第三章 热力学定律 （含解析）人教版选择性必修三

第三章热力学定律
一、单选题
1.根据热力学定律和能量守恒，下列说法中正确的是
A. 空调在制冷过程中，从室内吸收的热量少于向室外放出的热量
B. 通过采用先进技术，热机可以实现把燃料产生的内能全部转化为机械能
C. 在密闭的房间里，把正常工作的冰箱门打开，可以使房间降温
D. 在密闭的房间里，把正常工作的冰箱门打开，房间温度不会有任何变化
2.下列说法中不正确的是( )
A. 自发的热传递过程是向着分子热运动无序性增大的方向进行的
B. 民间常用“拔火罐”来治疗某些疾病，方法是将点燃的纸片放入火罐内，当纸片燃烧完时，迅速将火罐开口端紧压在皮肤上，火罐就会紧紧地“吸”在皮肤上。其原因是火罐内的气体体积不变时，温度降低，压强减小
C. 空调既能制热又能制冷，说明在不自发的条件下，热传递可以逆向
D. 相互间达到热平衡的两物体的内能一定相等
3.如图所示，绝热的汽缸被一个绝热的活塞分成左、右两部分，活塞质量不计，活塞用销钉锁住，活塞与汽缸之间没有摩擦，汽缸左边装有一定质量的理想气体，右边为真空，现在拔去销钉，抽去活塞，让气体向右边的真空做绝热自由膨胀，下列说法正确的是( )
A. 气体在向真空膨胀的过程中对外做功，气体内能减少
B. 气体在向真空膨胀的过程中，分子平均动能变小
C. 气体在向真空膨胀的过程中，系统的熵不可能增加
D. 若无外界的干预，气体分子不可能自发地退回到左边，使右边重新成为真空
4.关于下列四幅图像中物理现象的描述，说法正确的是( )
A. 图甲为“饮水小鸭”玩具，小鸭虽能不断饮水，但不违背能量守恒定律
B. 图乙为空气压缩引火仪，硝化棉被点燃，是因为活塞与容器壁摩擦产生了热量
C. 图丙为红墨水在清水中的扩散现象，扩散的快慢与温度无关
D. 图丁为一台冰箱，给冰箱供电后，热量自发地从冰箱内部传到了外部
5.固定的汽缸内由活塞封闭着一定质量的气体，在通常的情况下，这些气体分子之间的相互作用力可以忽略。在外力作用下，将活塞缓慢地向上拉动，如图所示。在拉动活塞的过程中，假设汽缸壁的导热性能很好，环境的温度保持不变，关于对汽缸内的气体的下列论述，其中正确的是( )
A. 气体对活塞做功，气体的内能减少
B. 气体从外界吸热，气体分子的平均动能增大
C. 气体从外界吸热，气体压强不变
D. 气体单位体积的分子数减小，气体压强减小
6.年月号上午，神舟号飞船在内蒙古东风着陆场顺利降落，气闸舱是实验舱中供航天员进入太空或由太空返回用的气密性装置。气闸舱的工作原理简化图如图所示，座舱充满一定质量的理想气体，座舱内为真空。打开阀门，气体会自发扩散至中，气体最终达到平衡，整个系统不漏气且与外界没有热交换，下列说法正确的是( )
A. 平衡后，气体系统的熵值在减小
B. 座舱中气体自发扩散过程中，气体对外做功，内能减小
C. 平衡后，座舱中气体可能自发的全部回到座舱中
D. 平衡后，气体分子单位时间内，与器壁单位面积的碰撞次数减少
7.如图所示，和是绝热气缸内的两个活塞，他们把气缸分成甲和乙两部分，两部分中都封有等量的理想气体．是导热的，其热容量可不计，与气缸壁固连．是绝热的，可在气缸内无摩擦滑动，但不漏气，其右方为大气．图中为加热用的电炉丝．开始时，系统处于平衡状态，两部分中气体的温度和压强皆相同．现接通电源，缓慢加热一段时间后停止加热，系统又达到新的平衡．则( )
