新高考物理一轮复习分层提升练习专题72 热力学定律的综合应用（2份打包，原卷版+解析版）

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【知识导学与典例导练】
热力学第一定律
1．对热力学第一定律的理解
(1)做功和热传递在改变系统内能上是等效的。
(2)做功过程是系统与外界之间的其他形式能量与内能的相互转化。
(3)热传递过程是系统与外界之间内能的转移。
2．热力学第一定律的三种特殊情况
(1)若过程是绝热的，则Q＝0，W＝ΔU，外界对物体做的功等于物体内能的增加。
(2)若过程中不做功，则W＝0，Q＝ΔU，物体吸收的热量等于物体内能的增加。
(3)若过程的始、末状态物体的内能不变，则W＋Q＝0，即物体吸收的热量全部用来对外做功，或外界对物体做的功等于物体放出的热量。
3．公式ΔU＝W＋Q中符号法则的理解
【例1】“百脉寒泉珍珠滚”，为章丘八大景之一。泉水深5m，底部温度为17℃，一个体积为5.8×10－7m3的气泡，从底部缓慢上升，到达泉水表面温度为27℃。其内能增加了2×10－2J。g取10m/s2，外界大气压强取1.0×105Pa，水的密度取1×103kg/m3，气泡内气体视为理想气体。下列说法正确的是（ ）
A．气泡内所有分子动能都增大
B．气泡上升过程中对外做功，放出热量
C．气泡到达水面时的体积为8.7×10－8m3
D．上升过程中气泡吸收热量小于6.8×10－2J
热力学第二定律
1.热力学第二定律的含义
(1)“自发地”指明了热传递等热力学宏观现象的方向性，不需要借助外界提供能量的帮助。
(2)“不产生其他影响”的含义是发生的热力学宏观过程只在本系统内完成，对周围环境不产生热力学方面的影响，如吸热、放热、做功等。在产生其他影响的条件下内能可以全部转化为机械能，如气体的等温膨胀过程。
2．热力学第二定律的实质
热力学第二定律的每一种表述，都揭示了大量分子参与的宏观过程的方向性，进而使人们认识到自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性。
3.热力学第一、第二定律的比较
4.两类永动机的比较
【例2】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．热量可以自发地从冰箱内传到冰箱外
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背热力学第一定律
D．电冰箱除了将热量从低温热库传到高温热库外，工作过程中所产生的其他一切影响，无论用任何办法都不可能加以消除
三、热力学第一定律与气体图像的综合应用
处理热力学第一定律与气体图像的综合问题的思路：
(1)根据气体图像的特点判断气体的温度、体积的变化情况，从而判断气体与外界的吸、放热关系及做功关系。
(2)在p­V图像中，图线与V轴围成的面积表示气体对外界或外界对气体做的功。
(3)结合热力学第一定律判断有关问题。
【例3】一定质量的理想气体从状态A依次经过状态B、C和D后又回到状态A。其中C-D-A为等温过程，该循环过程如图所示，下列说法正确的是（ ）
A．B→C过程中，气体对外界做功
B．B→C过程中，外界对气体做功
C．A→B过程中，1s内撞击1m²器壁的气体分子个数变少
D．A→B过程中，气体分子的平均动能减小
【例4】一定量的理想气体从状态a经状态b变化到状态c，其过程如图所示，则气体（ ）
A．状态a处的压强大于状态c处的压强
B．状态b处的压强小于状态c处的压强
C．由a变化到b的过程中，气体向外界放热
D．由a变化到c的过程中，从外界吸收的热量小于其增加的内能
【例5】一定量的理想气体从状态 SKIPIF 1 < 0 开始，经历等温或等压过程 SKIPIF 1 < 0 、 SKIPIF 1 < 0 、 SKIPIF 1 < 0 、 SKIPIF 1 < 0 回到原状态，其 SKIPIF 1 < 0 图像如图所示，其中对角线 SKIPIF 1 < 0 的延长线过原点 SKIPIF 1 < 0 。下列判断正确的是（ ）
A．气体在 SKIPIF 1 < 0 、 SKIPIF 1 < 0 两状态的体积相等
