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本章优化总结
第4章 热力学定律与能量守恒
知识体系网络构建
宏观把握·理清脉络
专题归纳,整合提升
归纳整合·深度升华
章末过关检测(四)
(时间：90分钟，满分：100分)
一、单项选择题(本题共6小题，每小题4分，共24分．在每个小题给出的四个选项中，只有一个选项正确，选对的得4分，选错或不答的得0分)
1．在以下事例中，通过热传递的方式来改变物体内能的是 ( )
A．两小球碰撞后粘合在一起，同时温度升高
B．冰在阳光下熔化成水
C．点燃的爆竹在空中爆炸
D．汽车的车轮与地面相互摩擦发热
解析：选B.改变内能的方式有两种：做功和热传递．热传递指内能的转移，而不是其他形式的能转化为内能，两小球碰撞后粘在一起，温度升高，是机械能转化为内能，故A错；点燃的爆竹在空中爆炸，是化学能转化为内能，故C错；车轮与地面摩擦生热，是机械能转化为内能，故D错．
2．下列关于内能与热量的说法中，正确的是( )
A．马铃薯所含热量高
B．内能越大的物体热量也越多
C．热量总是从内能大的物体流向内能小的物体
D．自然过程中热量总是从温度高的物体流向温度低的物体
解析：选D.选项A是一种很常见的说法，在日常生活中看似无需计较，但从物理学的角度来看这种说法是不妥当的，热量是过程量，不是状态量，不能像内能那样蕴含在物体中，选项A错；说法B与说法A有相同的错误，此外，物体的内能改变与可能传递的热量之间，在数量上没有必然联系，选项B错；自然过程中，两物体之间热量流向只与它们的温度有关，而与它们的内能无关，选项C错，D对．
3．关于热力学定律，下列说法正确的是( )
A．在一定条件下物体的温度可以降到0 K
B．物体从单一热源吸收的热量可全部用于做功
C．吸收了热量的物体，其内能一定增加
D．压缩气体总能使气体的温度升高
解析：选B.绝对零度无法达到，A项错；物体从单一热源吸收热量可以全部用于做功，但要引起其他变化，B项对；物体吸收热量，但同时对外做功，内能不一定增加，C项错；压缩气体，气体同时对外放热，温度不一定升高，D项错．
4．一个气泡从恒温水槽的底部缓慢向上浮起，(若不计气泡内空气分子势能的变化)则( )
A．气泡对外做功，内能不变，同时放热
B．气泡对外做功，内能不变，同时吸热
C．气泡内能减少，同时放热
D．气泡内能不变，不吸热也不放热
解析：选B.在气泡缓慢上升的过程中，气泡外部的压强逐渐减小，气泡膨胀，对外做功，由于外部恒温，且气泡缓慢上升，故可以认为上升过程中气泡内空气的温度始终等于外界温度，内能不变，故须从外界吸收热量，且吸收的热量等于对外界所做的功．
5．飞机在万米高空飞行时，舱外气温往往在－50 ℃以下．在研究大气现象时可把温度、压强相同的一部分气体作为研究对象，叫做气团．气团直径可达几千米．由于气团很大，边缘部分与外界的热交换对整个气团没有明显影响，可以忽略．高空气团温度很低的原因可能是 ( )
A．地面的气团上升到高空的过程中膨胀，同时对外放热，使气团自身温度降低
B．地面的气团上升到高空的过程中收缩，同时从周围吸收热量，使周围温度降低
C．地面的气团上升到高空的过程中膨胀，气团对外做功，气团内能大量减小，气团温度降低
D．地面的气团上升到高空的过程中收缩，外界对气团做功，故周围温度降低
解析：选C.由热力学第一定律，物体内能的变化ΔU与做功W和热传递Q有关，满足ΔU＝W＋Q，气团在上升的过程中，不断膨胀，气体对外做功，又由于气团很大，其边缘与外界的热传递作用对整个气团的影响可忽略，因而内能不断减小，所以气团的温度会降低．
6.如图所示，在两端开口的U形管中，盛有同种液体，并用阀门K将液体隔成左、右两部分．现打开阀门K，到液面相平的过程中，液体向外放热Q，内能变化量为ΔU，液体动能变化量为ΔEk，大气对液体做功为W1，重力做功为W2，液体克服阻力做功为W3，由功能关系可得：①W1＝0；②W2－W3＝ΔEk；③W2－W3＝Q＝ΔU；④W3－Q＝ΔU.其中正确的是( )
A．①②③ B．①②④
C．②③ D．①③
解析：选B.由动能定理W2－W3＋W1＝ΔEk，其中W1＝pΔV左－pΔV右＝0，可知①②正确，根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，由于放热ΔU＝W－Q，故④正确，③错误，故选B.
