物理大一轮复习试题：第十三章第3节热力学定律与能量守恒定律

第3节热力学定律与能量守恒定律一、热力学第一定律及能量守恒定律1.改变物体内能的两种方式(1)做功。(2)热传递。2.热力学第一定律(1)内容：一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的热量与外界对它所做功的和。(2)表达式：ΔU＝Q＋W。(3)ΔU＝Q＋W中正、负号法则物理量意义符号WQΔU＋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3.能量守恒定律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，能量的总量保持不变。【自测1】一定质量的理想气体在某一过程中，外界对气体做功7.0×104J，气体内能减少1.3×105J，则此过程()A.气体从外界吸收热量2.0×105JB.气体向外界放出热量2.0×105JC.气体从外界吸收热量6.0×104JD.气体向外界放出热量6.0×104J答案B二、热力学第二定律1.热力学第二定律(1)两种表述克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传到高温物体。开尔文表述：不可能从单一热库吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响。或表述为“第二类永动机是不可能制成的。”(2)用熵的概念表述在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小(选填“增大”或“减小”)。(3)微观意义一切自发过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行。2.两类永动机(1)第一类永动机：不消耗任何能量，却源源不断地对外做功的机器。违背能量守恒定律，因此不可能实现。(2)第二类永动机：从单一热源吸收热量并把它全部用来对外做功，而不引起其他变化的机器。违背热力学第二定律，不可能实现。【自测2】(多选)下列现象中能够发生的是()A.一杯热茶在打开杯盖后，茶会自动变得更热B.蒸汽机把蒸汽的内能全部转化成机械能C.桶中混浊的泥水在静置一段时间后，泥沙下沉，上面的水变清，泥、水自动分离D.电冰箱通电后把箱内低温物体的热量传到箱外高温物体答案CD考点一热力学第一定律与能量守恒定律1.对热力学第一定律的理解(1)做功和热传递对改变系统内能具有等效性。(2)做功过程是系统与外界之间的其他形式能量与内能间的相互转化。(3)热传递过程是系统与外界之间内能转移的过程。2.热力学第一定律的三种特殊情况(1)绝热过程：Q＝0，W＝ΔU，外界对物体做的功等于物体内能的增加。(2)不做功的过程：W＝0，Q＝ΔU，物体吸收的热量等于物体内能的增加。(3)内能不变的过程：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。1.(热力学第一定律的理解)(多选)(2020·全国卷Ⅲ)如图1，一开口向上的导热汽缸内，用活塞封闭了一定质量的理想气体，活塞与汽缸壁间无摩擦。现用外力作用在活塞上，使其缓慢下降。环境温度保持不变，系统始终处于平衡状态。在活塞下降过程中()图1A.气体体积逐渐减小，内能增加B.气体压强逐渐增大，内能不变C.气体压强逐渐增大，放出热量D.外界对气体做功，气体内能不变E.外界对气体做功，气体吸收热量答案BCD解析外力使活塞缓慢下降的过程中，由于温度保持不变，则气体的内能保持不变，气体的体积逐渐减小，外界对气体做功，由热力学第一定律ΔU＝Q＋W可知，气体向外界放出热量，又由玻意耳定律可知，气体体积减小，气体的压强增大，由以上分析可知B、C、D正确，A、E错误。2.(热力学第一定律的应用)(2019·全国卷Ⅰ)某容器中的空气被光滑活塞封住，容器和活塞绝热性能良好，空气可视为理想气体。