第十五章第3講　熱力學(xué)定律與能量守恒定律-2025版高考總復(fù)習(xí)物理

[基礎(chǔ)落實(shí)練]1．(多選)關(guān)于熱力學(xué)定律，下列說(shuō)法正確的是()A．氣體吸熱后溫度一定升高B．對(duì)氣體做功可以改變其內(nèi)能C．理想氣體等壓膨脹過(guò)程一定放熱D．熱量不可能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體解析：根據(jù)熱力學(xué)第一定律，氣體吸熱后如果對(duì)外做功，則溫度不一定升高，A錯(cuò)誤；改變物體內(nèi)能的方式有做功和傳熱，對(duì)氣體做功可以改變其內(nèi)能，B正確；理想氣體等壓膨脹對(duì)外做功，根據(jù)eq\f(pV,T)＝C知，膨脹過(guò)程溫度升高，內(nèi)能增大，由熱力學(xué)第一定律知，氣體一定吸熱，C錯(cuò)誤；根據(jù)熱力學(xué)第二定律知，熱量不可能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體，D正確。答案：BD2．泉城濟(jì)南，以泉聞名。小張同學(xué)在濟(jì)南七十二名泉之一的珍珠泉游覽時(shí)，發(fā)現(xiàn)清澈幽深的泉池底部，不斷有氣泡生成，上升至水面破裂。假設(shè)水恒溫，則氣泡在泉水中上升過(guò)程中，以下判斷正確的是()A．氣泡對(duì)泉水做正功，氣泡吸收熱量B．氣泡對(duì)泉水做正功，氣泡放出熱量C．泉水對(duì)氣泡做正功，氣泡吸收熱量D．泉水對(duì)氣泡做正功，氣泡放出熱量解析：氣泡上升的過(guò)程中，外部的壓強(qiáng)逐漸減小，氣泡膨脹對(duì)外做功，由于外部恒溫，在上升過(guò)程中氣泡內(nèi)空氣的溫度始終等于外界溫度，則內(nèi)能不變，根據(jù)熱力學(xué)第一定律ΔU＝W＋Q知，氣泡內(nèi)能不變，同時(shí)對(duì)外做功，所以必須從外界吸收熱量，且吸收的熱量等于對(duì)外界所做的功，故A正確。答案：A3．(2022·重慶卷)2022年5月15日，我國(guó)自主研發(fā)的“極目一號(hào)”Ⅲ型浮空艇創(chuàng)造了海拔9032米的大氣科學(xué)觀測(cè)世界紀(jì)錄。若在浮空艇某段上升過(guò)程中，艇內(nèi)氣體溫度降低，體積和質(zhì)量視為不變，則艇內(nèi)氣體(視為理想氣體)()A．吸收熱量 B．壓強(qiáng)增大C．內(nèi)能減小 D．對(duì)外做負(fù)功解析：由于浮空艇上升過(guò)程中體積和質(zhì)量均不變，則艇內(nèi)氣體不做功；根據(jù)eq\f(pV,T)＝C可知，溫度降低，則艇內(nèi)氣體壓強(qiáng)減小，氣體內(nèi)能減??；又根據(jù)ΔU＝W＋Q可知?dú)怏w放出熱量。故選C。答案：C4.如圖所示，內(nèi)壁光滑的固定汽缸水平放置，其右端由于有擋板，厚度不計(jì)的活塞不能離開(kāi)汽缸，汽缸內(nèi)封閉著一定質(zhì)量的理想氣體，活塞距汽缸右端的距離為0.2m?，F(xiàn)對(duì)封閉氣體加熱，活塞緩慢移動(dòng)，一段時(shí)間后停止加熱，此時(shí)封閉氣體的壓強(qiáng)變?yōu)?×105Pa。已知活塞的橫截面積為0.04m2，外部大氣壓強(qiáng)為1×105Pa，加熱過(guò)程中封閉氣體吸收的熱量為2000J，則封閉氣體的內(nèi)能變化量為()A．400J B．1200JC．2000J D．