2022-2023学年人教版选择性必修第三册 第3章 热力学定律 单元测试

热力学定律

1．(2020·全国Ⅱ卷)下列关于能量转换过程的叙述，违背热力学第一定律的有________，不违背热力学第一定律、但违背热力学第二定律的有________。(填正确答案标号)

A．汽车通过燃烧汽油获得动力并向空气中散热

B．冷水倒入保温杯后，冷水和杯子的温度都变得更低

C．某新型热机工作时将从高温热源吸收的热量全部转化为功，而不产生其他影响

D．冰箱的制冷机工作时从箱内低温环境中提取热量散发到温度较高的室内

[解析]　汽车通过燃烧汽油获得动力并向空气中散热既不违背热力学第一定律也不违背热力学第二定律；冷水倒入保温杯后，冷水和杯子的温度都变得更低，违背了热力学第一定律；热机工作时吸收的热量不可能全部用来对外做功，而不产生其他影响，显然C选项遵循热力学第一定律，但违背了热力学第二定律；冰箱的制冷机工作时，从箱内低温环境中提取热量散发到温度较高的室内，既不违背热力学第一定律也不违背热力学第二定律，综上所述，第一个空选B，第二个空选C。

[答案]　B　C

2.如图所示，两个完全相同的金属球A和B，其中A球放在不导热的水平面上，B球用不导热的细线悬挂起来，现供给两球相同的热量，它们的温度分别升高了ΔtA、ΔtB，则(　　)

A．ΔtA＞ΔtB　　　　 B．ΔtA＜ΔtB

C．ΔtA＝ΔtB     D．ΔtA、ΔtB无法比较

B　[两球受热后体积都要增大，A球因为放在不导热的水平面上，受热膨胀后，重心升高，重力做负功，根据能量守恒定律可知，A球吸收的热量一部分转化成自身的内能，使温度升高，另一部分需要克服重力做功，使重力势能增加；对于B球，同样要受热膨胀，膨胀时重心下降，重力做正功，同样由能量守恒定律可知，B球吸收的热量和重力做的功都要转化成自身的内能，从而使温度升高，由以上分析可知，B球增加的内能要比A球多，B球的温度升高得多，所以有ΔtA＜ΔtB，B正确。]

3.(2020·山东等级考)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p­V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

C　[气体在a→b过程中体积增大，气体对外做功，在b→c过程中体积增大，气体对外做功，根据p­V图像与横轴所围的面积表示做的功可知，在这两个过程中气体对外做的功相等，选项A错误；气体在a→b过程中体积增大，气体对外做功，由理想气体状态方程可知，a、b两个状态温度相等，内能不变，由热力学第一定律可知吸收的热量等于气体对外做的功；气体在b→c过程中体积增大，气体对外做功，由理想气体状态方程可知，c状态的温度高于b状态的温度，内能增加，由热力学第一定律可知吸收的热量等于气体对外做的功与内能增加量之和，即气体在a→b过程中吸收的热量小于气体在b→c过程中吸收的热量，选项B错误；气体在c→a的过程中，体积减小，温度降低，外界对气体做功，内能减小，根据热力学第一定律，外界对气体做的功小于气体放出的热量，选项C正确；由理想气体状态方程可知，a、b两个状态温度相等，内能相等，所以气体在c→a的过程中内能的减少量等于气体在b→c过程中内能的增加量，选项D错误。]

4．关于能量和能源，下列说法正确的是(　　)

A．化石能源是清洁能源，水能是可再生能源

B．人类在不断地开发和利用新能源，所以能量可以被创造

C．在能源的利用过程中，由于能量在数量上并未减少，所以不需要节约能源

D．能量耗散现象说明：在能量转化的过程中，虽然能的总量并不减少，但能量品质降低了

D　[化石能源在燃烧时放出SO2、CO2等气体，形成酸雨和温室效应，破坏生态环境，不是清洁能源，选项A错误；能量是守恒的，但能量品质会下降，故要节约能源，选项B、C错误，D正确。]