二、多项选择题(本题共4小题，每小题6分，共24分．在每个小题给出的四个选项中，有多个选项是正确的，全部选对的得6分，选对但不全的得3分，错选或不答的得0分)
7．一物体静止在升降机的地板上，在升降机加速上升的过程中，地板对物体的支持力所做的功等于( )
A．物体势能的增加量
B．物体动能的增加量
C．物体动能的增加量加上物体势能的增加量
D．物体动能的增加量加上克服重力所做的功
解析：选CD.在升降机加速上升的过程中，物体受重力 mg，地板施加的支持力N作用，重力对其做负功，支持力对其做正功，设升降机上升高度为h，由动能定理知WN－mgh＝ΔEk.WN＝mgh＋ΔEk，其中mgh为物体势能的增加量，也等于物体克服重力所做的功，ΔEk为物体动能的增加量．
8.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．电冰箱的工作原理不违反热力学第一定律
D．电冰箱的工作原理违反热力学第一定律
解析：选BC.热力学第一定律适用于所有的热学过程，C正确，D错误；由热力学第二定律可知A错误，B正确．
9.如图所示是一定质量的理想气体的体积V和摄氏温度变化关系的V－t图像，气体由状态A变化到状态B的过程中，下列说法正确的是( )
A．气体的内能增大
B．气体的压强减小
C．气体的压强不变
D．气体对外做功，同时从外界吸收热量
解析：选ABD.由状态A到状态B，温度升高，内能增大，A正确；由理想气体状态方程可知，由状态A到状态B，压强减小，B正确、C错误；气体内能增加，体积增大对外做功，由热力学第一定律知，从外界吸收热量，故D正确．
10．对一定质量的气体，下列说法中正确的是( )
A．温度升高，压强一定增大
B．温度升高，分子热运动的平均动能一定增大
C．压强增大，体积一定减小
D．吸收热量，可能使分子热运动加剧、气体体积增大
解析：选BD.由理想气体状态方程＝C (常数)可知，A、C选项错误；温度是物体分子平均动能的标志，温度升高，分子热运动的平均动能一定增大，B选项正确．由热力学第一定律Q＋W＝ΔU可知，吸收热量，也可能气体膨胀对外做功，如果吸收的热量大于气体对外做的功，则内能增加，分子热运动加剧，故D选项正确．
三、非选择题(本题共3小题，共52分．按题目要求作答．解答题应写出必要的文字说明、方程式或重要的演算步骤，只写出最后答案的不能得分，有数值计算的题，答案中必须明确写出数值和单位)
11．(16分)如图所示是用导热性能良好的材料制成的气体实验装置，开始时封闭的空气柱长度为22 cm，现在用竖直向下的外力F压缩气体，使封闭空气柱长度变为2 cm，人对活塞做功100 J，大气压强为p0＝1×105 Pa，不计活塞重力．问：
(1)若用足够长的时间缓慢压缩气体，求压缩后气体的压强多大？
(2)若以适当的速度压缩气体，向外散失的热量为20 J，则气体的内能增加多少？(活塞的横截面积S＝1 cm2)．
解析：(1)设压缩后气体的压强为p，活塞的横截面积为S，L0＝22 cm，L＝2 cm，V0＝L0S，V＝LS
缓慢压缩气体温度不变，由玻意耳定律得：p0V0＝pV
解得：p＝1.1×106 Pa.
(2)大气压力对活塞做功：W1＝p0S(L0－L)＝2 J
人做功W2＝100 J，由热力学第一定律：ΔU＝W1＋W2＋Q
将Q＝－20 J代入解得ΔU＝82 J.
