專題72 熱力學(xué)定律的綜合應(yīng)用-2025版高三物理一輪復(fù)習(xí)多維度導(dǎo)學(xué)與分層專練

2025屆高三物理一輪復(fù)習(xí)多維度導(dǎo)學(xué)與分層專練專題72熱力學(xué)定律的綜合應(yīng)用導(dǎo)練目標(biāo)導(dǎo)練內(nèi)容目標(biāo)1熱力學(xué)第一定律目標(biāo)2熱力學(xué)第二定律目標(biāo)3熱力學(xué)第一定律與氣體圖像的綜合應(yīng)用目標(biāo)4熱力學(xué)第一定律與氣體實(shí)驗(yàn)定律的綜合應(yīng)用【知識導(dǎo)學(xué)與典例導(dǎo)練】熱力學(xué)第一定律1．對熱力學(xué)第一定律的理解(1)做功和熱傳遞在改變系統(tǒng)內(nèi)能上是等效的。(2)做功過程是系統(tǒng)與外界之間的其他形式能量與內(nèi)能的相互轉(zhuǎn)化。(3)熱傳遞過程是系統(tǒng)與外界之間內(nèi)能的轉(zhuǎn)移。2．熱力學(xué)第一定律的三種特殊情況(1)若過程是絕熱的，則Q＝0，W＝ΔU，外界對物體做的功等于物體內(nèi)能的增加。(2)若過程中不做功，則W＝0，Q＝ΔU，物體吸收的熱量等于物體內(nèi)能的增加。(3)若過程的始、末狀態(tài)物體的內(nèi)能不變，則W＋Q＝0，即物體吸收的熱量全部用來對外做功，或外界對物體做的功等于物體放出的熱量。3．公式ΔU＝W＋Q中符號法則的理解物理量WQΔU＋外界對物體做功物體吸收熱量內(nèi)能增加－物體對外界做功物體放出熱量內(nèi)能減少【例1】“百脈寒泉珍珠滾”，為章丘八大景之一。泉水深5m，底部溫度為17℃，一個體積為5.8×10－7m3的氣泡，從底部緩慢上升，到達(dá)泉水表面溫度為27℃。其內(nèi)能增加了2×10－2J。g取10m/s2，外界大氣壓強(qiáng)取1.0×105Pa，水的密度取1×103kg/m3，氣泡內(nèi)氣體視為理想氣體。下列說法正確的是（）A．氣泡內(nèi)所有分子動能都增大B．氣泡上升過程中對外做功，放出熱量C．氣泡到達(dá)水面時的體積為8.7×10－8m3D．上升過程中氣泡吸收熱量小于6.8×10－2J【答案】D【詳解】A．內(nèi)能增大時氣體分子的平均動能增大，并不是所有分子的動能都增大，故A錯誤；B．由ΔU＝W＋Q可知，上升過程中，氣體分子內(nèi)能增加，體積增大，對外做功，所以吸收熱量，故B錯誤；C．由題意知，在泉水底部；；到達(dá)水面時；由理想氣體的狀態(tài)方程＝代入數(shù)據(jù)可求得，氣泡到達(dá)水面時的體積為V2=9×10－7m3故C錯誤；D．由對外做功的表達(dá)式W＝p1Sx＝p1ΔV可知，當(dāng)壓強(qiáng)不變時，則氣體對外做功等于由于上升過程中壓強(qiáng)減小，所以對外做功小于4.8×10－2J，由ΔU＝W＋Q可得上升過程中氣泡吸收熱量小于6.8×10－2J，故D正確。故選D。熱力學(xué)第二定律1.熱力學(xué)第二定律的含義(1)“自發(fā)地”指明了熱傳遞等熱力學(xué)宏觀現(xiàn)象的方向性，不需要借助外界提供能量的幫助。(2)“不產(chǎn)生其他影響”的含義是發(fā)生的熱力學(xué)宏觀過程只在本系統(tǒng)內(nèi)完成，對周圍環(huán)境不產(chǎn)生熱力學(xué)方面的影響，如吸熱、放熱、做功等。