新高考物理一轮复习考点分层训练15.3 热力学定律与能量守恒定律（2份，原卷版+解析版）

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\l "_Tc207997209" 题组1：热力学第一定律的理解 PAGEREF _Tc207997209 \h 1
\l "_Tc207997210" 题组2：热力学第一定律的应用 PAGEREF _Tc207997210 \h 2
\l "_Tc207997211" 考点二 热力学第二定律的理解与应用 PAGEREF _Tc207997211 \h 3
\l "_Tc207997212" 题组1：热力学第二定律 PAGEREF _Tc207997212 \h 3
\l "_Tc207997213" 题组2：热力学第二定律的应用 PAGEREF _Tc207997213 \h 4
\l "_Tc207997214" 考点三 热力学第一定律与气体图像 PAGEREF _Tc207997214 \h 5
\l "_Tc207997215" 题组1：热力学第一定律与P-V图像 PAGEREF _Tc207997215 \h 5
\l "_Tc207997216" 题组2：热力学第一定律与P-T图像 PAGEREF _Tc207997216 \h 7
\l "_Tc207997217" 题组3：热力学第一定律与V-T图像 PAGEREF _Tc207997217 \h 9
\l "_Tc207997218" 考点四 热力学定律与气体实验定律 PAGEREF _Tc207997218 \h 11
\l "_Tc207997219" 题组1：热力学定律与气体实验定律 PAGEREF _Tc207997219 \h 11
15.3 热力学定律与能量守恒定律
考点一 热力学第一定律的理解与应用
题组1：热力学第一定律的理解
1.（单选）关于物体的内能以及变化，以下说法正确的是( )
A. 物体的温度改变时，其内能必定改变
B. 物体对外做功，其内能不一定改变，向物体传递热量，其内能不一定改变
C. 物体对外做功，其内能必定改变，物体向外传出一定热量，其内能必定改变
D. 若物体与外界不发生热交换，则物体的内能必定不改变
【答案】B
【解答】A.物体的内能是分子动能和分子势能的和，温度是分子平均动能大小的标志，温度升高物体分子的平均动能增大，分子势能变化不清楚，所以內能不一定改变，故A错误；
BC.物体对外做功的同时如果从外界吸收热量，那么物体的内能就不一定改变；向物体传递热量的时候，如果物体同时对外做功，那么物体的内能也不一定改变，故B正确，C错误。
D.不发生热传递的话，也可以是对外界做功或者外界对物体做功，照样可以改变物体的内能，故D错误。
故选B。
2. （多选）采用涡轮增压技术可提高汽车发动机效率。将涡轮增压简化为以下两个过程，一定质量的理想气体首先经过绝热过程被压缩，然后经过等压过程回到初始温度，则( )
A. 绝热过程中，气体分子平均动能增加B. 绝热过程中，外界对气体做负功
C. 等压过程中，外界对气体做正功D. 等压过程中，气体内能不变
【答案】AC
【解答】AB.一定质量的理想气体经过绝热过程被压缩，可知气体体积减小，外界对气体做正功，根据热力学第一定律可知，气体内能增加，则气体温度升高，气体分子平均动能增加，故A正确，B错误；
CD.一定质量的理想气体经过等压过程回到初始温度，可知气体温度降低，气体内能减少；根据VT=C可知气体体积减小，外界对气体做正功，故C正确，D错误。
故选AC。
题组2：热力学第一定律的应用
3.内壁光滑的导热气缸固定在水平面上，用质量为m的活塞密封一段长度为L的气体，活塞的横截面积为S.给活塞一个向左的初速度v0，活塞向左移动了L10，此时速度减为零.已知大气压强为p0，不计密封气体温度的变化.求：

(1)活塞速度为零时，密封气体的压强p;
(2)该过程放出的热量Q放．
【答案】解：(1)由玻意耳定律得
p0LS=p(L−L10)S
解得
p=109p0
(2)设活塞对气体做功为W，吸收的热量为Q，对气体，由热力学第一定律得
ΔU=W+Q
由题意可知
Q放=−Q
ΔU=0
对活塞，由动能定理得
p0SL10−W=0−12mv02
解得
Q放=110p0LS+12mv02
4.研究表明，新冠病毒耐寒不耐热，温度在超过56°C时，30分钟就可以灭活。如图，含有新冠病毒的气体被轻质绝热活塞封闭在绝热气缸下部a内，气缸顶端有一绝热阀门K，气缸底部接有电热丝E.a缸内被封闭气体初始温度t1=27°C，活塞位于气缸中央，与底部的距离h1=60cm，活塞和气缸间的摩擦不计。
(1)若阀门K始终打开，电热丝通电一段时间，稳定后活塞与底部的距离h2=66cm，持续30分钟后，试分析说明a内新冠病毒能否被灭活？
(2)若阀门K始终闭合，电热丝通电一段时间，给a缸内气体传递了Q=1.0×104J的热量，稳定后气体a内能增加了△U=8.5×103J，求此过程气体b的内能增加量。