A. 甲、乙中气体的温度有可能不变
B. 甲、乙中气体的压强都增加了
C. 甲、乙中气体的内能的增加量相等
D. 电炉丝放出的总热量等于甲、乙中气体增加内能的总和
8.新冠肺炎疫情期间，某班级用于消毒的喷壶示意图如图所示。闭合阀门，向下摁压杆可向瓶内储气室充气，多次充气后按下按柄打开阀门，消毒液会自动经导管从喷嘴处喷出。在室温下，储气室内气体视为理想气体，喷壶由绝热材料制造，下列说法正确的是( )
A. 充气过程中，储气室内气体每个分子的动能都增大
B. 充气过程中，储气室内气体分子热运动的平均动能不变
C. 喷液过程中，储气室内气体的压强增加
D. 喷液过程中，储气室内气体分子热运动的剧烈程度降低
9.一定质量的理想气体的体积与温度的关系如图所示，该理想气体从状态依次经过的变化过程，其中段与轴平行，的延长线过原点，的反向延长线与轴的交点坐标为则
A. 气体在的过程中压强增大
B. 气体在的过程中压强不变
C. 气体在的过程中向外界放出热量，内能减少
D. 气体在的过程中从外界吸收热量，内能增加
10.如图所示，内壁光滑的绝热气缸内用绝热活塞封闭一定质量的理想气体，初始时气缸开口向上放置，活塞处于静止状态，将气缸缓慢转动过程中，缸内气体( )
A. 内能增加，外界对气体做正功
B. 内能减小，所有分子热运动速率都减小
C. 温度降低，速率大的分子数占总分子数比例减少
D. 温度升高，速率大的分子数占总分子数比例增加
二、多选题
11.下列说法正确的是( )
A. 一定质量的的水吸收热量后变成的水蒸气，系统的内能保持不变
B. 对某物体做功，可能会使该物体的内能增加
C. 实际气体分子热运动的平均动能与分子间势能分别取决于气体的温度和体积
D. 一个系统与另一个系统达到热平衡时两系统温度相同
12.如图所示，地面上一弹簧竖直支撑着一带活塞的导热汽缸，活塞与汽缸间封闭着一定质量的理想气体，汽缸内部横截面的面积为，平衡时活塞到汽缸顶部的距离为。已知大气压强恒为，初始时气体的温度为，汽缸的质量为，且，重力加速度为，活塞可无摩擦地自由滑动且不漏气。先缓慢升高环境温度到，然后在汽缸顶部轻放一个质量为的物块，稳定时活塞到汽缸顶部的距离仍为。弹簧始终在弹性限度内，下列说法正确的是 ( )
A. 升温过程，活塞对气体做的功为
B. 气体变化过程中活塞到汽缸顶部的最大距离为
C. 物块与汽缸的质量关系为
D. 从放上物块到气体稳定的过程，气体吸收热量
13.气压式电脑桌的简易结构如图所示。导热性能良好的汽缸与活塞之间封闭一定质量的理想气体，活塞可在汽缸内无摩擦运动。设气体的初始状态为，将电脑放在桌面上，桌面下降一段距离后达到稳定状态。打开空调一段时间后，桌面回到初始高度，此时气体状态为。下列说法正确的是( )
A. 从到的过程中，内能不变
B. 从到的过程中，气体会从外界吸热
C. 从到的过程中，气体分子平均动能不变
D. 从到的过程中，气体分子在单位时间内对单位面积的碰撞次数变少
14.一定质量的理想气体经历了如图所示的循环，该过程中的每个状态都可视为平衡态，各状态参数如图所示。下列说法正确的是( )
A. 的过程中，气体从外界吸热，内能不变
B. 的过程中，气体的压强增大，单位体积内的分子数不变
C. 的过程中，气体的压强不变，气体从外界吸热
D. 状态时单位时间内与器壁单位面积碰撞的分子数比状态时的多