2800J解析：由題意可知，氣體先等壓變化，到活塞運(yùn)動(dòng)到擋板處再發(fā)生等容變化，等壓變化過(guò)程氣體對(duì)外做功，做功為W＝－p0Sx＝－1×105×0.04×0.2J＝－800J，由熱力學(xué)第一定律可知，封閉氣體的內(nèi)能變化量為ΔU＝W＋Q＝(－800＋2000)J＝1200J，故A、C、D錯(cuò)誤，B正確。答案：B5.(多選)(2022·全國(guó)甲卷改編)一定量的理想氣體從狀態(tài)a變化到狀態(tài)b，其過(guò)程如p-T圖上從a到b的線段所示。在此過(guò)程中()A．氣體一直對(duì)外做功B．氣體的內(nèi)能一直增加C．氣體一直從外界吸熱D．氣體吸收的熱量等于其內(nèi)能的增加量解析：因p-T圖像中a到b的線段的延長(zhǎng)線過(guò)原點(diǎn)，由eq\f(pV,T)＝C可知，從a到b氣體的體積不變，則從a到b氣體不對(duì)外做功，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；因從a到b氣體溫度升高，則氣體內(nèi)能增加，選項(xiàng)B正確；因W＝0，ΔU>0，根據(jù)熱力學(xué)第一定律ΔU＝W＋Q可知，氣體一直從外界吸熱，且氣體吸收的熱量等于內(nèi)能增加量，選項(xiàng)C、D正確。答案：BCD6．(多選)(2022·湖南卷改編)利用“渦流效應(yīng)”可實(shí)現(xiàn)冷熱氣體的分離。如圖，一冷熱氣體分離裝置由噴嘴、渦流室、環(huán)形管、分離擋板和冷熱兩端管等構(gòu)成。高壓氮?dú)庥蓢娮烨邢蛄魅霚u流室中，然后以螺旋方式在環(huán)形管中向右旋轉(zhuǎn)前進(jìn)，分子熱運(yùn)動(dòng)速率較小的氣體分子將聚集到環(huán)形管中心部位，而分子熱運(yùn)動(dòng)速率較大的氣體分子將聚集到環(huán)形管邊緣部位。氣流到達(dá)分離擋板處時(shí)，中心部位氣流與分離擋板碰撞后反向，從A端流出，邊緣部位氣流從B端流出。下列說(shuō)法正確的是()A．A端為冷端，B端為熱端B．A端流出的氣體內(nèi)能一定大于B端流出的C．該裝置氣體進(jìn)出的過(guò)程滿足能量守恒定律，但違背了熱力學(xué)第二定律D．該裝置氣體進(jìn)出的過(guò)程既滿足能量守恒定律，也滿足熱力學(xué)第二定律解析：依題意，中心部位為熱運(yùn)動(dòng)速率較低的氣體，與擋板相碰撞后反彈，從A端流出，而邊緣部位熱運(yùn)動(dòng)速率較高的氣體從B端流出；同種氣體分子平均熱運(yùn)動(dòng)速率較大、其對(duì)應(yīng)的溫度也就較高，所以A端為冷端、B端為熱端，故A正確；A端流出的氣體分子熱運(yùn)動(dòng)速率較小，B端流出的氣體分子熱運(yùn)動(dòng)速率較大，則從A端流出的氣體分子平均動(dòng)能小于從B端流出的氣體分子平均動(dòng)能，內(nèi)能的多少還與分子數(shù)有關(guān)，依題意，不能得出從A端流出的氣體內(nèi)能一定大于從B端流出的氣體內(nèi)能，故B錯(cuò)誤；該裝置將冷熱不均的氣體進(jìn)行分離，噴嘴處有高壓，即通過(guò)外界做功而實(shí)現(xiàn)的，并非自發(fā)進(jìn)行的，沒(méi)有違背熱力學(xué)第二定律，溫度較低的從A端流出，溫度較高的從B端流出，也符合能量守恒定律，故C錯(cuò)誤，D正確。答案：AD7.(2023·浙江6月卷)如圖所示，導(dǎo)熱良好的固定直立圓筒內(nèi)用面積S＝100cm2、質(zhì)量m＝1kg的活塞封閉一定質(zhì)量的理想氣體，活塞能無(wú)摩擦滑動(dòng)。圓筒與溫度為300K的熱源接觸，平衡時(shí)圓筒內(nèi)氣體處于狀態(tài)A，其體積VA＝600cm3。