初始时容器中空气的温度与外界相同，压强大于外界。现使活塞缓慢移动，直至容器中的空气压强与外界相同。此时，容器中空气的温度________(填“高于”“低于”或“等于”)外界温度，容器中空气的密度________(填“大于”“小于”或“等于”)外界空气的密度。答案低于大于解析活塞光滑、容器绝热，容器内空气体积增大，对外做功，由ΔU＝Q＋W知，气体内能减少，温度降低。气体的压强与气体温度和单位体积内的分子数有关，由于容器内空气的温度低于外界温度，但压强相同，则容器中空气的密度大于外界空气的密度。3.(能量守恒定律的应用)木箱静止于水平地面上，现在用一个80N的水平推力推动木箱前进10m，木箱受到地面的摩擦力为60N，空气阻力不计，则转化为木箱与地面系统的内能U＝________J，转化为木箱的动能Ek＝________J。答案600200解析由于摩擦生热知U＝Q＝Ffx＝60×10J＝600J；由能量守恒定律得Ek＝Fx－U＝80×10J－600J＝200J。考点二热力学第二定律的理解及应用1.对热力学第二定律“关键词”的理解在热力学第二定律的表述中：(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。2.热力学第二定律的实质自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性。例如：高温物体eq\o(,\s\up12(热量Q能自发地传给),\s\do10(热量Q不能自发地传给))低温物体做功eq\o(,\s\up12(能自发地完全转化为),\s\do10(不能自发地且不能完全转化为))热气体体积V1eq\o(,\s\up12(能自发地膨胀到),\s\do10(不能自发地收缩到))气体体积V2(较大)不同气体A和Beq\o(,\s\up12(能自发地混合成),\s\do10(不能自发地分离成))混合气体AB4.(对热力学第二定律的理解)(多选)根据热力学定律，下列说法正确的是()A.电冰箱的工作表明，热量可以从低温物体向高温物体传递B.空调机在制冷过程中，从室内吸收的热量少于向室外放出的热量C.科技的不断进步使得人类有可能生产出从单一热源吸热全部用来对外做功而不引起其他变化的热机D.即使没有漏气、摩擦、不必要的散热等损失，热机也不可以把燃料产生的内能全部转化为机械能E.对能源的过度消耗使自然界的能量不断减少，形成“能源危机”答案ABD解析热量可以在外界做功的情况下从低温物体向高温物体传递，但不能自发进行，A正确；空调机在制冷过程中，从室内吸收的热量少于向室外放出的热量，B正确；不可能从单一热源吸热全部用来对外做功而不引起其他变化，故C错误；根据热力学第二定律，即使没有漏气、摩擦、不必要的散热等损失，热机也不可以把燃料产生的内能全部转化为机械能，故D正确；对能源的过度消耗将形成“能源危机”，但自然界的总能量守恒，故E错误。5.(热力学第二定律的应用)(2020·全国卷Ⅱ)下列关于能量转换过程的叙述，违背热力学第一定律的有________，不违背热力学第一定律、但违背热力学第二定律的有________。A.汽车通过燃烧汽油获得动力并向空气中散热B.冷水倒入保温杯后，冷水和杯子的温度都变得更低C.某新型热机工作时将从高温热源吸收的热量全部转化为功，而不产生其他影响D.冰箱的制冷机工作时从箱内低温环境中提取热量散发到温度较高的室内答案BC解析汽车通过燃烧汽油获得动力并向空气中散热既不违背热力学第一定律也不违背热力学第二定律；冷水倒入保温杯后，冷水和杯子的温度都变得更低，违背了热力学第一定律；热机工作时吸收的热量不可能全部用来对外做功，而不产生其他影响，显然C选项遵循热力学第一定律，但违背了热力学第二定律；冰箱的制冷机工作时，从箱内低温环境中提取热量散发到温度较高的室内，既不违背热力学第一定律也不违背热力学第二定律，综上所述，第一个空选B，第二个空选C。考点三热力学定律与气体实验定律的综合1.气体的状态变化可由图象直接判断或结合理想气体状态方程eq\f(pV,T)＝C分析。