15.一定质量的理想气体从状态经状态、、回到状态，此过程气体的关系图像如图所示，其中过程为双曲线的一部分，、、过程平行于坐标轴已知在状态时气体温度为，则下列说法正确的是( )
A. 在状态时气体的温度为
B. 过程气体放热
C. 过程外界对气体做功
D. 从状态经一次循环再回到状态的过程中气体向外吸热大于
16.如图为焦耳实验装置示意图，用绝热性能良好的材料制作容器，重物下落时带动叶片转动，搅拌容器里的水，引起水温升高，关于这个实验，下列说法正确的是( )
A. 该装置可测定做功和内能变化的关系 B. 做功增加了水的热量
C. 做功增加了水的内能 D. 功和热量是完全等价的，无区别
17.一定质量的理想气体，初始温度为，压强为。经等容过程，该气体吸收的热量后温度上升；若经等压过程，需要吸收的热量才能使气体温度上升。下列说法正确的是( )
A. 初始状态下，气体的体积为
B. 等压过程中，气体对外做功
C. 等压过程中，气体体积增加了原体积的
D. 两个过程中，气体的内能增加量都为
18.一定质量的理想气体，经过一个缓慢的过程从状态变化到状态，该过程的图像如图甲所示，图乙为其图像，、两条曲线中的一条与上述过程对应，曲线和均为开口向下的抛物线，下列说法正确的是 ( )
A. 曲线对应了到的过程
B. 曲线对应了到的过程
C. 到的过程理想气体吸收的热量为
D. 状态中气体分子单位时间内与器壁单位面积上的碰撞次数是状态的倍
三、计算题
19.在图甲所示的密闭气缸内装有一定质量的理想气体，图乙是它从状态变化到状态的图象．已知的反向延长线通过坐标原点，气体在点的压强为，在从状态变化到状态的过程中，气体吸收的热量 ，求：
气体在此状态的体积；
此过程中气体内能的增量．
20.如图所示、横截面积的薄壁气缸开口向上竖直放置，、为固定在气缸内壁的卡口，、之间的距离，到气缸底部的距离，质量的水平活塞与气缸内壁接触良好，只能在、之间移动，刚开始时缸内理想气体的压强为大气压强，热力学温度，活塞停在处，取重力加速度大小，活塞厚度、卡口的体积均可忽略，气缸、活塞的导热性能均良好，不计活塞与气缸之间的摩擦。若缓慢升高缸内气体的温度，外界大气压强恒定。
求当活塞刚要离开卡口时，缸内气体的热力学温度；
求当缸内气体的热力学温度时，缸内气体的压强；
在以上全过程中气体内能增量，求全过程缸内气体吸收的热量。
21.如甲图所示拔火罐是中医的一种传统疗法，以罐为工具，利用燃火产生负压，使之吸附于体表、造成局部瘀血，以达到通经活络、消肿止痛等作用。小明亲身体验拔火罐的魅力后，想研究一下“火罐”的“吸力”，设计了如乙图的实验装置：将一个横截面积为的圆柱状汽缸倒置固定在铁架台上，轻质活塞通过细线与放在台面的重物相连。实验时，他从汽缸底部的阀门处，投入一团燃烧的轻质酒精棉球。待酒精棉球熄灭后，立即密闭阀门。此时，活塞下的细线恰好被拉直，但拉力为零，活塞距汽缸底部的距离为。由于汽缸传热良好，随后重物会被缓慢拉起，最后重物稳定在距台面处。已知环境温度不变，，为大气压强，汽缸内的气体可看作理想气体，不计活塞与汽缸内壁之间的摩擦。求：
酒精棉球熄灭时的温度与环境温度的比值；
若从酒精棉球熄灭到最终稳定过程中气体放出的热量为，求气体内能的变化。
答案和解析
1.【答案】
【解析】A.空调在制冷过程中需要通过压缩机做功，以至于从室内物体吸收的热量少于向室外环境放出的热量，故A正确；
B.热机不可能把燃料产生的内能全部转化为机械能为人们所利用，故B错误；