緩慢推動(dòng)活塞使氣體達(dá)到狀態(tài)B，此時(shí)體積VB＝500cm3。固定活塞，升高熱源溫度，氣體達(dá)到狀態(tài)C，此時(shí)壓強(qiáng)pC＝1.4×105Pa。已知從狀態(tài)A到狀態(tài)C，氣體從外界吸收熱量Q＝14J；從狀態(tài)B到狀態(tài)C，氣體內(nèi)能增加ΔU＝25J；大氣壓強(qiáng)p0＝1.01×105Pa。(1)氣體從狀態(tài)A到狀態(tài)B，其分子平均動(dòng)能________(選填“增大”“減小”或“不變”)，圓筒內(nèi)壁單位面積受到的壓力________(選填“增大”“減小”或“不變”)；(2)求氣體在狀態(tài)C的溫度TC；(3)求氣體從狀態(tài)A到狀態(tài)B過(guò)程中外界對(duì)系統(tǒng)做的功W。解析：(1)氣體從狀態(tài)A到狀態(tài)B發(fā)生等溫壓縮變化，氣體內(nèi)能不變，分子平均動(dòng)能不變，體積減小，壓強(qiáng)增大，圓筒內(nèi)壁單位面積受到的壓力增大。(2)氣體處于狀態(tài)A時(shí)，對(duì)活塞受力分析，有pAS＋mg＝p0S解得pA＝1×105Pa氣體從狀態(tài)A到狀態(tài)B發(fā)生等溫壓縮變化，由玻意耳定律有pAVA＝pBVB解得pB＝1.2pA＝1.2×105Pa氣體從狀態(tài)B到狀態(tài)C，做等容變化，由查理定律有eq\f(pB,TB)＝eq\f(pC,TC)解得TC＝350K。(3)氣體從狀態(tài)B到狀態(tài)C，外界對(duì)氣體不做功，所以W等于氣體從狀態(tài)A到狀態(tài)B外界對(duì)氣體做的功，由(1)問(wèn)分析可知，從A到C內(nèi)能的變化量等于從B到C內(nèi)能的變化量，從A到C由熱力學(xué)第一定律有ΔU＝W＋Q解得W＝11J。答案：(1)不變?cè)龃?2)350K(3)11J[能力提升練]8.(多選)(2024·四川成都外國(guó)語(yǔ)學(xué)校診斷)如圖所示，一定質(zhì)量的理想氣體被質(zhì)量為m的絕熱活塞封閉在豎直放置的絕熱汽缸中，活塞的面積為S，與汽缸底部相距L，溫度為T(mén)0?，F(xiàn)接通電熱絲給氣體緩慢加熱，活塞緩慢向上移動(dòng)距離L后停止加熱，整個(gè)過(guò)程中，氣體吸收的熱量為Q，大氣壓強(qiáng)為p0，重力加速度為g。則()A．初始時(shí)，氣體壓強(qiáng)p1＝p0B．停止加熱時(shí)，氣體的溫度T＝2T0C．該過(guò)程中，氣體內(nèi)能增加量ΔU＝Q－mgL－p0SLD．該過(guò)程中，氣體內(nèi)能增加量ΔU＝Q－p0SL解析：對(duì)處于平衡狀態(tài)的活塞進(jìn)行受力分析，受到大氣壓力、重力和氣體向上的壓力，則有mg＋p0S－p1S＝0，解得p1＝eq\f(mg,S)＋p0，故A錯(cuò)誤；活塞緩慢上升過(guò)程中氣體壓強(qiáng)不變，根據(jù)蓋—呂薩克定律有eq\f(LS,T0)＝eq\f(2LS,T)，解得T＝2T0，故B正確；氣體對(duì)外做功W＝－p1SL＝－mgL－p0SL，根據(jù)熱力學(xué)第一定律ΔU＝Q－mgL－p0SL，故C正確，D錯(cuò)誤。答案：BC9．(多選)(2023·山東卷)一定質(zhì)量的理想氣體，初始溫度為300K，壓強(qiáng)為1×105Pa。經(jīng)等容過(guò)程，該氣體吸收400J的熱量后溫度上升100K；若經(jīng)等壓過(guò)程，需要吸收600J的熱量才能使氣體溫度上升100K。下列說(shuō)法正確的是()A．初始狀態(tài)下，氣體的體積為6LB．