在產(chǎn)生其他影響的條件下內(nèi)能可以全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，如氣體的等溫膨脹過程。2．熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)熱力學(xué)第二定律的每一種表述，都揭示了大量分子參與的宏觀過程的方向性，進(jìn)而使人們認(rèn)識到自然界中進(jìn)行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性。3.熱力學(xué)第一、第二定律的比較熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第二定律定律揭示的問題從能量守恒的角度揭示了功、熱量和內(nèi)能改變量三者的定量關(guān)系自然界中出現(xiàn)的宏觀過程是有方向性的機(jī)械能和內(nèi)能的轉(zhuǎn)化當(dāng)摩擦力做功時，機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能內(nèi)能不可能在不引起其他變化的情況下完全變成機(jī)械能熱量的傳遞熱量可以從高溫物體自發(fā)傳向低溫物體說明熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳向高溫物體兩定律的關(guān)系在熱力學(xué)中，兩者既相互獨(dú)立，又互為補(bǔ)充，共同構(gòu)成了熱力學(xué)知識的理論基礎(chǔ)4.兩類永動機(jī)的比較第一類永動機(jī)第二類永動機(jī)設(shè)計(jì)要求不需要任何動力或燃料，卻能不斷地對外做功的機(jī)器從單一熱源吸收熱量，使之完全變成功，而不產(chǎn)生其他影響的機(jī)器不可能制成的原因違背能量守恒定律不違背能量守恒定律，違背熱力學(xué)第二定律【例2】如圖所示，為電冰箱的工作原理示意圖；壓縮機(jī)工作時，強(qiáng)迫制冷劑在冰箱內(nèi)外的管道中不斷循環(huán)，在蒸發(fā)器中制冷劑汽化吸收箱體內(nèi)的熱量，經(jīng)過冷凝器時制冷劑液化，放出熱量到箱體外。下列說法正確的是（）A．熱量可以自發(fā)地從冰箱內(nèi)傳到冰箱外B．電冰箱的制冷系統(tǒng)能夠不斷地把冰箱內(nèi)的熱量傳到外界，是因?yàn)槠湎牧穗娔蹸．電冰箱的工作原理違背熱力學(xué)第一定律D．電冰箱除了將熱量從低溫?zé)釒靷鞯礁邷責(zé)釒焱?，工作過程中所產(chǎn)生的其他一切影響，無論用任何辦法都不可能加以消除【答案】BD【詳解】C．熱力學(xué)第一定律是熱現(xiàn)象中內(nèi)能與其他形式能的轉(zhuǎn)化規(guī)律，是能量守恒定律的具體表現(xiàn)，適用于所有的熱學(xué)過程，故C錯誤；AB．根據(jù)熱力學(xué)第二定律，熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體，必須借助于其他系統(tǒng)做功，故A錯誤，B正確；D．壓縮機(jī)工作時會發(fā)熱，將一部分電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能消耗掉，這種影響沒法消除，故D正確。故選BD。三、熱力學(xué)第一定律與氣體圖像的綜合應(yīng)用處理熱力學(xué)第一定律與氣體圖像的綜合問題的思路：(1)根據(jù)氣體圖像的特點(diǎn)判斷氣體的溫度、體積的變化情況，從而判斷氣體與外界的吸、放熱關(guān)系及做功關(guān)系。