气 积分别为V、V 体对外做功 (1)若b→c过程中理想气体吸热大小为Q, 第三章黑白题43 d→a过程中理想气体放热大小为Q2,求 (2)汽缸内气体吸收的热量Q. 图中阴影部分的面积，并简述其物理含义、 (2)通过查阅资料得知：对于一定质量的理想 气体： ①绝热过程满足p=常量，y为一个常数 且y>1; ②内能满足U=cT,c为一个常量： 利用这些资料，计算这一奥托循环的效率 η（即一个循环中对外做功与总吸热量之 比，用1、V2及有关的常量表示) 7.如图所示，竖直放置在水平桌面上的开口向上 的导热汽缸，内壁光滑，现用横截面积为S的 圆形轻质活塞封闭一定质量的理想气体，初始 时，活塞距离汽缸底部的高度为H.往活塞上 缓慢加细沙，直至活塞下降从时停止加细沙， 该过程环境温度T。保持不变，大气压强为P0, 重力加速度为g求： (1)停止加细沙后，汽缸内气体压强大小； (2)缓慢改变环境温度，使轻质活塞回到初始 位置处，若此过程中封闭气体吸收的热量 为Q,则汽缸内封闭的气体内能的变化量 题型2活塞汽缸问题 是多少？ 6.如图所示，T形活塞固定在地面上，一定质量 初始位置 的理想气体被封闭在竖直汽缸中，汽缸的质 沙 量为m、底面积为S,大气压强为Po初始时活 塞与缸底的距离为L。,缸内气体的温度为T。, 现使缸内气体的温度逐渐升高到。T。,内能增 加T,(:为常数)，汽缸始终未脱离活塞，不 计摩擦，重力加速度为g,求此过程中： (1)汽缸上升的高度h; 选择性必修第三册·RJ黑白题44以气体内能不变，又由热力学第一定律可知气体体积变小， 所以外界对气体做功，则气体必然向外界释放热量，故C错 误，D正确.故选D. 3.B解析：A.B→C过程，体积增大，气体对外做功，由于是绝 热过程，没有热交换，根据热力学第一定律，内能减少，温度 降低，所以T>T。,又因为A→B、C→D都是等温过程，则有 T4=TB>Tc=TD,故A错误；B.p-V图像封闭区域面积表示全 程气体对外做功大小，又因内能不变，故气体从外界吸收热 量，故B正确；C.由B→C过程中，气体总分子数不变，体积 变大，单位体积内分子数减少，故C错误；D.从A→B温度不 变，内能不变，从B→C温度降低，内能减小，从C→D温度不 变，内能不变，从D→A温度升高内能增大，且此时回到初始 状态与初始内能相同，则B→C过程内能减少量等于D→A 过程内能增加量，且这两个过程均绝热，故做功数值大小相 等，即B→C过程气体对外界做的功等于D→A过程外界对 气体做的功，故D错误故选B. 4.B解析：A.由于越接近矿泉水瓶口，水的温度越高，因此小 瓶上浮的过程中，小瓶内气体温度升高，内能增加，A错误； B.在小瓶上升的过程中，小瓶内气体的温度逐渐升高，压强 逐渐减小，根据理想气体状态方程=C,气体体积膨胀，对 外界做正功，B正确：CD.由AB分析，小瓶上升时，小瓶内气 体内能增加，气体对外做功，根据热力学第一定律△U=W+ Q,由于气体对外做功，因此吸收的热量大于增加的内能， CD错误.故选B. 5.D解析：A蜜封气体初始状态的压强为P=P,+肾，选 项A错误：B.活塞速度恰好减为零时，活塞有向上的加速度 可知pS-mg-PoS=-ma,解得密封气体的压强为p=p,+mgtm, S 选项B错误；CD.该过程中对活塞由动能定理(pS+mg) L W=0- 2m6,解得活塞对气体做的功为W=w= 2 mg+ 5(poS+mg)L,由于气体温度不变，可知内能不变，则该过程 中密闭气体放出的热量为Q==+兮（8+mg)L, 选项C错误，D正确.故选D. 压轴挑战 6.C解析：A.过程①气体温度升高，初、末状态压强不变，则 体积变大，活塞向右运动.以活塞为研究对象，水平方向活塞 受三个力，气体初、未状态压强均等于大气压强Po,此时F= 0.过程①：缸内气体压强p先增大后减小，则F向左，且先增 大后减小，一直对活塞做负功，故A正确，不符合题意；B.过 程②：缸内气体压强p不变且等于Po,F=0,故B正确，不符 合题意；C.过程③：缸内气体压强p先减小后增大，F向右， 且先增大后减小，一直对活塞做正功，故C错误，符合题意； D.由热力学第一定律△U=Q+W,且W=-P△V+Wp,所以 Q=△U-W。+Po△V,理想气体的温度变化相同时，内能变化量 △U相同，又因体积变化量△V相同，则Wp为负时Q变大， 因此过程①比过程②③缸内气体吸热多，故D正确，不符合 题意.故选C. 