2.气体的做功情况、内能变化及吸放热关系可由热力学第一定律分析。(1)由体积变化分析气体做功的情况：体积膨胀，气体对外做功；气体被压缩，外界对气体做功。(2)由温度变化判断气体内能变化：温度升高，气体内能增大；温度降低，气体内能减小。(3)由热力学第一定律ΔU＝Q＋W判断气体是吸热还是放热。【真题示例】(多选)(2021·全国乙卷)如图2，一定量的理想气体从状态a(p0，V0，T0)经热力学过程ab、bc、ca后又回到状态a。对于ab、bc、ca三个过程，下列说法正确的是()图2A.ab过程中，气体始终吸热B.ca过程中，气体始终放热C.ca过程中，气体对外界做功D.bc过程中，气体的温度先降低后升高E.bc过程中，气体的温度先升高后降低答案ABE解析气体从a到b的过程中，体积V不变，压强p增大，则外界对气体不做功，根据理想气体状态方程eq\f(pV,T)＝C，可知气体的温度T升高，故气体的内能增加，根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W，可知气体从外界吸收热量，A正确；气体从c到a的过程中，体积V减小，压强p不变，则外界对气体做功，根据理想气体状态方程eq\f(pV,T)＝C，可知气体的温度T降低，故气体的内能减少，根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W，可知气体向外界放出热量，B正确，C错误；气体在b和c状态时，pbVb＝pcVc＝2p0V0，从b、c连线上任取一点，该点的pV>pbVb＝pcVc，根据理想气体状态方程eq\f(pV,T)＝C，可知气体的温度先升高后降低，D错误，E正确。6.(多选)如图3所示，一定质量的理想气体从状态a开始，经历过程①、②、③、④到达状态e。对此气体，下列说法正确的是()图3A.过程①中气体的压强逐渐减小B.过程②中气体对外界做正功C.过程④中气体从外界吸收了热量D.状态c、d的内能相等E.状态d的压强比状态b的压强小答案BDE解析由理想气体状态方程eq\f(paVa,Ta)＝eq\f(pbVb,Tb)可知，pb＞pa，即过程①中气体的压强逐渐增大，选项A错误；由于过程②中气体体积增大，所以过程②中气体对外界做正功，选项B正确；过程④中气体体积不变，气体对外界做功为零，温度降低，内能减小，根据热力学第一定律，过程④中气体放出热量，选项C错误；由于状态c、d的温度相等，理想气体的内能只与温度有关，可知状态c、d的内能相等，选项D正确；连接题图Ob、Od，为两条等压线，根据pV＝CT，可得T＝eq\f(p,C)V，由斜率可判断出状态d的压强比状态b的压强小，选项E正确。7.(多选)一定质量的理想气体从状态a开始，经历三个过程ab、bc、ca回到原状态，其p－T图象如图4所示，下列判断正确的是()图4A.过程bc中气体既不吸热也不放热B.过程ab中气体一定吸热C.过程ca中外界对气体所做的功等于气体所放的热D.a、b和c三个状态中，状态a分子的平均动能最小E.b和c两个状态中，容器壁单位面积单位时间内受到气体分子撞击的次数不同答案BDE解析由题图可知，bc过程气体发生等温变化，气体内能不变，压强减小，由玻意耳定律可知，体积增大，气体对外做功，由热力学第一定律ΔU＝Q＋W可知，气体吸热，故A错误；由题图可知，ab过程，气体压强与热力学温度成正比，则气体发生等容变化，气体体积不变，外界对气体不做功，气体温度升高，内能增大，由热力学第一定律ΔU＝Q＋W可知，气体吸收热量，故B正确；由题图可知，ca过程气体压强不变，温度降低，由盖—吕萨克定律可知其体积减小，外界对气体做功，W>0，气体温度降低，内能减少，ΔU<0，由热力学第一定律ΔU＝Q＋W可知，气体要放出热量，且外界对气体所做的功小于气体所放热量，故C错误；由题图可知，a、b和c三个状态中，a状态温度最低，分子平均动能最小，故D正确；由题图可知，bc过程气体发生等温变化，气体内能不变，压强减小，由玻意耳定律可知，体积增大，b、c状态气体的分子数密度不同，则b和c两个状态中，容器壁单位面积单位时间内受到气体分子撞击的次数不同，故E正确。