(2)在p-V圖像中，圖線與V軸圍成的面積表示氣體對外界或外界對氣體做的功。(3)結(jié)合熱力學(xué)第一定律判斷有關(guān)問題?！纠?】一定質(zhì)量的理想氣體從狀態(tài)A依次經(jīng)過狀態(tài)B、C和D后又回到狀態(tài)A。其中C-D-A為等溫過程，該循環(huán)過程如圖所示，下列說法正確的是（）A．B→C過程中，氣體對外界做功B．B→C過程中，外界對氣體做功C．A→B過程中，1s內(nèi)撞擊1m2器壁的氣體分子個數(shù)變少D．A→B過程中，氣體分子的平均動能減小【答案】C【詳解】AB．B→C過程中，氣體的體積不變，則氣體不對外界做功，外界也不對氣體做功，選項(xiàng)AB錯誤；CD．A→B過程中，氣體壓強(qiáng)不變，溫度升高，氣體分子的平均動能變大，分子對器壁的碰撞力變大，但是氣體體積變大，分子數(shù)密度減小，則1s內(nèi)撞擊1m2器壁的氣體分子個數(shù)變少，選項(xiàng)C正確，D錯誤；故選C。【例4】一定量的理想氣體從狀態(tài)a經(jīng)狀態(tài)b變化到狀態(tài)c，其過程如圖所示，則氣體（

）A．狀態(tài)a處的壓強(qiáng)大于狀態(tài)c處的壓強(qiáng)B．狀態(tài)b處的壓強(qiáng)小于狀態(tài)c處的壓強(qiáng)C．由a變化到b的過程中，氣體向外界放熱D．由a變化到c的過程中，從外界吸收的熱量小于其增加的內(nèi)能【答案】A【詳解】AB．根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程可知即圖像的斜率為，故有故A正確，B錯誤；CD．理想氣體由a變化到b和由a變化到c的過程中，體積增大，則氣體對外做功，溫度升高，則內(nèi)能增大，由熱力學(xué)第一定律有而，，則有可得，即氣體從外界吸熱，且從外界吸收的熱量大于其增加的內(nèi)能，CD錯誤。故選A?！纠?】一定量的理想氣體從狀態(tài)開始，經(jīng)歷等溫或等壓過程、、、回到原狀態(tài)，其圖像如圖所示，其中對角線的延長線過原點(diǎn)。下列判斷正確的是（）A．氣體在、兩狀態(tài)的體積相等B．在過程中氣體向外界放出的熱量大于外界對氣體做的功C．在過程中氣體從外界吸收的熱量小于氣體對外界做的功D．在過程中外界對氣體做的功等于在過程da中氣體對外界做的功【答案】AD【詳解】A．根據(jù)氣體狀態(tài)方程得，圖像的斜率，、兩點(diǎn)在同一直線上，即、c兩點(diǎn)是同一等容線上的兩點(diǎn)，體積相等，故A正確；B．在過程中溫度不變，內(nèi)能不變，等溫變化壓強(qiáng)與體積成反比，壓強(qiáng)大體積小，從到體積減小，外界對氣體做正功，根據(jù)熱力學(xué)第一定律所以，所以在過程中氣體向外界放出的熱量等于外界對氣體做的功，故B錯誤；C．在過程da中，等壓變化，溫度升高，內(nèi)能增大，體積變大，外界對氣體做負(fù)功即，根據(jù)熱力學(xué)第一定律；所以在過程中氣體從外界吸收的熱量大于氣體對外界做的功，故C錯誤；D．在過程中，等壓變化，溫度降低，內(nèi)能減小△U＜0，體積減小，外界對氣體做功，根據(jù)即；，da過程中，氣體對外界做功因?yàn)樗栽谶^程中外界對氣體做的功等于在過程中氣體對外界做的功，故D正確。故選AD。