【答案】解：(1)设活塞横截面积为S，则
对a内气体，初态：V1=Sh1，T1=t1+273=300K
末态：V2=Sh2，T2=t2+273
阀门K打开，加热过程a气体做等压变化，由盖−吕萨克定律得
V1T1=V2T2
联立解得t2=57°>56°
故a内病毒能被灭活
(2)阀门K闭合，由于系统绝热，a气体膨胀对b气体做功，由热力学第一定律有：
△U=W+Q
解得W=−1.5×103J
对b气体，由于系统绝热，则△Ub=W=1.5×103J
考点二 热力学第二定律的理解与应用
题组1：热力学第二定律
1. （单选）如图所示为电冰箱的工作原理示意图，压缩机工作时，强迫制冷剂在冰箱内外的管道中不断循环，在蒸发器中制冷剂汽化，吸收箱体内的热量，经过冷凝器时制冷剂液化，放出热量到箱体外。下列说法正确的是( )
A. 热量可以自发地从低温的冰箱内传到高温的冰箱外
B. 电冰箱的制冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界，是因为其消耗了电能
C. 电冰箱的工作原理违反了热力学第一定律
D. 电冰箱的工作效率可达到100%
【答案】B
【解析】ABD.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，必须借助于其他系统做功，电冰箱的工作效率不可能达到100%，故 AD错误，B正确；
C.热力学第一定律是热现象中内能与其他形式能的转化规律，是能量守恒定律的具体表现，适用于所有的热现象，故C错误。
故选B。
题组2：热力学第二定律的应用
2.（单选）在热学中，下列说法正确的是( )
A. 第一类永动机不可制成是由于它违背了能量守恒定律
B. 第二类永动机不可制成是由于它违背了能量守恒定律
C. 热力学第二定律告诉我们机械能可以转化为内能而内能不能转化为机械能
D. 热量只能从高温物体传向低温物体，而不能从低温物体传向高温物体
【答案】A
【解答】A：不消耗能量而不断对外做功的第一类永动机是不可能制成的，因为它违背了能量守恒定律，故A正确；
B：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，故B错误；
C：热力学第二定律告诉我们机械能可以转化为内能，而内能在“一定的条件下”也能转化为机械能，故C错误；
D：热量能从高温物体传向低温物体，在“一定的条件下”也能从低温物体传向高温物体，故D错误。
故选：A。
3. （多选）如图所示，两固定绝热活塞把内壁光滑的绝热汽缸分成体积相等的I、II、III三部分，左侧活塞上带有阀门K，开始时阀门K关闭，I、III内理想气体的压强相等，II内为真空。t1时刻打开阀门K，经过一段时间稳定后，t2时刻取消右侧活塞的固定状态，在t3时刻右侧活塞停止运动。下列说法正确的是( )
A. 阀门K打开后，气体自I向II的扩散遵循热力学第二定律
B. t2时刻I中气体的压强是t1时刻的12
C. I中气体在t3时刻后的温度高于t1时刻前的温度
D. t2∼t3时间内III中气体的内能不变
【答案】ABC
【解析】A.阀门K打开后，气体自I向II的真空中的扩散是不可逆的，遵循热力学第二定律，A正确；
B.气体自I向II的真空中扩散时不做功，绝热过程，总内能不变，温度不变，体积变为原来的2倍，由理想气体状态方程pVT=C可知， t2 时刻I中气体的压强是 t1 时刻 12 ，B正确；
CD．t2∼t3 时间内III气体通过活塞对I、II中的气体做功，III中气体的内能减小，I、II中气体的内能增加，温度升高，C正确，D错误。
故选ABC。
考点三 热力学第一定律与气体图像
题组1：热力学第一定律与P-V图像
1. （单选）热力学理论上最完善的闭式概括性卡诺循环，它包含两个等容变化过程和两个等温变化过程，如图所示是一定质量的理想气体在该循环下的p−V图像，其中a→b和c→d是等温过程。关于卡诺循环，下列说法正确的是( )
A. a→b的过程中，气体从外界吸收热量
B. c→d过程中，气体分子在单位时间与器壁单位面积的碰撞次数增加
C. 经历如图所示这一完整的循环过程，气体对外界放出热量
D. b→c过程气体吸收的热量等于d→a过程气体放出的热量
【答案】D
【解析】A、由题图可知，a→b过程等温压缩过程，外界对气体做功，则W>0，内能不变，则ΔU=0，由热力学第一定律可得ΔU=W+Q，解得Q=−WQ2
B. 气体在状态A的体积为V02
C. 在B→C过程中，气体分子热运动的平均动能增大
D. 该热机完成一次循环，外界对气体做功为Q1−Q2
【答案】AB
【解析】A、A→B和C→D为两个等温过程，故在A→B过程从高温热源吸热为Q1等于气体对外做的功，Q2等于外界对气体做的功，A→B过程气体对外做的功大于C→D过程外界对气体做的功，所以Q1>Q2，A正确；
