人教版高中物理选择性必修第三册章末综合检测（三）热力学定律含答案（教师用）

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章末综合检测（三） 热力学定律
(本试卷满分：100分)
一、单项选择题(本题共7小题，每小题4分，共28分。在每小题给出的四个选项中，只有一项是符合题目要求的)
1．关于物体内能与热量、做功的关系，以下说法正确的是(　　)
A．物体内能的多少可以用物体吸热或放热的多少来量度
B．内能大的物体热量多
C．两物体发生热传递，达到平衡后，它们的内能必定相等
D．做功和热传递对于改变物体内能是等效的
解析：选D　物体的内能的变化可以用物体吸热或放热的多少来量度，故A错误。热量是热传递的能量多少的量度，不是内能的量度，故B错误。物体发生热传递，达到平衡后，温度相等，而不是内能相等，内能除了与温度有关，还与物质的量有关，故C错误。做功和热传递对于改变物体内能是等效的，故D正确。
2．某校中学生参加某电视台“异想天开”节目的活动，他们提出了下列四个设想方案，从理论上讲可行的是(　　)
A．制作一个装置从海水中吸收内能全部用来做功
B．制作一种制冷设备，使温度降至绝对零度以下
C．汽车尾气中各类有害气体排入大气后严重污染了空气，想办法使它们自发地分离，既清洁了空气，又变废为宝
D．将房屋顶盖上太阳能板，可直接用太阳能来解决照明和热水问题
解析：选D　根据热力学第二定律知，在不产生其他影响时，内能不能全部转化为机械能，因此从海水中吸收内能全部用来做功而不产生其他影响是不可能实现的，选项A错误；绝对零度是温度的极值，是不能达到的，选项B错误；有害气体和空气不可能自发地分离，选项C错误；利用太阳能最有前途的领域是通过太阳能电池将太阳能转化为电能再加以利用，选项D正确。
3.如图所示，在紫铜管内滴入乙醚，盖紧管塞。用手拉住绳子两端迅速往复拉动，管塞会被冲开。管塞被冲开前(　　)
A．外界对管内气体做功，气体内能增加
B．管内气体对外界做功，气体内能减少
C．管内气体内能不变，压强变大
D．管内气体内能增加，压强变大
解析：选D　人克服绳与紫铜管间的摩擦做功，使管壁内能增加，温度升高。通过热传递，乙醚的内能增大，温度升高，直至沸腾，管塞会被冲开。管塞被冲开前管内气体内能增加，压强变大，故D正确。
4．一定量的理想气体在某一过程中，从外界吸收热量2.5×104 J，气体对外界做功1.0×104 J，则该理想气体的(　　)
A．温度降低，密度增大　　　B．温度降低，密度减小
C．温度升高，密度增大 D．温度升高，密度减小
解析：选D　由热力学第一定律ΔU＝W＋Q，Q＝2.5×104 J，W＝－1.0×104 J，可知ΔU大于零，气体内能增加，温度升高，A、B错；气体对外做功，体积增大，密度减小，C错，D对。
5．一种叫作“压电陶瓷”的电子元件，当对它挤压或拉伸时，它的两端就会形成一定的电压，这种现象称为压电效应。一种燃气打火机，就是应用了该元件的压电效应制成的。只要用大拇指压一下打火机上的按钮，压电陶瓷片就会产生10～20 kV的高压，形成火花放电，从而点燃可燃气体。上述过程中，压电陶瓷片完成的能量转化是(　　)
A．化学能转化为电能 B．内能转化为电能
C．光能转化为电能 D．机械能转化为电能
解析：选D　转化前要消耗机械能，转化后得到了电能，所以压电陶瓷片将机械能转化为电能，所以D正确。
6.某同学用橡皮塞塞紧饮料瓶，并用打气筒向饮料瓶内打气，装置如图所示。当压强增大到一定程度时，橡皮塞冲出，发现饮料瓶内壁中有水蒸气凝结，产生这一现象的原因是饮料瓶中气体(　　)
A．体积增大，温度升高 B．动能增大，温度升高
C．对外做功，温度降低 D．质量减少，温度降低
解析：选C　压强增大到一定程度时，橡皮塞冲出，过程时间极短，可以认为是绝热过程，对外界没有吸放热，瓶内气体膨胀，对外做功，根据热力学第一定律，ΔU＝Q＋W，可知Q＝0，W<0，气体内能减小，温度降低，故C选项正确。