5．如图所示的两端开口的U形管中，盛有同种液体，并用阀门K将液体隔成左、右两部分，左边液面比右边液面高。现打开阀门K，从打开阀门到两边液面第一次平齐的过程中，液体向外放热为Q，内能变化量为ΔU，动能变化量为ΔEk；大气对液体做功为W1，重力做功为W2，液体克服阻力做功为W3，由功能关系可得①W1＝0；②W2－W3＝ΔEk；③W2－W3＝Q＝ΔU；④W3－Q＝ΔU，其中，正确的是(　　)

A．①②③     B．①②④

C．②③     D．①③

B　[由动能定理可知W2－W3＋W1＝ΔEk，其中W1＝p·ΔV左－p·ΔV右＝0，可知①②正确。由热力学第一定律ΔU＝W＋Q得ΔU＝W3－Q，可知④正确，③错误。综合以上分析可知B正确。]

6．下列说法正确的是(　　)

A．由于能量的转化过程符合能量守恒定律，所以不会发生能源危机

B．随着低温技术的发展，我们可以使温度逐渐降低，并最终达到绝对零度

C．第一类永动机违背热力学第二定律

D．自然界中涉及热现象的宏观过程都具有方向性

D　[由于能量转移或转化是有方向性的，虽然能量守恒，但是还会产生能源危机，故A错误；绝对零度只能无限接近，不能达到，故B错误；第一类永动机违背能守恒定律，不能制造出来，不是违背了热力学第二定律，故C错误；根据热力学第二定律，自然界中涉及热现象的宏观过程都具有方向性，故D正确。]

7.(2021·山东卷)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．对外界做正功

C．增加的内能大于吸收的热量

D．增加的内能等于吸收的热量

B　[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；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；由A、B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ΔU＝W＋Q得气体吸热，由于气体对外做功，因此吸收的热量大于增加的内能，C、D错误。故选B。]

8．(2022·山东省胶州市实验中学月考)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再回到状态a，其中，a→b为等温过程，b→c为等容过程，下列说法正确的是(　　)

A．a→b过程，气体和外界无热交换

B．a→b过程，气体分子的速率均保持不变

C．b→c过程，气体内能减小

D．c→a过程外界对气体做的功与a→b过程气体对外做功相等

C　[a→b过程，气体发生的是等温变化，内能不变，此过程中，气体对外做功，根据热力学第一定律可知，气体吸收热量，A错误；a→b过程，温度不变，气体分子的平均速率不变，但每一个气体分子的速率不断变化，B错误；b→c过程，气体的体积不变，压强减小，则温度降低，故内能减小，C正确；p­V图线与横轴所围的面积为气体做功的大小，因此c→a过程外界对气体做的功小于a→b过程气体对外做功，D错误。故选C。]

9．如图所示，一定质量的理想气体，从状态A等容变化到状态B，再等压变化到状态D。已知在状态A时，气体温度tA＝327 ℃。

(1)求气体在状态B时的温度；

(2)已知由状态B→D的过程，气体对外做功W，气体与外界交换热量Q，试比较W与Q的大小，并说明原因。

[解析]　(1)气体由状态A变化到状态B

由查理定律＝可得

TB＝TA＝×(327＋273)K＝300 K

所以tB＝27 ℃。

(2)由B→D的过程，气体温度升高，内能增大，由热力学第一定律ΔU＝Q－W>0可得Q>W。

[答案]　(1)27 ℃　(2)Q>W　原因见解析

10．(多选)关于内能和机械能的说法不正确的是(　　)

A．内能和机械能各自包含动能和势能，因此它们的本质上是一样的

B．物体的内能和机械能均不为零

C．一个物体的机械能可以为零，但它的内能永远不可能为零

D．物体的机械能变化时，它的内能可以保持不变

AB　[机械能是指宏观物体动能和势能的总和，内能是指物体内所有分子动能和分子势能的总和，有本质的区别，A错，符合题意；物体的分子运动永不停息，内能不可能为零，但物体机械能可以为零，B错，符合题意，C对，不符合题意；机械能、内能在一定条件下可相互转化，但没有转化时，一个可以变化，另一个可以不变，D对，不符合题意，故本题选AB。]

11．(多选)关于热力学定律，下列说法正确的是(　　)