选择性必修第三册·RJ 专题探究四气体实验定律与热力学 第一定律综合应用 黑题专题强化 1.A解析：AC.气体由状态a经等压变化到状态b,温度升高， 则体积变大，即气体在状态α的体积小于在状态b的体积， 气体内能不变，对外做功，则气体吸热，选项A正确，C错误； B,根据p=S1,因。点与0点连线的斜率大于c点与0点 连线的斜率，可知气体在状态α的体积小于在状态c的体 积，选项B错误：D.从状态b到状态c的过程，温度不变，压 强减小，可知体积变大，则气体对外界做正功，外界对气体做 负功，选项D错误故选A 2.CD解析：A.从状态A到状态B,体积不变，温度升高，气体 内能增加，气体从外界吸收热量，且气体吸收热量等于气体 内能增量，故A错误：B.从状态B到状态C,压强不变，温度 降低，体积减小，外界对气体做功，气体向外放热，故B错误； C.从状态C到状态D,温度不变，体积增大，气体吸收热量 全部用来对外做功，故C正确；D.从状态D到状态A,压强 不变，体积增加，则气体对外做功，温度升高，内能增加，根据 △U=W+Q,则气体吸收热量大于气体对外做功，故D正确， 故选CD. 3.C解析：AB.对A和B选项，初、末态温度相同，内能相同. 由于末态体积大于初态，气体对外做正功，即W<0,根据热 力学第一定律△U=Q+W知，该过程吸热，AB错误；CD.对C 和D选项，构造循环过程，令气体沿着绝热线回到状态1，由 于绝热过程与外界无热交换，题给过程的吸放热情况与循环 的吸放热情况一致，C对应的循环是逆时针的，对外做负功， D对应的循环是顺时针的，对外做正功，根据热力学第一定 律△U=O+W,因此C正确，D错误.故选C. 4C解析：A.根据一定质量理想气体状态方程 T=C,且V= CT m得到p=p,所以图像斜率与温度成正比，所以da过程 m 气体温度变大，A错误：B.根据A选项分析，αb过程斜率变 小，温度降低，而理想气体内能只与温度有关，则内能减小： 密度变大，则说明体积减小，所以外界对气体做功，根据热力 学第一定律△U=Q+W,得Q<0,所以气体放热，B错误；C.bc 过程斜率变小，温度降低，内能减小，密度不变，体积不变， W=0,结合△U=Q+W得到Q<0,所以气体放热，C正确： D.cd过程斜率不变，气体温度不变，分子平均动能不变，但 气体压强减小，根据气体压强微观解释，气体分子单位时间 内对器壁单位面积碰撞次数减少，D错误.故选C. )Q,-Q2,一个循环气体对外做的功(2)1-2 解析：(1)由题意可知，ab→c+d+a为一个完整循环，则 有系统的内能不变，即△U=0,设a→b过程外界对气体做正 功为W,c→d过程气体对外做功为W,由热力学第一定律 △U=Q+W可得Q1+Wb-Q2-Wa=0,气体对外做功为Wa Wb=Q,-Q2,由p-V图像与坐标轴所围面积表示做功的大小 可知，图中阴影部分的面积，其物理含义为一个循环气体对 外做的功. (2)设气体在a、b、c、d状态的温度分别为T。、T、T。、Ta,吸热 和放热只在b→心和d→a过程中进行，由U=cT和热力学第 一定律，则有Q1=c(T。-T),Q2=c(Ta-T.), 黑白题16 则奥托循环的效率为n=01-Q1T-刀 =1 =1 Q11T。-T。' 因为。一6与一是绝热过限则有号-（货）广”子 T y)T。T4T。-Ta V,T,TT,-T’ 可得循环的效率n=1 T。-T6 1 1 6.(1)2。(2)27,+2(mg+pS)L 解折：(1)气体为等压变化，则布会会，即布会 LoS (Lo+h)S 3 解得= 20 (2)外界对汽缸内气体做的功W=-(mg+PS)h,由热力学第 △U=W+Q,解得Q=。kT。+。(, 2 7.(Dp=等(2)AU=Q-}SH 解析：(1)设稳定时汽缸内气体压强为P,根据玻意耳定律 ,S班=pS·子H,解得p=子A: 4 (2)由热力学第一定律知△U=W4+Q,又W=pS·4H, 解得△U=Q-3PoSH 第4节热力学第二定律 白题基础过关 1.B解析：A.可以从单一热源吸收热量，使之完全变为有用 功，但是会引起其他的变化，故A错误；B.根据热力学第二 定律可知，机械能转化为内能的过程具有方向性，是不可逆 过程，故B正确：C.机械能可以全部转化为内能，而内能不 可以全部转化为机械能，故C错误：D.热量不可能自发地从 低温物体传递到高温物体，若有外界做功，热量可以从低温 物体传递到高温物体，比如冰箱，故D错误.