答案：(1)1.1×106 Pa (2)82 J
12.(16分)如图所示p－V图中，一定质量的理想气体由状态A经过ACB过程至状态B，气体对外做功280 J，吸收热量410 J；气体又从状态B经BDA过程回到状态A，这一过程中外界对气体做功200 J．求：
(1)ACB过程中气体的内能是增加还是减少？变化量是多少？
(2)BDA过程中气体是吸热还是放热？吸收或放出的热量是多少？
解析：(1)ACB过程内能增加
ACB过程中W1＝－280 J，Q1＝410 J
由热力学第一定律UB－UA＝W1＋Q1＝130 J
气体内能的变化量为130 J.
(2)BDA过程中气体放热
因为一定质量理想气体的内能只是温度的函数，BDA过程中气体内能变化量UA－UB＝－130 J
又因外界对气体做功200 J
由热力学第一定律UA－UB＝W2＋Q2，Q2＝－330 J
放出热量330 J.
答案：(1)增加 130 J (2)放热 330 J
13．(20分)氢气燃料汽车，氢在发动机内燃烧过程中，只会排出水蒸气而无其他废气排出，因此不会产生温室效应，是环保汽车．有一辆氢气燃料汽车质量为6×103 kg，阻力是车重的0.05倍，最大输出功率为60 kW，问：(g＝10 m/s2)
(1)汽车以加速度a＝0.5 m/s2从静止匀加速启动，这个加速过程能持续多少时间？
(2)最大行驶速度为多少？
(3)若此车以最大速度行驶300 km，发动机效率为50%，则需要多少氢气做燃料？(每摩尔氢气燃烧后生成水蒸气并放出2.858×104 J的热量)
解析：(1) ?t＝＝20 s.
(2)v＝＝20 m/s.
(3)F＝f＝μmg＝3×103 N，W＝fs＝9×108 J，
W总＝＝1.8×109 J.
mH2＝ kg≈126 kg.
答案：(1)20 s (2)20 m/s (3)126 kg
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热力学第一定律的应用
1．热力学第一定律揭示了内能的增量(ΔU)，外界对物体做功(W)和外界向物体传递的热量(Q)之间的关系，即ΔU＝W＋Q，正确理解公式的意义及符号的含义是解决此类问题的保证．
(1)外界对物体做功，W>0；物体对外界做功，W<0.
(2)物体从外界吸热，Q>0；物体放出热量，Q<0.
(3)ΔU>0，物体的内能增加；ΔU<0，物体的内能减少．
2．解题思路：分析题干确定内能改变的手段(W、Q)→判断W、Q的符号→代入公式ΔU＝W＋Q →得出结论
如图所示，一定质量的理想气体从状态A依次经过状态B、C和D后再回到状态A.其中，A→B和C→D为等温过程，B→C和D→A为绝热过程(气体与外界无热量交换)．这就是著名的“卡诺循环”．
(1)该循环过程中，下列说法正确的是________．
A．A→B过程中，外界对气体做功
B．B→C过程中，气体分子的平均动能增大
C．C→D过程中，单位时间内碰撞单位面积器壁的分子数增多
D．D→A过程中，气体分子的速率分布曲线不发生变化
(2)该循环过程中，内能减小的过程是________(选填“A→B”“B→C”“C→D”或“D→A”)．若气体在A→B过程中吸收63 kJ的热量，在C→D过程中放出38 kJ的热量，则气体完成一次循环对外做的功为________kJ.
[解析] (1)在A→B的过程中，气体体积增大，故气体对外界做功，选项A错误；B→C的过程中，气体对外界做功，W＜0，且为绝热过程，Q＝0，根据ΔU＝Q＋W，知ΔU＜0，即气体内能减小，温度降低，气体分子的平均动能减小，选项B错误；C→D的过程中，气体体积减小，单位体积内的分子数增多，故单位时间内碰撞单位面积器壁的分子数增多，选项C正确；D→A的过程为绝热压缩，故Q＝0，W＞0，根据ΔU＝Q＋W，ΔU＞0，即气体的内能增加，温度升高，所以气体分子的速率分布曲线发生变化，选项D错误．
(2)从A→B、C→D的过程中气体做等温变化，理想气体的内能不变，内能减小的过程是B→C，内能增大的过程是D→A.