A．为了增加物体的内能，必须对物体做功或向它传热

B．对某物体做功，必定会使该物体的内能增加

C．可以从单一热源吸收热量，使之完全变为功

D．不可能使热量从低温物体传给高温物体

AC　[本题考查热力学定律，主要考查考生对热力学定律中内能变化、做功关系及热量变化之间的关系的理解。选项A，内能的改变可以通过做功或热传递进行，A正确；选项B，对某物体做功，物体的内能不一定增加，B错误；选项C，在引起其他变化的情况下，可以从单一热源吸收热量，将其全部变为功，C正确；选项D，在引起其他变化的情况下，可以使热量从低温物体传给高温物体，D错误。]

12.(2020·全国Ⅲ卷)(多选)如图所示，一开口向上的导热汽缸内，用活塞封闭了一定质量的理想气体，活塞与汽缸壁间无摩擦。现用外力作用在活塞上，使其缓慢下降。环境温度保持不变，系统始终处于平衡状态。在活塞下降过程中(　　)

A．气体体积逐渐减小，内能增加

B．气体压强逐渐增大，内能不变

C．气体压强逐渐增大，放出热量

D．外界对气体做功，气体内能不变

E．外界对气体做功，气体吸收热量

BCD　[外力使活塞缓慢下降的过程中，由于温度保持不变，则气体的内能保持不变，气体的体积逐渐减小，外界对气体做功，由热力学第一定律可知，气体向外界放出热量，又由玻意耳定律可知，气体体积减小，气体的压强增大，由以上分析可知B、C、D正确，A、E错误。]

13．(多选)如图所示，a、b、c、d表示一定质量的理想气体状态变化过程中的四个状态，图中ad平行于横坐标轴，dc平行于纵坐标轴，ab的延长线过原点，以下说法正确的是(　　)

A．从状态d到c，气体不吸热也不放热

B．从状态c到b，气体放热

C．从状态a到d，气体对外做功

D．从状态b到a，气体吸热

BCD　[从状态d到c，温度不变。理想气体内能不变，但是由于压强减小，所以体积增大，对外做功，要保持内能不变，一定要吸收热量，故选项A错误；气体从状态c到状态b是一个降压、降温过程，同时体积减小，外界对气体做功，而气体的内能还要减小，就一定要伴随放热，故选项B正确；气体从状态a到状态d是一个等压、升温的过程，同时体积增大，所以气体要对外做功，选项C正确；气体从状态b到状态a是个等容变化过程，随压强的增大，气体的温度升高，内能增大，而在这个过程中气体的体积没有变化，没有做功，气体内能的增大是因为气体吸热，故选项D正确。]

14．(多选)如图是某研究小组为了探究“鱼鳔的作用”所制作的装置。具体制作方法如下：在大号“可乐瓶”中注入半瓶水，在一个小气球中放入几枚硬币并充入少量空气(忽略气体的分子势能)，将其装入“可乐瓶”中。通过在水中放盐改变水的密度后，使气球恰好悬浮于水中，并拧紧瓶盖。设初始时瓶中气体、水及外界大气的温度相同。当用手挤压“可乐瓶”的上半部分时，下列说法正确的是(　　)

A．快速挤压时，瓶内气体压强变大

B．快速挤压时，瓶内气体温度不变

C．快速挤压时，瓶内气体体积不变

D．缓慢挤压时，瓶内气体温度不变

AD　[快速挤压气体时，外界对气体做功，来不及传热，由W＋Q＝ΔU知内能增大，温度上升，体积变小，瓶内压强变大，A正确，B、C错误；缓慢挤压时，温度不变，体积变小，瓶内压强变大，D正确。]

15．如图所示，一演示用的“永动机”转轮由5根轻杆和转轴构成，轻杆的末端装有用形状记忆合金制成的叶片。轻推转轮后，进入热水的叶片因伸展而“划水”，推动转轮转动，离开热水后，叶片形状迅速恢复，转轮因此能较长时间转动。下列说法正确的是(　　)