四、熱力學(xué)第一定律與氣體實(shí)驗(yàn)定律的綜合應(yīng)用求解熱力學(xué)定律與氣體實(shí)驗(yàn)定律的綜合問題的思路：【例6】如圖所示，上端帶有卡口的橫截面積為S、高為L的導(dǎo)熱性能良好的氣缸中用一光滑的活塞B封閉著一定質(zhì)量的理想氣體A，氣缸底部與U形水銀氣壓計(jì)（U形管內(nèi)氣體體積忽略不計(jì)）相連，已知?dú)怏w內(nèi)能U與熱力學(xué)溫度T的關(guān)系為，其中為已知常數(shù)，活塞B的質(zhì)量為m，重力加連度為g，大氣壓強(qiáng)為，水銀的密度為，環(huán)境熱力學(xué)溫度為時，活塞離缸底的距離為。求：（1）環(huán)境溫度為時，U形氣壓計(jì)兩側(cè)水銀面的高度差；（2）環(huán)境溫度由緩慢升高至過程中，氣體吸收的熱量?！敬鸢浮浚?）；（2）【詳解】（1）設(shè)穩(wěn)定后汽缸內(nèi)氣體的壓強(qiáng)為，對活塞，根據(jù)平衡條件得對水銀柱，有解得（2）緩慢升高環(huán)境溫度，活塞B上升，氣體發(fā)生等壓變化，U形導(dǎo)管內(nèi)側(cè)水銀面的高度差不變，設(shè)活塞B剛好到達(dá)容器口時，溫度為，由蓋—呂薩克定律得解得之后，氣體溫度由升高到，氣體發(fā)生等容變化。整個過程中，外界對氣體做的功由熱力學(xué)第一定律得解得【多維度分層專練】1．某同學(xué)設(shè)計(jì)的一個簡易溫度計(jì)如圖所示，一根透明吸管插入導(dǎo)熱良好的容器，連接處密封，在吸管內(nèi)注入一小段油柱，外界大氣壓保持不變。將容器放入冰水中，觀察到油柱緩慢下降，下列說法正確的是（）。A．外界對氣體做的功大于氣體放出的熱量B．外界對氣體做的功等于氣體放出的熱量C．容器內(nèi)壁的單位面積上受到氣體分子的平均作用力增大D．氣體分子單位時間撞擊容器壁單位面積的次數(shù)增加【答案】D【詳解】AB．將容器放入冰水中，氣體的溫度降低，內(nèi)能減小，由ΔU=Q+W可知，外界對氣體做的功小于氣體放出的熱量，A、B錯誤；C．設(shè)液體密度為，高度為，氣體的壓強(qiáng)保持不變，則容器內(nèi)壁的單位面積上受到氣體分子的平均作用力大小不變，C錯誤；D．由于p一定，溫度降低使分子熱運(yùn)動的平均動能減小，故氣體分子單位時間撞擊容器壁單位面積的次數(shù)增加，D正確。故選D。2．如圖所示，用隔板將一絕熱汽缸分成兩部分，隔板左側(cè)充有理想氣體，隔板右側(cè)與絕熱活塞之間是真空，活塞可在汽缸內(nèi)無摩擦地左右滑動。現(xiàn)將隔板抽開，氣體會自發(fā)擴(kuò)散至整個汽缸，待氣體達(dá)到穩(wěn)定后緩慢推壓活塞，將氣體壓回到原來的體積，假設(shè)整個系統(tǒng)不漏氣，下列說法正確的是（）A．氣體自發(fā)擴(kuò)散前后內(nèi)能減少B．氣體在被壓縮的過程中內(nèi)能增大C．在自發(fā)擴(kuò)散過程中，氣體對外界沒做功D．氣體在被壓縮的過程中，外界對氣體做負(fù)功【答案】BC【詳解】AC．氣體向真空自發(fā)擴(kuò)散，對外界不做功，且沒有熱傳遞，氣體的內(nèi)能不變，故A錯誤，C正確；B．氣體在被壓縮的過程中，活塞對氣體做功，因汽缸絕熱，故氣體內(nèi)能增大，故B正確；D．氣體在被壓縮的過程中，外界對氣體做正功，故D錯誤。故選BC。3．