B、从D→A，设A状态体积为VA，由理想气体状态方程pDVD0.8T=pAVAT，解得VA=V02，B正确；
C、B→C为绝热过程，气体体积增大，对外做功，根据热力学第一定律ΔU=Q+W(绝热过程Q=0)，气体对外做功W< 0，所以ΔU< 0，理想气体内能减小，温度降低，气体分子热运动的平均动能减小， C错误；
D、该热机完成一次循环，内能不变ΔU=0，
根据热力学第一定律ΔU=Q+W，Q=Q1−Q2，则0=Q1−Q2+W，
所以气体对外界做功W=Q1−Q2， D错误。
题组2：热力学第一定律与P-T图像
3. （单选）一定质量的理想气体从状态M开始，经状态N、P、Q回到状态M，如p−T图所示．下列说法正确的是( )
A. N→P过程，气体放热
B. M→N过程，气体体积变大
C. 气体在N时的体积比在Q时的体积小
D. P→M过程，单位时间内撞击器壁单位面积的分子数增加
【答案】A
【解答】A.由图像可知，N→P过程气体温度不变，压强增大，由理想气体状态方程pVT=C可知气体体积减小，外界对气体做功，W>0，气体温度不变，气体内能不变，ΔU=0，由热力学第一定律ΔU=W+Q可知，气体放出热量，故A正确；
B.由图像可知，M→N过程气体温度降低，而压强不变，由理想气体状态方程pVT=C可知体积减小，故B错误；
C.由理想气体状态方程pVT=C可知p=CVT，p−T图像的斜率k=CV，由图像可知，N，Q连线过坐标原点，图像斜率不变，说明气体在状态N和状态Q时体积相等，故C错误；
D.P→M过程气体温度升高，而压强减小，气体分子对器壁单位面积的平均作用力减小，气体温度升高，分子的平均动能增大，则单位时间内撞击器壁单位面积的分子数减少，故D错误。
故选A。
4. （多选）一定质量的理想气体的状态变化情况如图所示，下列说法正确的是
A. a→b过程中，理想气体向外界放出热量B. a→b过程中，理想气体从外界吸收热量
C. b→c过程中，理想气体向外界放出热量D. b→c过程中，理想气体从外界吸收热量
【答案】BD
【解析】AB.a→b过程中，气体做等压变化，温度升高，内能增大，同时气体体积增大，对外做功，根据热力学第一定律△U=W+Q可得，理想气体从外界吸收热量，故B正确A错误；
CD.b→c过程中，温度不变，内能不变，气体体积增大，对外做功，根据热力学第一定律△U=W+Q可得，理想气体从外界吸收热量，故C错误D正确；
故选BD。
5. （多选）如图所示，一定质量的理想气体从状态A到状态B，再从状态B到状态C，最后从状态C回到状态A，已知气体在状态A的体积VA=2.0×10−3m3，从B到C过程中气体对外做功800 J。则( )
A. 气体在状态C时的体积为9.0×10−3m3
B. 气体在状态C时的体积为6.0×10−3m3
C. 气体从A→B→C→A的整个过程中吸收的热量为1200 J
D. 气体从A→B→C→A的整个过程中吸收的热量为400 J
【答案】BD
【解析】AB、从C到A是等压过程，根据盖−吕萨克定律VATA=VCTC。已知VA=2.0×10−3m3，TA=2×102K，TC=6×102K，则VC=TCTAVA=6×1022×102×2.0×10−3m3=6.0×10−3m3，所以A错误，B正确；
CD、A→B过程，由p−T图像过原点可知A→B是等容过程，此过程WAB=0。B→C过程气体对外做功WBC=−800J。C→A过程是等压过程，WCA=pC(VC−VA)=1×105×(6.0×10−3−2.0×10−3)J=400J。整个过程△U=0(因为初末状态相同，理想气体内能只与温度有关)，根据热力学第一定律
ΔU=Q+W，W=WAB+WBC+WCA=0−800J+400J=−400J，所以Q=−W=400J，即气体从A→B→C→A的整个过程中吸收的热量为400J，C错误， D正确。
题组3：热力学第一定律与V-T图像
6. （单选）将一定质量的理想气体自状态M变化至状态Q，某同学设计了两种不同的变化过程MN1Q和MN2Q，两过程的V−T图像如图所示，下列说法正确的是( )
A. 气体经过MN1Q过程比经过MN2Q过程吸收的热量少
B. 过程MN1Q气体分子平均动能的变化量大于过程MN2Q气体分子平均动能的变化量
C. 过程MN1Q气体对外做的功大于过程MN2Q气体对外做的功
D. 气体在状态M比在状态N2单位时间撞击容器壁单位面积的分子数多
【答案】A
【解析】B.气体经过MN1Q过程和经过MN2Q过程 ，气体的初状态温度相同，末状态温度相同，因此两过程气体的初状态内能相同，末状态内能相同，则分子平均动能的变化量相同，故B错误；
C.过程 MN1Q 气体先等压变化再等容变化，只有 MN1 阶段对外做功，做的功为 W1=p1ΔV，
过程 MN2Q 气体先等容变化再等压变化，只有 N2Q 阶段对外做功，做的功为 |W2|=p2ΔV，
根据理想气体状态方程，有 PVT=C，变形得 V=CpT，
可知V−T图像的斜率表示压强的倒数，可得 p1