气体完成一次循环时，内能变化ΔU＝0，热传递的热量Q＝Q1－Q2＝(63－38)kJ＝25 kJ，根据ΔU＝Q＋W，得W＝－Q＝－25 kJ，即气体对外做功25 kJ.
[答案] (1)C (2)B→C 25
热力学第二定律及其应用
1．分析问题的方法：掌握热力学第二定律时，要注意理解其本质，即热力学第二定律是对宏观自然过程进行方向的说明．凡是对这种宏观自然过程进行方向的说明，都可以作为热力学第二定律的表述．本章对热力学第二定律的表述很多，这些不同形式的表述都是等价的．
2．热力学第二定律的几种表现形式
(1)热传递具有方向性：两个温度不同的物体接触时，热量会自发地从高温物体传给低温物体，而低温物体不可能自发地将热量传给高温物体．要实现低温物体向高温物体传递热量，必须借助外界的帮助，因而产生其他影响或引起其他变化．
(2)气体的扩散现象具有方向性：两种不同的气体可以自发地进入对方，最后成为均匀的混合气体，但这种均匀的混合气体，绝不会自发地分开，成为两种不同的气体．
(3)机械能和内能的转化过程具有方向性：物体在水平面上运动，因摩擦而逐渐停下来，但绝不可能出现物体吸收原来传递出去的热量后，在地面上重新运动起来．
(4)气体向真空膨胀具有方向性：气体可自发地向真空容器膨胀，但绝不可能出现气体自发地再从容器中流回，使容器变为真空．
关于热力学第二定律，下列表述正确的是 ( )
A．不可能使热量从低温物体传递到高温物体
B．不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功
C．第二类永动机是不可能制成的
D．热力学第二定律是热力学第一定律的推论
[解析] 如果有外界的帮助，可以使热量从低温物体传递到高温物体，也可以把热量全部用来做功，故A、B错误．热力学第一定律说明在任何过程中能量守恒，热力学第二定律却说明并非能量守恒过程均能实现．热力学第二定律是反映宏观自然过程进行的方向和条件的一个规律．它指出自然界中出现的过程是有方向性的，某些方向的过程可以实现，而另一方向的过程则不能实现，在热力学中，第二定律和第一定律相辅相成，缺一不可．故D错误，C正确．
[答案] C
能量守恒定律
1．能量守恒定律的内容：能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中其总量不变．
能量守恒定律是自然界普遍适用的规律，不同形式的能可以相互转化，但总能量守恒．
2．应用能量守恒定律解题的方法步骤
(1)认清有多少种形式的能(例如动能、势能、内能、电能、化学能、光能等)在相互转化．
(2)分别写出减少的能量ΔE减和增加的能量ΔE增的表达式．
(3)根据下列两种思路列出能量守恒方程：ΔE减＝ΔE增．
①某种形式的能减少，一定存在其他形式的能增加，且减少量与增加量一定相等．
②某个物体的能量减少，一定存在其他物体的能量增加，且减少量与增加量一定相等．
(4)解方程，代入数据，计算结果．
质量M＝200 g的木块，静止在光滑水平面上，质量m＝20 g的铅弹[铅的比热容c＝126 J/(kg·℃)]以水平速度v0＝500 m/s射入木块，当它射出木块时速度变为vt＝300 m/s，木块的速度20 m/s.若这一过程中损失的机械能全部转化为内能，其中42%被子弹吸收而使其升温，对铅弹穿过木块过程，求：
(1)子弹克服摩擦力做的功；
(2)摩擦力对木块做的功；
(3)产生的总热量；
(4)子弹升高的温度．
[解析] (1)子弹克服摩擦力做的功：
W1＝m(v－v)＝×0.02×(5002－3002) J＝1 600 J.
(2)摩擦力对木块做的功：
W2＝Mv2－0＝×0.2×202 J＝40 J.
(3)这一过程中损失的机械能为：
W＝W1－W2＝(1 600－40) J＝1 560 J.
已知损失的机械能全部转化为内能，则内能的增量，即产生的总热量Q＝1 560 J.
(4)已知产生的总热量中有42%被子弹吸收而使其升温，则子弹升高的温度为：
Δt＝＝ ℃＝260 ℃.
[答案] (1)1 600 J (2)40 J (3)1 560 J (4)260 ℃
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