1、第第 3 3 章章 热力学定律热力学定律 (时间：90 分钟 满分：100 分) 一、 选择题(本题共 12 小题， 每小题 5 分， 共 60 分。 其中 17 题为单项选择题， 812 题为多项选择题) 1.根据热力学定律和分子动理论可知，下列说法中正确的是( ) A.理想气体在等温变化时，内能不改变，因而与外界不发生热量交换 B.布朗运动是液体分子的运动，它说明分子永不停息地做无规则运动 C.永动机是不可能制成的 D.根据热力学第二定律可知，热量能够从高温物体传到低温物体，但不可能从低 温物体传到高温物体 解析 一定质量的理想气体在等温变化时， 内能不变， 但可以与外界有热量交换， 若从
2、外界吸收热量，则吸收的热量等于对外做的功，若外界对气体做功，则外界 做的功等于气体向外放出的热量， 选项A错误； 布朗运动并不是液体分子的运动， 而是悬浮微粒的运动，它反映了液体分子的无规则运动，选项 B 错误；第一类永 动机违背了能量守恒定律， 第二类永动机违背了热力学第二定律， 都不可能制成， 选项 C 正确；热量可以由低温物体传到高温物体，但必须在一定外界条件下，选 项 D 错误。 答案 C 2.在功与热的转化过程中，下列叙述中不正确的是( ) A.不可能制成一种循环运作的热机，它只从一个热源吸取热量，使之完全变为有 用功，而不发生任何其他变化 B.热机的效率恒小于 1 C.功可以完全变
3、成热能，而热能不能完全变为功 D.绝热过程对外做正功，则系统的内能必减小 解析 由热力学第二定律的开耳文表述可知，功和热在转化过程中不是单一的， 总要引起其他变化，如向低温热源放热等，A 项显然与热力学第二定律相符合， A 正确；热机的效率一定小于 1，反映了热机的特性，B 项正确；C 项中没有附 加条件，是不正确的；由 UQW 知 Q0，对外做功 W0，则 UQ B.浮力对气泡做正功，QU C.合力对气泡做正功，QU 解析 根据热力学第一定律 UQW，即 QUW。因为上升时气泡膨胀对 外做功 WU，故选 D。 答案 D 4.如图所示，密闭绝热的具有一定质量的活塞的上部封闭着气体，下部为真空，
4、 活塞与器壁的摩擦忽略不计，置于真空中的轻弹簧的一端固定于容器的底部，另 一端固定在活塞上，弹簧被压缩后用绳扎紧，此时弹簧的弹性势能为 Ep(弹簧处 于自然长度时的弹性势能为零)，现绳突然断开，弹簧推动活塞向上运动，经过多 次往复后活塞静止，气体达到平衡态，经过此过程( ) A.Ep全部转化为气体的内能 B.Ep一部分转化成活塞的重力势能，其余部分仍为弹簧的弹性势能 C.Ep全部转化成活塞的重力势能和气体的内能 D.Ep一部分转化成活塞的重力势能，一部分转化为气体的内能，其余部分仍为弹 簧的弹性势能 解析 首先以活塞为研究对象，设气缸底部的重力势能为零，在此过程中，高度 升高，重力势能增大；以
5、被密闭的理想气体为研究对象，外界对气体做功内能增 大；以弹簧为研究对象，活塞和器壁挤压弹簧，则弹簧具有弹性势能。 答案 D 5.如图所示，两个相通的容器 P、Q 间装有阀门 K，P 中充满气体，Q 内为真空， 整个系统与外界没有热交换。打开阀门 K 后，P 中的气体进入 Q 中，最终达到平 衡，则( ) A.气体体积膨胀，内能增加 B.气体分子势能减少，内能增加 C.气体分子势能增加，压强可能不变 D.Q 中气体不可能自发地全部退回到 P 中 解析 据热力学第二定律，自然界涉及热现象的宏观过程都具有方向性，知 D 项 正确；容器内气体自由膨胀，气体与外界之间不做功也没有热交换，故气体的内 能不
