新高考物理一轮复习课后练习[34]第12章第3讲 热力学定律与能量守恒定律（含解析）

课后练习[34]

第3讲　热力学定律与能量守恒定律

一、选择题(本题共9小题，1～5题为单选，6～9题为多选)

1．下列叙述，正确的是(　C　)

A．气体吸热后温度一定升高

B．热量不可能从低温物体传到高温物体

C．能量耗散是从能量转化的角度反映出自然界中的宏观过程具有方向性

D．物体从单一热源吸收的热量在不引起外界变化的情况下可全部用于做功

[解析]　根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W，气体吸热后如果对外做功，则温度不一定升高，A错误；根据热力学第二定律，热量不可能自发地从低温物体传到高温物体，但在引起外界变化的情形下，可以从低温物体传到高温物体，B错误；能量耗散是从能量转化的角度反映出自然界中的宏观过程具有方向性，C正确；根据热力学第二定律，物体从单一热源吸收的热量在不引起外界变化的情况下，不可能使之完全变成功，D错误。

2．(2022·福建漳州调研)如图，汽缸内活塞左边封闭着一定量的可视为理想气体的空气，压强和大气压相同。把汽缸和活塞固定，使汽缸内空气升高一定的温度，空气吸收的热量Q1。如果让活塞可以自由滑动(活塞与汽缸间无摩擦、不漏气)，也使汽缸内空气温度升高相同温度，其吸收的热量为Q2，则Q1和Q2的大小关系是(　C　)

A．Q1＝Q2　 B．Q1>Q2

C．Q1<Q2　 D．不能确定

[解析]　本题考查热力学第一定律。对一定量的理想气体，内能由温度决定，两种情况下气体温度变化情况相同，气体内能变化量相等，即ΔU1＝ΔU2＝ΔU；第一种情况，汽缸与活塞都固定不动，气体体积不变，气体不做功，W1＝0，第二种情况，活塞自由移动，气体体积增大，气体对外做功，W2<0，由热力学第一定律ΔU＝W＋Q可知Q1＝ΔU1－W1＝ΔU1＝ΔU，Q2＝ΔU2－W2＝ΔU－W2>ΔU>Q1，选项C正确。

3．(2020·天津卷)水枪是孩子们喜爱的玩具，常见的气压式水枪储水罐示意如图所示。从储水罐充气口充入气体，达到一定压强后，关闭充气口。扣动扳机将阀门M打开，水即从枪口喷出。若在水不断喷出的过程中，罐内气体温度始终保持不变，则气体(　B　)

A．压强变大　 B．对外界做功

C．对外界放热　 D．分子平均动能变大

[解析]　由题意知，水不断喷出，气体体积增大，温度不变，由玻意耳定律得，罐内气体压强减小，A错误；气体体积增大，对外做功，B正确；温度是分子平均动能的标志，故温度不变，分子平均动能不变，D错误；温度不变，气体对外做功，由热力学第一定律得气体需要从外界吸收热量，C错误。

4．(2021·江苏卷，9)某汽车的四冲程内燃机利用奥托循环进行工作。该循环由两个绝热过程和两个等容过程组成。如图所示为一定质量的理想气体所经历的奥托循环，则该气体(　B　)