考点一热力学第一定律与能量守恒定律1.(多选)(2021·天津卷)列车运行的平稳性与车厢的振动密切相关，车厢底部安装的空气弹簧可以有效减振，空气弹簧主要由活塞、气缸及内封的一定质量的气体构成。上下乘客及剧烈颠簸均能引起车厢振动，上下乘客时气缸内气体的体积变化缓慢，气体与外界有充分的热交换；剧烈颠簸时气缸内气体的体积变化较快，气体与外界来不及热交换。若气缸内气体视为理想气体，在气体压缩的过程中()A.上下乘客时，气体的内能不变B.上下乘客时，气体从外界吸热C.剧烈颠簸时，外界对气体做功D.剧烈颠簸时，气体的温度不变答案AC解析上下乘客时气缸内气体与外界有充分的热交换，即发生等温变化，温度不变，故气体的内能不变，体积变化缓慢，没有做功，故没有热交换，故A正确，B错误；剧烈颠簸时气缸内气体的体积变化较快，且气体与外界来不及热交换，气体经历绝热过程，外界对气体做功，温度升高，故C正确，D错误。2.(多选)如图1，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。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()图1A.气体自发扩散前后内能相同B.气体在被压缩的过程中内能增大C.在自发扩散过程中，气体对外界做功D.气体在被压缩的过程中，外界对气体做功E.气体在被压缩的过程中，气体分子的平均动能不变答案ABD解析因为汽缸、活塞都是绝热的，隔板右侧是真空，所以理想气体在自发扩散的过程中，既不吸热也不放热，也不对外界做功。根据热力学第一定律可知，气体自发扩散前后，内能不变，选项A正确，C错误；气体被压缩的过程中，外界对气体做功，气体内能增大，又因为一定质量的理想气体的内能只与温度有关，所以气体温度升高，分子平均动能增大，选项B、D正确，E错误。考点二热力学第二定律的理解及应用3.(多选)关于两类永动机和热力学的两个定律，下列说法正确的是()A.第一类永动机不可能制成是因为违反了能量守恒定律B.第二类永动机不可能制成是因为违反了热力学第二定律C.由热力学第一定律可知做功不一定改变内能，热传递也不一定改变内能，但同时做功和热传递一定会改变内能D.由热力学第二定律可知热量从低温物体传向高温物体是可能的，从单一热源吸收热量，完全变成功也是可能的E.热力学第一定律与热力学第二定律的实质是一样的答案ABD解析第一类永动机违反能量守恒定律，第二类永动机违反热力学第二定律，A、B正确；由热力学第一定律可知W≠0，Q≠0，但ΔU＝Q＋W可以等于0，C错误；由热力学第二定律可知D中现象是可能的，但会引起其他变化，D正确；热力学第一定律反应了物体的内能变化与做功和热传递的关系，而热力学第二定律则反映了热现象的宏观方向性，E错误。考点三热力学定律与气体实验定律的综合4.(多选)(2021·湖南卷)如图2，两端开口、下端连通的导热汽缸，用两个轻质绝热活塞(截面积分别为S1和S2)封闭一定质量的理想气体，活塞与汽缸壁间无摩擦。在左端活塞上缓慢加细沙，活塞从A下降h高度到B位置时，活塞上细沙的总质量为m。在此过程中，用外力F作用在右端活塞上，使活塞位置始终不变。整个过程环境温度和大气压强p0保持不变，系统始终处于平衡状态，重力加速度为g。下列说法正确的是()图2A.整个过程，外力F做功大于0，小于mghB.整个过程，理想气体的分子平均动能保持不变C.整个过程，理想气体的内能增大D.整个过程，理想气体向外界释放的热量小于(p0S1h＋mgh)E.