等壓過(guò)程中，氣體對(duì)外做功400JC．等壓過(guò)程中，氣體體積增加了原體積的eq\f(1,4)D．兩個(gè)過(guò)程中，氣體的內(nèi)能增加量都為400J解析：對(duì)一定質(zhì)量的理想氣體，內(nèi)能的大小取決于溫度的高低，兩個(gè)過(guò)程中的初溫及末溫相同，故內(nèi)能的增加量相同，即ΔU2＝ΔU1＝400J，故D正確；等壓過(guò)程中，根據(jù)熱力學(xué)第一定律有ΔU2＝W＋Q2，其中ΔU2＝400J，Q2＝600J，故W＝－200J，故氣體對(duì)外界做功W′＝200J，由W′＝p1ΔV得ΔV＝2L，B錯(cuò)誤；在等壓過(guò)程中，有eq\f(V1,T1)＝eq\f(V1＋ΔV,T2)，其中T1＝300K，ΔV＝2L，T2＝400K，解得V1＝6L，故A正確；等壓過(guò)程中，氣體體積增加了原體積的eq\f(ΔV,V1)＝eq\f(1,3)，故C錯(cuò)誤。答案：AD10．如圖所示，密閉導(dǎo)熱容器A、B的體積均為V0，A、B浸在盛水容器中，達(dá)到熱平衡后，A中壓強(qiáng)為p0，溫度為T(mén)0，B內(nèi)為真空，將A中的氣體視為理想氣體。打開(kāi)開(kāi)關(guān)C，A中部分氣體進(jìn)入B。(1)若再次達(dá)到平衡時(shí)，水溫未發(fā)生變化，求此時(shí)氣體的壓強(qiáng)；(2)若密閉氣體的內(nèi)能與溫度的關(guān)系為ΔU＝k(T2－T1)(k為大于0的已知常量，T1、T2分別為氣體始末狀態(tài)的溫度)，在(1)所述狀態(tài)的基礎(chǔ)上，將水溫升至1.2T0，重新達(dá)到平衡時(shí)，求氣體的壓強(qiáng)及所吸收的熱量。解析：(1)容器內(nèi)的理想氣體從打開(kāi)C到再次平衡時(shí)，發(fā)生等溫變化，根據(jù)玻意耳定律得p0V0＝p·2V0解得此時(shí)氣體壓強(qiáng)p＝0.5p0。(2)升高溫度，理想氣體發(fā)生等容變化，根據(jù)查理定律得eq\f(p,T0)＝eq\f(p′,1.2T0)解得壓強(qiáng)為p′＝1.2p＝0.6p0溫度改變，理想氣體的體積不變，外界不對(duì)理想氣體做功，即W＝0；升高溫度，內(nèi)能增量為ΔU＝k(1.2T0－T0)＝0.2kT0根據(jù)熱力學(xué)第一定律ΔU＝Q＋W可知，氣體吸收的熱量為Q＝ΔU＝0.2kT0。答案：(1)0.5p0(2)0.6p00.2kT011.一定質(zhì)量的理想氣體p-V圖像如圖所示，在A、B、C處的溫度分別為T(mén)0、1.5T0、2T0，已知理想氣體溫度和分子平均動(dòng)能的關(guān)系為T(mén)＝aEk，其中a為比例系數(shù)。求：(1)氣體從A到B過(guò)程與從C到D過(guò)程對(duì)外做功大小的比值；(2)氣體從B到C過(guò)程與從D到A過(guò)程與外界交換的熱量的比值。解析：(1)由題圖可知?dú)怏w從B到C過(guò)程為等容變化，因此eq\f(pC,TC)＝eq\f(pB,TB)壓強(qiáng)之比為eq\f(pC,pB)＝eq\f(TC,TB)＝eq\f(2,1.5)＝eq\f(4,3)根據(jù)氣體p-V圖像的面積表示氣體做的功可知，氣體從A到B過(guò)程與從C到D過(guò)程對(duì)外做功大小之比為eq\f(WAB,WCD)＝eq\f(pBΔV,pCΔV)＝eq\f(pB,pC)＝eq\f(3,4)。(2)由題圖可知?dú)怏w從D到A過(guò)程為等容變化，則eq\f(pD,TD)＝eq\f(pA,TA)因此TD＝eq\f(pD,pA)·TA＝eq\f(pC,pB)·TA＝eq\f(4,