A．在状态a和c时的内能可能相等

B．在a→b过程中，外界对其做的功全部用于增加内能

C．b→c过程中增加的内能小于d→a过程中减少的内能

D．在一次循环过程中吸收的热量小于放出的热量

[解析]　从c到d为绝热过程，Q＝0，气体体积增大，对外界做功W<0，根据热力学第一定律可知ΔU<0，气体内能减少，即Tc>Td，从d到a为等容过程，由查理定律有＝C，可知压强减小时，温度降低，即Td>Ta，则状态c的温度高于状态a的温度，由于一定质量理想气体的内能只取决于其温度，所以状态a的内能小于状态c的内能，A错误；a→b过程为绝热压缩，外界对气体做功W>0，Q＝0，由热力学第一定律可知ΔU＝W，即外界对其做的功全部用于增加内能，B正确；由理想气体状态方程＝C可知，从b→c过程系统从外界吸收热量，从c→d气体体积增大，系统对外做功，从d→a系统放出热量，从a→b外界对系统做功，根据p－V图像与横轴围成的面积表示气体做功大小，可知c到d过程气体对外做功，图像中b→c→d→a围成的图形面积为气体对外做的功ΔW<0，整个过程气体内能变化量为零，则－ΔW＝ΔQ，即ΔQ＝Q吸－Q放＝－ΔW>0，即在一次循环过程中吸收的热量大于放出的热量，则b→c过程中增加的内能大于d→a过程中减少的内能，C、D错误。

5．(2021·山东卷，2)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(　B　)

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

[解析]　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，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。

6．(2021·河南高三期末)关于热力学规律，下列说法正确的是(　BCD　)

A．热力学第一定律和热力学第二定律从不同角度阐述了能量守恒定律

B．从微观意义上讲，在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小

C．从微观意义上讲，热力学第二定律是一个统计规律

D．一定质量的理想气体放出热量，则分子的平均动能不一定减少

[解析]　热力学第一定律是能量守恒定律，而热力学第二定律则是反映自然过程的方向性的定律，故A错误；根据熵增加原理，从微观意义上讲，在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小，故B正确；从微观意义上讲，热力学第二定律是一个统计规律，故C正确；热力学第一定律ΔU＝W＋Q，其中W是外界对热力学系统做的功，Q是外界向热力学系统传递的热量。一定质量的理想气体放出热量的同时，如果外界对气体做了功，气体的内能不一定减少，所以分子的平均动能不一定减少，故D正确。

7．下列说法正确的是(　AD　)

A．一定质量的理想气体等温膨胀时，该理想气体吸收的热量全部用于对外做功

B．利用新科技手段对内燃机进行不断的改进，可以使内燃机获得的内能全部转化为机械能而不引起其他变化

C．夏天开空调可以使房间的温度比室外低，说明热量可以自发地从低温物体传向高温物体

D．第二类永动机不可能制成是因为违背了热力学第二定律

[解析]　一定质量的理想气体等温膨胀时，根据热力学第一定律，温度不变(ΔU＝0)，体积增大(W<0)，气体吸收热量(Q>O)，该理想气体吸收的热量全部用于对外做功，故A正确；根据热力学第二定律，随着科技的进步，热机的效率也不能达到100%，不能使内燃机获得的内能全部转化为机械能而不引起其他变化，故B错误；夏天开空调可以使房间的温度比室外低，说明热量可以从低温物体传向高温物体，但必须有电对其做功，而不是自发的过程，故C错误；第二类永动机不可能制成是因为违背了热力学第二定律，故D正确。

8．(2021·襄阳高三月考)如图用隔板将一绝热汽缸分成两部分，隔板左侧充有理想气体，隔板右侧与绝热活塞之间是真空。现将隔板抽开，气体会自发扩散至整个汽缸。待气体达到稳定后，缓慢推压活塞，将气体压回到原来的体积。假设整个系统不漏气。下列说法正确的是(　ABD　)

A．气体自发扩散前后内能相同

B．气体在被压缩的过程中内能增大

C．在自发扩散过程中，气体对外界做功

D．气体正在被压缩的过程中，外界对气体做功

[解析]　因为汽缸、活塞都是绝热的，隔板右侧是真空，所以理想气体在自发扩散的过程中，既不吸热也不放热，也不对外界做功。根据热力学第一定律可知，气体自发扩散前后，内能不变，选项A正确，选项C错误；气体被压缩的过程中，外界对气体做功，气体内能增大，又因为一定质量的理想气体的内能只与温度有关，所以气体温度升高，分子平均动能增大，选项B、D正确。