7．A、B两装置，均由一支一端封闭、一端开口且带有玻璃泡的管状容器和水银槽组成，除玻璃泡在管上的位置不同外，其他条件都相同。将两管抽成真空后，开口向下竖直插入水银槽中(插入过程没有空气进入管内)，水银柱上升至图示位置停止。假设这一过程水银与外界没有热交换，则下列说法正确的是(　　)
A．A中水银的内能增量大于B中水银的内能增量
B．B中水银的内能增量大于A中水银的内能增量
C．A和B中水银体积保持不变，故内能增量相同
D．A和B中水银温度始终相同，故内能增量相同
解析：选B　大气压对水银槽内的水银做相同的功，因为玻璃管内吸进的水银一样多，由于A管重心高于B管，A管内水银重力势能大于B管的，根据能量的转化和守恒可知A管内的内能增加得少，B管内的内能增加得多，B正确。
二、多项选择题(本题共3小题，每小题6分，共18分。在每小题给出的四个选项中，有多项符合题目要求。全部选对的得6分，选对但不全的得3分，有选错的得0分)
8．下列说法正确的是(　　)
A．做功和热传递在改变物体内能上是等效的
B．每一个分子都有势能和动能，分子动能与分子势能之和就是分子内能
C．只有热传递才可以改变物体的内能
D．一定质量的理想气体的内能只与温度有关，温度越高，内能越大
解析：选AD　做功和热传递在改变物体内能上是等效的，A正确；分子势能存在于分子之间，单个的分子不存在分子势能，组成物质的所有分子动能与分子势能之和是物体的内能，故B错误；做功与热传递都可以改变物体的内能，故C错误；一定质量的理想气体的内能只与温度有关，温度越高，内能越大，D正确。
9．一定量理想气体从状态a变化到状态b，其过程如p T图上从a到b的线段所示。在此过程中(　 )
A．气体一直对外做功
B．气体的内能一直增加
C．气体一直从外界吸热
D．气体吸收的热量等于其对外做的功
解析：选BC　因从a到b的p T图像过原点，由＝C可知从a到b气体的体积不变，则从a到b气体不对外做功，A错误；因从a到b气体温度升高，可知气体内能增加，B正确；因W＝0，ΔU>0，根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q可知，气体一直从外界吸热，C正确，D错误。
10．(2024·海南高考)一定质量的理想气体从状态a开始经ab、bc、ca三个过程回到原状态，已知ab垂直于T轴，bc延长线过O点，下列说法正确的是(　　)
A．bc过程外界对气体做功
B．ca过程气体压强不变
C．ab过程气体放出热量
D．ca过程气体内能减小
解析：选AC　bc过程体积减小，外界对气体做功，故A正确；由理想气体状态方程＝C，整理可得V＝·T，可知V T图像上某点与原点连线的斜率越大，该点的压强越小，故pa＜pb＝pc，可知ca过程气体压强减小，故B错误；ab过程为等温变化，内能不变，故ΔU＝0，体积减小，外界对气体做功，故W＞0，根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W，可得Q＜0，故ab过程气体放出热量，故C正确；ca过程温度升高，内能增大，故D错误。
三、非选择题(本题共4小题，共54分)
11．(10分)若对物体做1 200 J的功，可使物体温度升高3 ℃，改用热传递的方式，使物体温度同样升高3 ℃，那么物体应吸收多少热量？如果对该物体做3 000 J的功，物体的温度升高5 ℃，表明该过程中，物体应吸收或放出多少热量？
解析：做功和热传递在改变物体内能上是等效的，用做功方式使物体温度升高3 ℃，如用吸热方式，也使物体温度升高3 ℃，也应吸收1 200 J的热量。如对物体做功3 000 J，温度升高5 ℃，而物体温度升高5 ℃需要的功或热量应为E。由1 200 J＝cm×3 ℃，E＝cm×5 ℃，得E＝2 000 J。因此物体应放出1 000 J的热量。