故选B. 2.D解析：AD.根据热力学第二定律，热量不能自发地从低温 物体传到高温物体，冰箱的制冷系统能够不断地从冰箱内向 冰箱外传递热量，但同时消耗了电能，故A错误，D正确； BC.电冰箱的工作原理是现实可行的，故不违背热力学第一 定律和热力学第二定律，故BC错误故选D. 3.D解析：能量耗散的过程中能量向品质低的能量转变，但 是总的能量是守恒的，能量的数量并未减少，能量耗散符合 热力学第二定律.故D正确. 4.B解析：液态水的分子无序程度比冰的大，但熵增加原理 适用于孤立系统，而不是个别不孤立的系统.一盆水在寒冷 的天气中并不是孤立系统，因为水与外界大气及地面有能量 交换，所以结冰的过程并不违反熵增加原理，故选项B正 确，选项ACD错误. 5.D解析：A.打开阀门K后，A中的气体进入B中，由于B中 为真空，所以A中的气体不会做功，故A错误；BC.气体分子 间作用力忽略不计，所以气体分子间没有分子势能，又因为 系统与外界无热交换，所以气体内能不变，气体的温度也不 变，故BC错误；D.由热力学第二定律知，真空中气体膨胀具 参考答案与解析 有方向性，在无外界作用时，B中气体不可能自发地全部退 回到A中，故D正确.故选D. 黑题应用提优 1.C解析：AC.能量耗散的过程是能量向品质低的大气内能 转变的过程，但总的能量是守恒的，只是能量的转化有方向 性，故A错，C对；B.根据热力学第二定律知，内能不可能全 部转化为其他形式的能而不发生其他改变，故B错；D.这类 机器违背了热力学第二定律，不可能制成，故D错故选C. 2.D解析：第二类永动机不违反能量守恒定律，但违反了热 力学第二定律，内能与机械能之间的转化具有方向性，这是 第二类永动机不可能制成的原因.所以想用降低海水温度的 方法得到大量的能量而制成永动机是不能成功的，因为它违 反热力学第二定律.故选D. 3.C解析：A.城市上空的气温比周围要高，形成了所谓的“热 岛效应”，利用这个热源进行发电，理论上是可行的，故A正 确：B.发明一种装置，使行人在繁华的马路上行走时的一 部分能量转化为电能，根据热力学第二定律知道，在不产生 其他影响时，内能不能全部转化为机械能，一部分能量转化 为电能，理论上讲可行，故B正确；C.汽车尾气中的有害气体 和其他各类气体是混合在一起的，无法自发地分离，如果要 进行分离则必须借助外力，故C错误：D.利用太阳能最有前 途的领域是通过太阳电池将太阳能直接转化为电能再加以 利用，故D正确.故选C. 4.C解析：A.电冰箱通过电流做功，把热量从冰箱内温度较 低的冷冻室、冷藏室传到冰箱外温度较高的空气中，但这一 过程消耗了电能，即引起“其他变化”，符合热力学第二定 律，故A正确，与题意不符；B.工作物质从单一热源吸热， 部分用来对外做功，一部分向低温热源释放热量，符合热力 学第二定律，故B正确，与题意不符：C.单源热机不可能从 高温热源吸热，全部用来对外做功而不引起其他变化，不符 合热力学第二定律，故C错误，与题意相符：D.热量可以自 发地从高温热源传递到低温热源，符合热力学第二定律，故 D正确，与题意不符故选C 压轴挑战 5.B解析：根据热力学第二定律，不可能从单一热库吸收热 量使之全部用来做功，而不产生其他影响；所以从热水中吸 收的热量Q,应该大于电流做的功W,即Q,>W根据能量守 恒定律和热力学第二定律，从热水中吸收的热量转化或转移 变成了三部分，一部分是电能W,一部分是散失的热量，另一 部分是冷水吸收的热量Q2,故选B. 第三章章末检测 1.C解析：A.根据热力学第二定律可知，热运动的宏观过程 均具有一定的方向性，符合能量守恒定律的宏观过程并不都 能够发生，故A错误：B.对能源的过度消耗会形成“能源危 机”，但是，根据能量守恒定律可知，自然界总的能量守恒， 不会减少，故B错误：C.空调机制冷过程中一方面从室内吸 收热量，另一方面所消耗电能中的一部分又变为热量散失在 室外，可知，排放到室外的热量多于从室内吸收的热量，即空 调在制冷的过程中，从室内吸收的热量少于向室外放出的热 量，故C正确；D.热机在工作过程中，燃料不可能完全燃烧， 尾气会带走较多的热量，机器本身需要散热，剩余的能量才 是有用的能量，有用的能量在燃料完全燃烧提供的能量中只 占一部分，所以热机效率不可能达到100%，即热机工作时即 使没有漏气和摩擦，也没有机体热量的损失，燃料燃烧产生 的热量也不可能可以完全转化成机械能，故D错误.故选C. 黑白题17