6、变，A 项错误；气体分子间作用力很弱，气体体积变化时，气体分子势能可 认为不变，体积增大，压强减小，B、C 项错误。 答案 D 6.如图所示，厚壁容器一端通过胶塞插进一支灵敏温度计和一根气针，另一端有 个用卡子卡住的可移动胶塞。用打气筒慢慢向容器内打气，使容器内的压强增大 到一定程度，这时读出温度计示数。打开卡子，胶塞冲出容器口后( ) A.温度计示数变大，实验表明气体对外界做功，内能减少 B.温度计示数变大，实验表明外界对气体做功，内能增加 C.温度计示数变小，实验表明气体对外界做功，内能减少 D.温度计示数变小，实验表明外界对气体做功，内能增加 解析 由于系统是个密闭的厚壁容器，当外界对容
7、器内部打气时，使得内部的压 强增大温度升高，此时温度计的示数较原来升高；当打开卡子后气体体积膨胀， 对外界做功，使得气体的内能减少，温度降低，故温度计的示数变小，选项 C 正 确。 答案 C 7.如图所示， A、 B 是两个完全相同的球， 分别浸没在水和水银的同一深度处。 A、 B 球用同一材料制作，当温度稍微升高时，球的体积会明显变大。如果开始水和 水银的温度相同，且两液体温度同时缓慢升高同一值，两球膨胀后的体积相等， 则( ) A.A 球吸收的热量较多 B.B 球吸收的热量较多 C.两球吸收的热量一样多 D.不能确定哪一个吸收的热量多 解析 两球温度变化相同，分子平均动能的增大是相同的，体
8、积膨胀相同，但小 球在水中和在水银中受的压力是不同的， 在水银中受的压力大于在水中受的压力， 所以在水银中的球对水银做的功大于在水中的小球对水做的功，由热力学第一定 律可知：水银中小球吸收的热量多一些。 答案 B 8.从微观角度看( ) A.热力学第二定律是一个统计规律 B.一个孤立系统总是从熵大的状态向熵小的状态发展 C.一个宏观状态所对应的微观状态越多，越是无序，熵值越大 D.出现概率越大的宏观状态，熵值越大 解析 从微观角度看，热力学第二定律是一个统计规律，一个孤立系统总是从熵 小的状态向熵大的状态发展，熵值越大代表着越无序，一个宏观状态对应的微观 状态也越多，出现的概率也越大。综上所述
9、，A、C、D 项正确，B 项错误。 答案 ACD 9.下列说法中正确的是( ) A.物体吸收热量，温度一定升高 B.物体的温度越高，分子热运动越剧烈，分子的平均动能就越大 C.密封在体积不变的容器中的气体，温度升高，气体分子对器壁单位面积上的平 均作用力增大 D.根据热力学第二定律可知，热量能够从高温物体传到低温物体，但不能从低温 物体传到高温物体 解析 物体吸收热量，如果对外做功，温度可能降低，选项 A 错误；密封在体积 不变的容器中的气体，温度升高，分子的平均动能就增大，气体分子对器壁单位 面积上的平均作用力增大，选项 B、C 正确；根据热力学第二定律可知，热量能 够从高温物体传到低温物体
10、，但不能自发地从低温物体传到高温物体，但是可以 采用某种方法使热量从低温物体传到高温物体，选项 D 错误。 答案 BC 10.如图为某实验器材的结构示意图， 金属内筒和隔热外筒间封闭了一定体积的空 气，内筒中有水，在水加热升温的过程中，被封闭的空气( ) A.内能增大 B.压强增大 C.分子间引力和斥力都减小 D.所有分子运动速率都增大 解析 在水加热升温的过程中，封闭气体的温度升高，内能增大，选项 A 正确； 根据p TC 知，气体的压强增大，选项 B 正确；气体的体积不变，气体分子间的 距离不变，分子间的引力和斥力不变，选项 C 错误；温度升高，分子热运动的平 均速率增大，但并不是所有分子