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，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。下列說法正確的是（）A．A端為冷端，B端為熱端B．A端流出的氣體分子熱運(yùn)動平均速率一定小于B端流出的C．A端流出的氣體內(nèi)能一定大于B端流出的D．該裝置氣體進(jìn)出的過程滿足能量守恒定律，但違背了熱力學(xué)第二定律E．該裝置氣體進(jìn)出的過程既滿足能量守恒定律，也滿足熱力學(xué)第二定律【答案】ABE【詳解】A.依題意，中心部位為熱運(yùn)動速率較低的氣體，與擋板相作用后反彈，從A端流出，而邊緣部份熱運(yùn)動速率較高的氣體從B端流出；同種氣體分子平均熱運(yùn)動速率較大、其對應(yīng)的溫度也就較高，所以A端為冷端、B端為熱端，故A正確；B．依題意，A端流出的氣體分子熱運(yùn)動速率較小，B端流出的氣體分子熱運(yùn)動速率較大，所以從A端流出的氣體分子熱運(yùn)動平均速度小于從B端流出的，故B正確；C．A端流出的氣體分子熱運(yùn)動速率較小，B端流出的氣體分子熱運(yùn)動速率較大，則從A端流出的氣體分子平均動能小于從B端流出的氣體分子平均動能，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C錯誤；DE．該裝置將冷熱不均氣體的進(jìn)行分離，噴嘴處有高壓，即通過外界做功而實(shí)現(xiàn)的，并非是自發(fā)進(jìn)行的，沒有違背熱力學(xué)第二定律；溫度較低的從A端出、較高的從B端出，也符合能量守恒定律，故D錯誤，E正確。故選ABE。4．如圖所示，絕熱容器被絕熱隔板K1和卡銷鎖住的絕熱光滑活塞K2隔成a、b、c三部分，a部分為真空，b部分為一定質(zhì)量的稀薄氣體，且壓強(qiáng)pb<p0（p0是大氣壓強(qiáng)），c與大氣連通，則下列說法中正確的是（）A．只打開隔板K1，b中氣體對外做功，內(nèi)能減少B．只打開隔板K1，b中氣體不做功，內(nèi)能不變C．只打開隔板K1，b中氣體壓強(qiáng)減小，溫度不變D．只打開卡銷K2，b中氣體對外做功，內(nèi)能減少E．只打開卡銷K2，外界對b中氣體做功，b中氣體內(nèi)能增加【答案】BCE【詳解】AB．只打開隔板K1時，b中氣體向a中真空擴(kuò)散，氣體不做功W＝0絕熱容器導(dǎo)致Q＝0由熱力學(xué)第一定律知ΔU＝W＋Q＝0內(nèi)能不變，A錯誤，B正確；C．只打開隔板K1時，b中氣體內(nèi)能不變，溫度不變，由玻意耳定律pV＝C知b中氣體體積增大，壓強(qiáng)減小，C正確；D．只打開卡銷K2時，由于pb<p0，活塞將向左移動，b中氣體體積減小，外界對b中氣體做功W′>0但Q′＝0則ΔU′＝W′＋Q′>0內(nèi)能增加，E正確，D錯誤。故選BCE。5．密閉導(dǎo)熱容器里裝有一定質(zhì)量的理想氣體，某一變化過程的圖（p、T單位均為國際單位）如圖所示，ab延長線通過坐標(biāo)原點(diǎn)O，ac、bc與坐標(biāo)軸平行。則由圖可知（）A．過程氣體從外界吸熱，吸收的熱量大于氣體增加的內(nèi)能B．過程氣體對外做功，做功的數(shù)值小于氣體吸收的熱量C．過程氣體內(nèi)能減少，放出的熱量大于外界對氣體做功的數(shù)值D．過程氣體對外做功，做功的數(shù)值小于氣體吸收的熱量【答案】C【詳解】A．過程氣體從外界吸熱，吸收的熱量等于氣體增加的內(nèi)能，故A錯誤；B．