答案：1 200 J　放出1 000 J的热量
12．(12分)(2024·广东清远高二月考)某同学用光滑活塞将一定质量的空气(视为理想气体)封闭在汽缸内，并对汽缸内气体加热，气体从状态A变化到状态B过程中的p V图像如图所示，已知气体在状态A时的热力学温度TA＝280 K，该过程中气体吸收的热量Q＝120 J，求：
(1)气体在状态B时的热力学温度TB；
(2)该过程中气体内能的增量ΔU。
解析：(1)气体从状态A变化到状态B的过程中做等压变化，有＝，解得TB＝560 K。
(2)该过程中气体对外界做的功W＝pΔV，根据热力学第一定律有ΔU＝Q－W，解得ΔU＝70 J。
答案：(1)560 K　(2)70 J
13．(16分)如图甲所示，用面积为S的活塞在汽缸内封闭着一定质量的空气，活塞上放一砝码，活塞和砝码的总质量为m。现对汽缸缓缓加热，使汽缸内的空气温度从T1升高到T2，空气柱的高度增加了ΔL，已知加热时气体吸收的热量为Q，外界大气压强为p0。求：
(1)此过程中被封闭气体的内能变化了多少？
(2)汽缸内温度为T1时，气柱的长度为多少？
(3)请在图乙的V T图上大致作出该过程的图像(在图线上标出过程的方向)。
解析：(1)对活塞和砝码：mg＋p0S＝pS，
得p＝p0＋
气体对外做功W＝pSΔL＝(p0S＋mg)ΔL
由热力学第一定律W＋Q＝ΔU
得ΔU＝Q－(p0S＋mg)ΔL。
(2)由盖吕萨克定律可得，＝，
则＝
解得L＝。
(3)v T图像如图所示。
答案：(1)Q－(p0S＋mg)ΔL
(2)　(3)见解析图
14．(16分)(2024·浙江1月选考)如图所示，一个固定在水平面上的绝热容器被隔板A分成体积均为V1＝750 cm3的左右两部分。面积为S＝100 cm2的绝热活塞B被锁定，隔板A的左侧为真空，右侧中一定质量的理想气体处于温度T1＝300 K、压强p1＝2.04×105 Pa 的状态1。抽取隔板A，右侧中的气体就会扩散到左侧中，最终达到状态2。然后解锁活塞B，同时施加水平恒力F，仍使其保持静止，当电阻丝C加热时，活塞B能缓慢滑动(无摩擦)，使气体达到温度T2＝350 K的状态3，气体内能增加ΔU＝63.8 J。已知大气压强p0＝1.01×105 Pa，隔板厚度不计。
(1)气体从状态1到状态2是________ (选填“可逆”或“不可逆”)过程，分子平均动能________ (选填“增大”“减小”或“不变”)；
(2)求水平恒力F的大小；
(3)求电阻丝C放出的热量Q。
解析：(1)根据热力学第二定律可知，气体从状态1到状态2是不可逆过程，由于隔板A的左侧为真空，可知气体从状态1到状态2不做功，又没有发生热传递，所以气体的内能不变，气体的温度不变，分子平均动能不变。
(2)气体从状态1到状态2发生等温变化，则有p1V1＝p2·2V1，
解得状态2气体的压强为p2＝＝1.02×105 Pa，
解锁活塞B，同时施加水平恒力F，仍使其保持静止，以活塞B为对象，根据受力平衡可得p2S＝p0S＋F，
解得F＝(p2－p0)S＝(1.02×105－1.01×105)×100×10－4 N＝10 N。
(3)当电阻丝C加热时，活塞B能缓慢滑动(无摩擦)，使气体达到温度T2＝350 K的状态3，可知气体做等压变化，则有＝，
可得状态3气体的体积为V3＝·2V1＝×2×750 cm3＝1 750 cm3，
该过程气体对外做功为W＝p2ΔV＝p2(V3－2V1)＝1.02×105×(1 750－2×750)×10－6 J＝25.5 J，
根据热力学第一定律可得ΔU＝－W＋Q′，
解得气体吸收的热量为Q′＝ΔU＋W＝63.8 J＋25.5 J＝89.3 J，又容器隔热，可知电阻丝C放出的热量为Q＝Q′＝89.3 J。
答案：(1)不可逆　不变　(2)10 N　(3)89.3 J
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