B．在过程 SKIPIF 1 < 0 中气体向外界放出的热量大于外界对气体做的功
C．在过程 SKIPIF 1 < 0 中气体从外界吸收的热量小于气体对外界做的功
D．在过程 SKIPIF 1 < 0 中外界对气体做的功等于在过程da中气体对外界做的功
四、热力学第一定律与气体实验定律的综合应用
求解热力学定律与气体实验定律的综合问题的思路：
【例6】如图所示，上端带有卡口的横截面积为S、高为L的导热性能良好的气缸中用一光滑的活塞B封闭着一定质量的理想气体A，气缸底部与U形水银气压计（U形管内气体体积忽略不计）相连，已知气体内能U与热力学温度T的关系为 SKIPIF 1 < 0 ，其中 SKIPIF 1 < 0 为已知常数，活塞B的质量为m，重力加连度为g，大气压强为 SKIPIF 1 < 0 ，水银的密度为 SKIPIF 1 < 0 ，环境热力学温度为 SKIPIF 1 < 0 时，活塞离缸底的距离为 SKIPIF 1 < 0 。求：
（1）环境温度为 SKIPIF 1 < 0 时，U形气压计两侧水银面的高度差 SKIPIF 1 < 0 ；
（2）环境温度由 SKIPIF 1 < 0 缓慢升高至 SKIPIF 1 < 0 过程中，气体吸收的热量。
【多维度分层专练】
1．某同学设计的一个简易温度计如图所示，一根透明吸管插入导热良好的容器，连接处密封，在吸管内注入一小段油柱，外界大气压保持不变。将容器放入冰水中，观察到油柱缓慢下降，下列说法正确的是（ ）。
A．外界对气体做的功大于气体放出的热量
B．外界对气体做的功等于气体放出的热量
C．容器内壁的单位面积上受到气体分子的平均作用力增大
D．气体分子单位时间撞击容器壁单位面积的次数增加
2．如图所示，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，活塞可在汽缸内无摩擦地左右滑动。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（ ）
A．气体自发扩散前后内能减少
B．气体在被压缩的过程中内能增大
C．在自发扩散过程中，气体对外界没做功
D．气体在被压缩的过程中，外界对气体做负功
3．利用“涡流效应”可实现冷热气体的分离。如图，一冷热气体分离装置由喷嘴、涡流室、环形管、分离挡板和冷热两端管等构成。高压氮气由喷嘴切向流入涡流室中，然后以螺旋方式在环形管中向右旋转前进，分子热运动速率较小的气体分子将聚集到环形管中心部位，而分子热运动速率较大的气体分子将聚集到环形管边缘部位。气流到达分离挡板处时，中心部位气流与分离挡板碰撞后反向，从A端流出，边缘部位气流从B端流出。下列说法正确的是（ ）
A．A端为冷端，B端为热端
B．A端流出的气体分子热运动平均速率一定小于B端流出的
C．A端流出的气体内能一定大于B端流出的
D．该装置气体进出的过程满足能量守恒定律，但违背了热力学第二定律
E．该装置气体进出的过程既满足能量守恒定律，也满足热力学第二定律
4．如图所示，绝热容器被绝热隔板K1和卡销锁住的绝热光滑活塞K2隔成a、b、c三部分，a部分为真空，b部分为一定质量的稀薄气体，且压强pbA．只打开隔板K1，b中气体对外做功，内能减少
B．只打开隔板K1，b中气体不做功，内能不变
C．只打开隔板K1，b中气体压强减小，温度不变
D．只打开卡销K2，b中气体对外做功，内能减少
E．只打开卡销K2，外界对b中气体做功，b中气体内能增加
5．密闭导热容器里装有一定质量的理想气体，某一变化过程 SKIPIF 1 < 0 的 SKIPIF 1 < 0 图（p、T单位均为国际单位）如图所示，ab延长线通过坐标原点O，ac、bc与坐标轴平行。则由图可知（ ）
A． SKIPIF 1 < 0 过程气体从外界吸热，吸收的热量大于气体增加的内能
B． SKIPIF 1 < 0 过程气体对外做功，做功的数值小于气体吸收的热量
C． SKIPIF 1 < 0 过程气体内能减少，放出的热量大于外界对气体做功的数值
D． SKIPIF 1 < 0 过程气体对外做功，做功的数值小于气体吸收的热量
6．一定质量的理想气体从状态A经过状态B变化到状态C，其V-T图像如图所示。下列说法正确的有 （ ）
A．A→B的过程中，气体对外界做功
B．B→C的过程中，每个气体分子的动能都减小