冰箱消耗电能使冰箱内外发生热交换而达到内部制冷，把冰箱与房间看成一个系统，打开冰箱门后，冰箱与房间内的热交换发生在系统内，系统内部无法使系统总能量发生变化。但系统消耗电能增加了系统的总能量，根据能量守恒定律，系统增加的能量转化为内能使房间的温度升高。故CD错误。
故选A。
2.【答案】
【解析】A.根据热力学第二定律可知，自然发生的热传递过程是向着分子热运动无序性增大的方向进行的，故A正确；
B.当火罐内的气体体积不变时，温度降低，根据气态方程分析知，气体的压强减小，这样外界大气压大于火罐内气体的压强，从而使火罐紧紧地被“吸”在皮肤上，故B正确；
C.空调既能制热又能制冷，根据热力学第二定律可知，空调机在不自发的条件下，热传递可以逆向，故C正确；
D.相互间达到热平衡的两物体的温度一定相等，内能不一定相等，与分子数有关，故D错误。
本题选错误的，故选D。
3.【答案】
【解析】、气体在向右边的真空膨胀的过程中没有力的作用，所以气体不做功，即，绝热过程，，根据热力学第一定律，可知，所以气体内能不变，温度不变，分子的平均动能不变，故AB错误；
C、根据熵增原理可知，气体在向真空膨胀的过程中，系统的熵是增加的，故C错误；
D、若无外界的干预，根据热力学第二定律可知，涉及热现象的宏观过程具有方向性，因此，气体分子不可能自发地退回到左边，使右边重新成为真空，故D正确。
4.【答案】
【解析】A.小鸭能不断饮水，是因为小鸭头部得水分不断蒸发，吸收周围的热量，不违背能量守恒定律，故 A正确；
B.硝化棉被点燃，是因为外界压缩空气做功，故 B错误；
C.扩散的快慢与温度有关，故 C错误；
D.给冰箱供电后，热量不是自发地从冰箱内部传到了外部，故 D错误。
综上所述，本题选择。
5.【答案】
【解析】、由题意知，汽缸内的封闭气体是理想气体且温度不变，故平均动能不变，气体内能不变，故AB错误；
、气体体积增大，对外做功，根据热力学第一定律可知，气体吸收热量；封闭气体温度不变，体积增大，压强减小，故C错误，D正确。故选：。
6.【答案】
【解析】A.由于气体分子无规则运动的空间变大，所以无序性增加，即熵增加，故A错误；
B.气体自由扩散，没有对外做功，又因为整个系统不漏气且与外界没有热交换，气体内能不变，故B错误；
C.根据熵增加原理可知，一切宏观热现象均具有方向性，中气体不可能自发地全部回到座舱中，故C错误；
D.气体温度不变，体积增大，单位体积内的分子数减少，单位时间内对单位面积的碰撞次数减少，故D正确。
故选D。
7.【答案】
【解析】A.由热力学第二定律可知，由甲、乙组成的系统在吸收电炉丝传来的热量后，这一总热量必然有一部分用来增加系统的内能，使得甲、乙气体中的温度升高，故A错误；
C.因为甲、乙中封的气体是等量的，且 是导热的是绝热的，所以加热后再次达到新的平衡时，甲、乙中气体的温度一定相同且两部分中都封有等量的理想气体；故C正确；
电炉丝放出的总热量等于甲、乙中气体增加内能的总和再加上活塞可在气缸内无摩擦滑动可对外界做功，因此乙中气体的压强始终等于大气压强，故 BD错误。
故选 。
8.【答案】
【解析】、向下摁压杆，外界对气体做功，喷壶由绝热材料制造，与外界无热量交换，，，由热力学第一定律知，气体温度升高，温度是分子平均动能的标志，储气室内气体分子平均动能增大，但不是每个分子动能都增大，故A错误；