左端活塞到达B位置时，外力F等于eq\f(mgS2,S1)答案BDE解析整个过程中右边活塞的位置始终不变，外力F不做功，A错误；整个过程中系统的温度不变，所以一定质量的理想气体的分子平均动能不变，内能不变，B正确，C错误；当左边活塞到达B位置时汽缸内气体的压强最大，最大压强p＝eq\f(mg,S1)＋p0，所以外界对气体做的功小于p0S1h＋mgh，由于内能不变，由热力学第一定律知，理想气体向外界释放的热量小于p0S1h＋mgh，D正确；根据左、右两边气体的压强相等，有p0＋eq\f(mg,S1)＝p0＋eq\f(F,S2)，解得F＝eq\f(mgS2,S1)，E正确。5.(2021·河北邢台模拟)一定质量的理想气体的p－T图象如图3所示，1、2两个点代表该气体的两个不同状态，对应的体积分别是V1、V2，则eq\f(V1,V2)＝________，从状态1变到状态2的过程中，气体________(选填“吸热”或“放热”)。图3答案eq\f(1,4)吸热解析由理想气体状态方程可知eq\f(2p1V1,T1)＝eq\f(p1V2,2T1)，解得eq\f(V1,V2)＝eq\f(1,4)，气体体积增大，气体对外做功，气体温度升高，内能增加，由热力学第一定律ΔU＝Q＋W可知气体从外界吸收热量。6.(多选)(2021·四川达州模拟)下列说法正确的是()A.布朗运动就是分子的无规则运动B.热力学温度是国际单位制中7个基本物理量之一C.热量能够自发地从高温物体传到低温物体，但不能自发地从低温物体传到高温物体D.做功和热传递都是通过能量转化的方式改变系统内能的E.一个系统与另一个系统达到热平衡时两系统温度相同答案BCE解析布朗运动是悬浮在液体或气体中的小颗粒的无规则运动，是由液体分子或气体分子的无规则运动引起的，不是固体分子的无规则运动，也不是液体分子的无规则运动，故A错误；热力学温度是国际单位制中7个基本物理量之一，故B正确；根据热力学第二定律可知，热量能够自发地从高温物体传到低温物体，但不能自发地从低温物体传到高温物体，故C正确；做功是通过能量转化的方式改变系统内能的，热传递是能量的转移，不是能量的转化，故D错误；根据热平衡定律可知，一个系统与另一个系统达到热平衡时两系统温度相同，故E正确。7.(多选)如图4，一定质量的理想气体从状态a出发，经过等容过程ab到达状态b，再经过等温过程bc到达状态c，最后经等压过程ca回到初态a。下列说法正确的是()图4A.在过程ab中气体的内能增加B.在过程ca中外界对气体做功C.在过程ab中气体对外界做功D.在过程bc中气体从外界吸收热量E.在过程ca中气体从外界吸收热量答案ABD解析在过程ab中，体积不变，气体对外界不做功，压强增大，温度升高，内能增加，故选项A正确，C错误；在过程ca中，气体的体积缩小，外界对气体做功，压强不变，温度降低，内能变小，气体向外界放出热量，故选项B正确，E错误；在过程bc中，温度不变，内能不变，体积增大，气体对外界做功，由热力学第一定律可知，气体要从外界吸收热量，故选项D正确。8.(2021·广西桂林十八中模拟)如图5所示，一排球球内气体的压强为p0，体积为V0，温度为T0，用打气筒对排球充入压强为p0，温度为T0的气体，使球内气体压强变为3p0，同时温度升至2T0，充气过程中气体向外放出Q的热量，假设排球体积不变，气体内能U与温度的关系为U＝kT(k为正常数)，求：图5(1)打气筒对排球充入压强为p0，温度为T0的气体的体积；(2)打气筒对排球充气过程中打气筒对气体做的功。答案(1)0.5V0(2)Q＋kT0解析(1)打气筒对排球充入压强为p0、温度为T0的气体的体积为V，以排球内气体与充入的气体整体为研究对象气体的初状态参量p1＝p0；V1＝V0＋V；T1＝T0气体的末状态参量p2＝3p0；V2＝V0；T2＝2T0根据理想气体状态方程得eq\f(p1V1,T1)＝eq\f(p2V2,T2)代入解得V＝0.5V0。(2)因为气体内能U与温度的关系为U＝kT所以打气过程内能变化ΔU＝k(2T0－T0)＝kT0由热力学第一定律得ΔU＝W＋(－Q)解得打气筒对气体做的功W＝Q＋kT0。9.(2021·安徽省舒城中学期末)如图6所示，绝热汽缸倒扣放置，质量为M的绝热活塞在汽缸内封闭一定质量的理想气体，活塞与汽缸间摩擦可忽略不计，活塞下部空间与外界连通