A．转轮依靠自身惯性转动，不需要消耗外界能量

B．转轮转动所需能量来自形状记忆合金自身

C．转动的叶片不断搅动热水，水温升高

D．转轮的叶片在热水中吸收的热量一定大于在空气中释放的热量

D　[转轮转动的过程中克服摩擦力做功，转轮的速度越来越小，所以要维持转轮转动需要外力做功，故A错误；要维持转轮转动需要外力做功，转轮转动所需能量不能由转轮自己提供，故B错误；转动的叶片不断搅动热水的过程是水对转轮做功的过程，同时水会向四周放出热量，根据热力学第一定律可知水的内能减小，故水温降低，故C错误；根据热力学第二定律，物体不可能从单一热源吸收能量全部用来对外做功而不引起其变化，故叶片在热水中吸收的热量一定大于在空气中释放的热量，故D正确。故选D。]

16.如图所示，一长为L、内横截面积为S的绝热汽缸固定在水平地面上，汽缸内用一质量为m的绝热活塞封闭了一定质量的理想气体，开始时活塞用销钉固定在汽缸正中央，汽缸内被封闭气体压强为p。外界大气压为p0(p>p0)。现释放活塞，测得活塞被缸内气体推到缸口时的速度为v0。

(1)求此过程克服大气压力所做的功；

(2)活塞从释放到将要离开缸口，缸内气体内能改变了多少？

[解析]　(1)设大气作用在活塞上的压力为F，则：

F＝p0S

根据功的定义式W＝Fl得W＝p0LS。

(2)设活塞离开汽缸时动能为Ek，则

Ek＝mv2

根据能量守恒定律得

ΔU＝－mv2－p0LS＝－(mv2＋p0LS)

即内能减少了(mv2＋p0LS)。

[答案]　(1)p0LS

(2)内能减少了(mv2＋p0LS)

17．如图所示为一定质量的氦气(可视为理想气体)状态变化的V­T图像。已知该氦气所含的氦分子总数为N，氦气的摩尔质量为M，其在状态A时的压强为p0，阿伏加德罗常数为NA。

(1)求氦气分子的质量。

(2)求在C状态时氦气分子间的平均距离d。

(3)在第(2)小题的情境中：

①求氦气在B状态时的压强pB。

②若氦气从状态B到状态C过程，外界对氦气做功为W，则该过程中氦气是吸热还是放热？传递的热量为多少？

[解析]　(1)氦气的摩尔质量为M，阿伏加德罗常数为NA

则氦气分子的质量：m＝。

(2)C状态时气体的体积为V0，一个分子所占空间的平均体积为：V＝

把气体分子所占平均空间看成是立方体模型，有：

V＝d3

所以氦气在C状态时氦气分子间的平均距离

d＝。

(3)①气体从A到B是等容变化过程，根据查理定律有：＝

解得：pB＝。

②气体从B到C是等温变化过程，对于一定质量的理想气体，温度不变，内能不变，ΔU＝0，外界对氦气做功为W>0，

根据热力学第一定律W＋Q＝ΔU

有：Q＝－W<0

则该过程中氦气是放热过程，传递的热量为W。

[答案]　(1)　(2)　(3)①　②放热　传递的热量为W

18.如图所示，体积为V、内壁光滑的圆柱形导热汽缸顶部有一质量和厚度均可忽略的活塞；汽缸内密封有温度为2.4T0、压强为1.2p0的理想气体。p0和T0分别为大气的压强和温度。已知：气体内能U与温度T的关系为U＝αT，α为正的常量；容器内气体的所有变化过程都是缓慢的。求：

(1)缸内气体与大气达到平衡时的体积V1；

(2)在活塞下降过程中，汽缸内气体放出的热量Q。

[解析]　(1)在气体压强由p＝1.2p0下降到p0的过程中，气体体积不变，温度由T＝2.4T0变为T1

由查理定律得＝

解得T1＝2T0

在气体温度由T1变为T0的过程中，体积由V减小到V1，气体压强不变，由盖-吕萨克定律得＝

解得V1＝V。

(2)在活塞下降过程中，活塞对气体做的功为

W＝p0(V－V1)

在这一过程中，气体内能的减少量为

ΔU＝α(T1－T0)

由热力学第一定律得，汽缸内气体放出的热量为

Q＝W＋ΔU，解得

Q＝p0V＋αT0。

[答案]　(1)V　(2)p0V＋αT0