過程氣體對外做功，做功的數(shù)值等于氣體吸收的熱量，故B錯誤；C．過程氣體內(nèi)能減少，放出的熱量大于外界對氣體做功的數(shù)值，故C正確；D．畫出氣體過程的圖，可知過程氣體對外做功，做功的數(shù)值與氣體吸收的熱量相等，故D錯誤。故選C。6．一定質(zhì)量的理想氣體從狀態(tài)A經(jīng)過狀態(tài)B變化到狀態(tài)C，其V-T圖像如圖所示。下列說法正確的有（）A．A→B的過程中，氣體對外界做功B．B→C的過程中，每個氣體分子的動能都減小C．A→B的過程中，氣體放出熱量D．A→B→C的過程中，氣體內(nèi)能增加【答案】C【詳解】A．A→B的過程中，體積減小，則外界對氣體做功，選項(xiàng)A錯誤；B．B→C的過程中，溫度降低，分子平均動能減小，但不是每個氣體分子的動能都減小，選項(xiàng)B錯誤；C．A→B的過程中，溫度不變，內(nèi)能不變，外界對氣體做功，根據(jù)熱力學(xué)第一定律可知，氣體放出熱量，選項(xiàng)C正確；D．A→B過程內(nèi)能不變，從B→C的過程中，溫度降低，則氣體內(nèi)能減小，選項(xiàng)D錯誤。故選C。7．一定質(zhì)量的理想氣體從狀態(tài)開始，經(jīng)三個過程后回到初始狀態(tài)a，其圖像如圖所示，已知?dú)怏w在狀態(tài)時的體積為，的延長線過點(diǎn)（）。下列說法正確的是（）A．氣體在狀態(tài)b時的體積為B．過程中，外界對氣體做功C．過程中，氣體向外界放熱D．過程中，單位時間內(nèi)容器壁單位面積上受到氣體分子撞擊的次數(shù)增加E．過程中，氣體的體積增大【答案】ACD【詳解】將攝氏溫度轉(zhuǎn)換為熱力學(xué)溫度，并根據(jù)數(shù)學(xué)知識可將題中的圖像轉(zhuǎn)換為圖像，如圖所示AB．由圖可知，過程為等溫過程，由玻意耳定律有解得氣體的體積增大，氣體對外界做功，故B錯誤，A正確；C．由圖可知，過程為等壓過程，由蓋呂薩克定律有由于氣體溫度降低，則體積減小，外界對氣體做功，，又有氣體的內(nèi)能減少，即由熱力學(xué)第一定律可知，氣體向外界放熱，故C正確；D．由圖可知，過程，氣體溫度降低，氣體分子的平均動能減小，撞擊容器壁時對容器壁的平均作用力減小，又氣體的壓強(qiáng)不變，則單位時間內(nèi)容器壁單位面積上受到氣體分子撞擊的次數(shù)增加，故D正確。E．根據(jù)題意，過程，由理想氣體狀態(tài)方程可知，氣體發(fā)生等容變化，體積不變，故E錯誤。故選ACD。8．如圖所示，一底部帶加熱絲（圖中未畫出）的絕熱汽放在地面上，氣缸里有一質(zhì)量為m、橫截面積為S的絕熱活塞封閉著一定質(zhì)量的理想氣體，初始時封閉氣體的溫度為T0，活塞壓在汽缸內(nèi)壁的棱上，活塞離汽缸底部的距離為L，內(nèi)壁的棱對活塞的總支持力為F=5mg。現(xiàn)在通過汽缸底部的加熱絲緩慢對封閉氣體加熱。重力加速度為g。不計(jì)加熱絲和力傳感器的體積，外界大氣壓為，且p0保持不變。①當(dāng)棱對活塞的支持力剛好為零時，求封閉氣體的溫度T1；②當(dāng)活塞向上移動2L時剛剛到達(dá)汽缸頂部，求此時封閉氣體的溫度T2，若此過程中封閉氣體內(nèi)能增加△U，則此過程中加熱絲產(chǎn)生的熱量Q為多少？【答案】①；②，【詳解】①氣體在初態(tài)時設(shè)壓強(qiáng)為，對活塞受力分析有解得氣體在末態(tài)時設(shè)壓強(qiáng)為，棱對活塞的支持力剛好為零，對