C．A→B的过程中，气体放出热量
D．A→B→C的过程中，气体内能增加
7．一定质量的理想气体从状态 SKIPIF 1 < 0 开始，经 SKIPIF 1 < 0 三个过程后回到初始状态a，其 SKIPIF 1 < 0 图像如图所示，已知气体在状态 SKIPIF 1 < 0 时的体积为 SKIPIF 1 < 0 ， SKIPIF 1 < 0 的延长线过点（ SKIPIF 1 < 0 ）。下列说法正确的是（ ）
A．气体在状态b时的体积为 SKIPIF 1 < 0
B． SKIPIF 1 < 0 过程中，外界对气体做功
C． SKIPIF 1 < 0 过程中，气体向外界放热
D． SKIPIF 1 < 0 过程中，单位时间内容器壁单位面积上受到气体分子撞击的次数增加
E． SKIPIF 1 < 0 过程中，气体的体积增大
8．如图所示，一底部带加热丝（图中未画出）的绝热汽放在地面上，气缸里有一质量为m、横截面积为S的绝热活塞封闭着一定质量的理想气体，初始时封闭气体的温度为T0，活塞压在汽缸内壁的棱上，活塞离汽缸底部的距离为L，内壁的棱对活塞的总支持力为F=5mg。现在通过汽缸底部的加热丝缓慢对封闭气体加热。重力加速度为g。不计加热丝和力传感器的体积，外界大气压为 SKIPIF 1 < 0 ，且p0保持不变。
①当棱对活塞的支持力刚好为零时，求封闭气体的温度T1；
②当活塞向上移动2L时刚刚到达汽缸顶部，求此时封闭气体的温度T2，若此过程中封闭气体内能增加△U，则此过程中加热丝产生的热量Q为多少？
9．真空泵抽气腔与容器相连，活塞向左运动时即从容器中抽气，活塞向右运动时阀门自动关闭，将进入气腔内的气体全部排出，示意图如图甲。设抽气过程中抽气腔与容器中的气体压强始终相等，每次抽气活塞均从抽气腔最右端移动至最左端.已知容器的容积为 SKIPIF 1 < 0 ，抽气腔的容积为 SKIPIF 1 < 0 ，初始时刻气体压强为 SKIPIF 1 < 0 .
（1）若抽气过程中气体的温度保持不变，求第一次抽气后容器中气体的压强 SKIPIF 1 < 0 ；
（2）若在绝热的条件下，某次抽气过程中，气体压强 SKIPIF 1 < 0 随体积 SKIPIF 1 < 0 变化的规律如图乙，求该过程气体内能的变化量 SKIPIF 1 < 0 。
10．某同学估测室温的装置如图所示，用绝热的活塞封闭一定质量的理想气体，气缸导热性能良好。室温时气体的体积 SKIPIF 1 < 0 ，将气缸竖直放置于冰水混合物中，稳定后封闭气体的体积 SKIPIF 1 < 0 。不计活塞重力及活塞与缸壁间的摩擦，室内大气压 SKIPIF 1 < 0 ，阿伏加德罗常数 SKIPIF 1 < 0 。（取 SKIPIF 1 < 0 ）
（1）求室温是多少；
（2）若已知该气体在 SKIPIF 1 < 0 、0℃灯时的摩尔体积为 SKIPIF 1 < 0 ，求气缸内气体分子数目N；（计算结果保留两位有效数字）
（3）若已知该气体内能U与温度T满足 SKIPIF 1 < 0 ，则在上述过程中该气体向外释放的热量Q。
导练目标
导练内容
目标1
热力学第一定律
目标2
热力学第二定律
目标3
热力学第一定律与气体图像的综合应用
目标4
热力学第一定律与气体实验定律的综合应用
物理量
W
Q
ΔU
＋
外界对物体做功
物体吸收热量
内能增加
－
物体对外界做功
物体放出热量
内能减少
热力学第一定律
热力学第二定律
定律揭
示的
问题
从能量守恒的角度揭示了功、热量和内能改变量三者的定量关系
自然界中出现的宏观过程是有方向性的
机械能
和内能
的转化
当摩擦力做功时，机械能可以全部转化为内能
内能不可能在不引起其他变化的情况下完全变成机械能
热量的
传递
热量可以从高温物体自发传向低温物体
说明热量不能自发地从低温物体传向高温物体
两定律
的关系
在热力学中，两者既相互独立，又互为补充，共同构成了热力学知识的理论基础
第一类永动机
第二类永动机
设计要求
不需要任何动力或燃料，却能不断地对外做功的机器
从单一热源吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响的机器
不可能
制成的原因
违背能量守恒定律
不违背能量守恒定律，违背热力学第二定律