9．如图，一定量的理想气体从状态a变化到状态b，其过程如p－V图中从a到b的直线所示。在此过程中(　BCD　)

A．气体温度一直降低 B．气体内能一直增加

C．气体一直对外做功 D．气体一直从外界吸热

[解析]　A错：在p－V图中理想气体的等温线是双曲线的一支，而且离坐标轴越远温度越高，故从a到b温度升高。B对：一定质量的理想气体的内能由温度决定，温度越高，内能越大。C对：气体体积膨胀，对外做功。D对：根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W，得Q＝ΔU－W，由于ΔU＞0、W＜0，故Q＞0，气体吸热。

二、非选择题

10．(2021·河南高三一模)全球暴发的新型冠状病毒威胁着人们的身体健康，某防疫站消毒用的喷雾消毒器的原理图如图所示，圆柱形喷雾器高为h＝1 m，体积为V＝20 L，内有体积为10 L的消毒液和标准大气压的空气，消毒液的密度ρ＝1.0×103 kg/m3，外界大气压强p0＝1.0×105 Pa，重力加速度g取10 m/s2，喷雾口与喷雾器等高，忽略喷雾管的体积。现把喷雾管阀门K关闭，用打气筒打气，打气筒每次可以把压强为p0＝1.0×105 Pa、体积V0＝1 L的气体打入桶中，设整个过程中喷雾器中气体可视为理想气体，温度保持不变。求：

(1)打气筒至少打气几次，才能在打开阀门K后使消毒液全部流出；

(2)打开阀门K后，在消毒液流出的过程中，桶内气体内能怎么变化，吸热还是放热。

[答案]　(1)n＝12　(2)内能不变，吸热

[解析]　(1)设打气n次，初状态气体压强为p0，体积为V1＝＋nV0，

末状态气体压强为p＝p0＋ρgh，体积为V，根据玻意耳定律有p0V1＝pV，

联立解得n＝12。

(2)打开阀门K后，在消毒液流出的过程中，温度不变，桶内气体内能不变，体积增大对外做功，吸热。

11．(2022·辽宁高三模拟)2020年11月10日8时12分，中国研发的万米载人潜水器“奋斗者号”在马里亚纳海沟成功坐底，坐底深度10 909米，刷新中国载人深潜的新纪录。载人潜水器是进入“无人区”的科考利器。某科技小组深受启发，自己动手制作了潜水器模型。如图所示，高压气瓶通过细管与压载水箱连接，压载水箱通过通海口(细管)通向外界，连接各部分的细管容积不计，压载水箱中有一厚度忽略不计的轻活塞，在地面先将高压空气充入高压气瓶中，关闭阀门K，此时活塞在压载水箱最右端。压载水箱通过通海口装满水后，潜水器下沉到水下h＝20 m处悬停，通过遥控器将阀门K打开，高压气瓶中的气体缓慢膨胀推动活塞，刚好能够将压载水箱中的水全部排出，已知高压气瓶的容积为1.5 L，压载水箱的容积为6 L，大气压强p0＝1.0×105Pa，水的密度ρ＝1.0×103kg/m3，g＝10 m/s2。若气体温度不变，活塞与水箱的摩擦力忽略不计，求：

(1)气体膨胀过程吸热还是放热？气体与外界交换的热量是多少？

(2)高压气瓶中气体的初始压强为多大？

[答案]　(1)吸热，1 800 J　(2)1.5×106 Pa

[解析]　(1)根据热力学公式，即有ΔU＝W＋Q，

由于等温，即ΔU＝0，则有Q＝－W，p2＝p0＋ρgh＝3×105 Pa，

所以W＝－p2ΔV＝－3×105×6×10－3 J＝－1 800 J，

所以Q＝1 800 J，即吸收1 800 J的热量。

(2)对封闭的气体，经历等温过程，根据气态方程，即有p1V1＝p2V2，

其中V1＝1.5 L，V2＝7.5 L，代入数据，得p1＝1.5×106 Pa。