、喷壶由绝热材料制造，与外界无热量交换，，喷液过程中，气体体积变大，，由热力学第一定律知，气体温度降低，气体体积变大，由恒量可知压强减小，故错误；
、喷液过程中，，气体温度减小，气体分子热运动的剧烈程度降低，故正确。
故选：。
9.【答案】
【解析】A、由和结合图知，气体在的过程中压强不变，的过程中压强增大，故AB错误；
C、气体在的过程中，温度逐渐降低，体积逐渐减小，则气体的内能逐渐减小，外界对气体做功，由热力学第一定律知，气体放热，故C正确；
D、气体在的过程中，温度不变，体积逐渐增大，则气体的内能不变，气体对外做功，由热力学第一定律知，气体从外界吸热热量，故D错误。
10.【答案】
【解析】设大气压强为，活塞的质量为。初始时缸内气体的压强为，对活塞受力分析，因为活塞处于平衡状态，则有，气缸在缓慢转动的过程中，气缸内外气体对活塞的压力差大于重力沿气缸壁的分力，故气缸内气体缓慢的将活塞往外推，最后气缸水平，缸内气压等于大气压。
因为气缸、活塞都是绝热的，故气体与外界没有发生热传递，即。由于在缓慢转动过程中，气缸内外气体对活塞的压力差大于重力沿气缸壁的分力，所以活塞向外运动，气体体积增大，气体对外做功，即，根据热力学第一定律可知：气体内能减小，故缸内理想气体的温度降低，分子热运动的平均速率减小，但并不是所有分子热运动的速率都减小，AB错误；
因为气体的内能减小，所以缸内气体的温度降低，分子热运动的平均速率减小，即速率大的分子数占总分子数的比例减小，C正确，D错误。
故选C。
11.【答案】
【解析】A.水变成水蒸气，温度不变，分子平均动能不变；但因为体积增大，分子间距离增大，因为气体分子间间距接近，故在变化过程中分子力做负功，分子势能增大，故A错误；
B.做功和热传递均可以改变物体的内能，所以对某物体做功，可能会使该物体的内能增加，故B正确；
C.气体分子热运动的平均动能与分子间势能分别取决于气体的温度和体积，故C正确；
D.两系统达到热平衡的条件为温度相同，故D正确。
故选BCD。
12.【答案】
【解析】A.升温过程，气体做等压变化，汽缸上移，将汽缸、气体和活塞看作一个整体，整体的重力不变，则弹簧的弹力不变，弹簧的长度也不变，则活塞保持不动，活塞对气体不做功，故A错误
B.设气体升温平衡后活塞到汽缸顶部的距离为，升温过程，气体做等压变化，根据盖吕萨克定律，有，解得，汽缸顶部放上物块后，气体做等温压缩，汽缸下降，活塞到汽缸顶部的距离变小到，则活塞到汽缸顶部的最大距离为，故B正确
C.刚开始时，对汽缸，由平衡条件，有，汽缸顶部放上物块平衡后，对汽缸，由平衡条件，有，汽缸顶部放上物块后，气体做等温变化，体积变为开始升温前的体积，则气体在整个过程等效为等容变化，由查理定律，有，联立解得，故C正确
D.放上物块后，气体做等温压缩，则外界对气体做功，即，，根据热力学第一定律，有，则，气体向外界放出热量，故D错误。
故选BC。
13.【答案】
【解析】分析题意可知，封闭气体经历是等温变化，内能不变，将电脑放在桌面上，理想气体体积减小，根据玻意耳定律，可知气体压强增大；因为压缩气体所以外界对气体做功，即，根据热力学第一定律可知
可知，即气体向外界放热，故B错误；A正确；
封闭气体经历从的过程中，压强不变，体积增大，根据盖吕萨克定律可知温度升高，气体分子平均动能增大；
又理想气体的压强不变，即，则气体处于状态时单位时间内对单位面积容器壁的分子数变少，故C错误，D正确。
故选AD。
14.【答案】
【解析】A.的过程中，由于温度不变，气体的内能不变，体积变大，气体对外做功，根据热力学第一定律可知，气体从外界吸热，故A正确；
B.的过程中，气体的体积不变，单位体积内的分子数不变，气体的温度升高，根据气体定律可知气体的压强增大，故B正确；
C.的过程中，由于保持不变，故气体的压强不变，气体的体积变小，外界对气体做功，气体的温度降低，气体的内能减小，根据热力学第一定律可知，气体对外界放热，故C错误；
D.的过程中，气体的压强不变，气体的温度降低，根据气体压强的微观意义可知单位时间内与器壁单位面积碰撞的分子数变多，即状态时单位时间内与器壁单位面积碰撞的分子数比状态时的少，故D错误。
故选AB。
15.【答案】
【解析】A.过程，由理想气体状态方程得解得A错误
B.过程，气体体积减小外界对气体做功，压强不变，温度降低，内能减小，气体放热，B正确
C.过程，气体对外做的功等于图像与横轴所围图形面积，由图得其小于， C错误
D.在一次循环过程后，内能不变，整个过程中，气体对外界做功大于，根据热力学第一定律可知，在一次循环过程中气体吸收的热量大于，D正确。
16.【答案】
【解析】该实验测定做功和内能变化的关系，故选项A正确；
该实验是绝热过程，没有传热，水内能的改变是由于做功，故选项C正确；
做功表示能量的转化，而热量表示传热中内能的转移，二者有区别，故选项B、D错误。
17.【答案】
【解析】C、令理想气体的初始状态的压强，体积和温度分别为，等容过程，由查理定律可得，解得，若经等压过程，，由盖吕萨克定律可得，解得，等压过程中，气体体积增加了原体积的 ，故C错误；
D、等容过程中气体做功为零，由热力学第一定律，又两个过程的初末温度相同即内能变化相同，因此内能增加都为 ，D正确；
、等压过程内能增加了 ，吸收热量为 ，由热力学第一定律可知气体对外做功为 ，即做功的大小为，解得，A正确，B错误。
故选AD。
18.【答案】
【解析】由图乙过原点的倾斜虚线表示等压变化，曲线有与虚线相交的点，该点压强为，结合甲图可知到过程压强一直减小，故对应到的过程，故A错误，B正确；
C.由图甲结合理想气体状态方程可知，气体内能的变化量，由甲图可知外界对气体做功为，根据热力学第一定律，可知到的过程理想气体吸收的热量为，故C正确；
D.、状态温度相同，即分子平均速率相同，状态的压强是状态的倍，状态中气体分子单位时间内与器壁单位面积上的碰撞次数是状态的倍，故D错误。
故选BC。
19.【解析】由题图象通过坐标原点，则知从到理想气体发生等压变化．
由盖吕萨克定律得：；
解得：
外界对气体做的功：
根据热力学第一定律：
解得：．
20.【解析】设当活塞刚好离开卡口时，缸内气体的压强为，对活塞，根据物体的平衡条件有
解得
根据查理定律有
解得；
假设当缸内气体的热力学温度时活塞能到达卡口处，且活塞恰好与卡口接触时缸内气体的热力学温度为，根据盖吕萨克定律有
解得
故当缸内气体的热力学温度时活塞能到达卡口处，此后，根据查理定律有
解得；
气体对外做功，根据热力学第一定律，得。
21.【解析】阀门密闭时，气体压强为，重物稳定在距台面 处时，由平衡条件得
可得
根据理想气体状态方程
解得
外界对气体做功为
根据热力学第一定律
可得气体内能变化量
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