11、运动的速率都增大，选项 D 错误。 答案 AB 11.如图所示，导热的气缸开口向下，缸内活塞封闭了一定质量的理想气体，活塞 可自由滑动且不漏气，活塞下挂一个水桶，水桶装满沙子时，活塞恰好静止。现 将水桶底部钻一个小洞，让细沙慢慢漏出，气缸外部温度恒定不变，则( ) A.缸内气体压强减小，内能增加 B.缸内气体压强增大，内能不变 C.缸内气体压强增大，内能减少 D.外界对缸内气体做功 解析 分析活塞受力，活塞受到大气压力 p0S 竖直向上，内部气体压力 pS 和水桶 重力 mg 竖直向下，根据活塞平衡有 p0SmgpS，随水桶重力减小，大气压力 使得活塞向上运动，外界对缸内气体做功，选项 D 正
12、确；由于气缸导热，温度不 变，气缸内气体体积变小，压强变大，选项 A 错误；气体温度不变，内能不变， 选项 B 正确，C 错误。 答案 BD 12.如图所示的导热气缸内，用活塞封闭一定质量的理想气体，如果迅速向下压活 塞时气体的温度会骤然升高(设为甲过程)。如果缓慢地向下压活塞时，里面的气 体温度不变(设为乙过程)。已知甲、乙两个过程中气体初态和末态的体积相同， 不考虑活塞与气缸的摩擦，则下列说法正确的是( ) A.甲过程中气体的内能增加，乙过程中气体的内能不变 B.两过程中外界对气体做的功一样多 C.乙过程中气体的压强不变，甲过程中气体的压强不断增大 D.乙过程的末态气体压强比甲过程的末态气
13、体压强小 解析 温度是物体内分子热运动的平均动能的标志，由题意知甲过程中气体温度 升高，乙过程中气体温度不变，所以 A 项正确；外界对气体做功 WpV，体积 变化相同，但甲过程平均压强大于乙过程平均压强，B 项错误；乙过程为等温压 缩过程，压强变大，C 项错误；可以将两过程末态看作一个等容过程，甲过程末 态温度较高，压强较大，D 项正确。 答案 AD 二、非选择题(共 4 个题，共 40 分) 13.(8 分)如图所示，气缸内封闭一定质量的理想气体，活塞通过定滑轮与一重物 m 相连并处于静止状态，此时活塞距缸口的距离 h0.2 m，活塞横截面积 S 10 cm2，封闭气体的压强 p5104 P
14、a。现通过电热丝对缸内气体加热，使活塞 缓慢上升直至缸口。在此过程中封闭气体吸收了 Q60 J 的热量，假设气缸壁和 活塞都是绝热的，活塞质量及一切摩擦不计，则在此过程中气体的内能增加了多 少？ 解析 活塞在上升过程中，气体对外做功 WpSh 根据热力学第一定律 UQW 代入数据解得 U60 J51041010 40.2 J50 J 答案 50 J 14.(10 分)爆米花酥脆可口、老少皆宜，是许多人喜爱的休闲零食，如图为高压爆 米花的装置原理图，玉米在铁质的密封容器内被加热，封闭气体被加热成高温高 压气体，当打开容器盖后，“嘭”的一声气体迅速膨胀，压强急剧减小，玉米粒 就“爆炸”成了爆米花。
15、设当地温度为 t127 ，大气压为 p0，已知密闭容器打 开前的气体压强达到 4p0。 (1)若把容器内的气体看作理想气体，求容器内气体的温度； (2)假定在一次打开的过程中，容器内气体膨胀对外界做功 15 kJ，并向外释放了 20 kJ 的热量，容器内原有气体的内能如何变化？变化了多少？ 解析 (1)根据查理定律：p1 T1 p2 T2 p1p0，T1300 K，p24p0 整理得 T21 200 K，t2927 。 (2)由热力学第一定律 UQW 得 U20 kJ15 kJ35 kJ 故内能减少 35 kJ。 答案 (1)927 (2)减少 35 kJ 15.(10 分)如图所示，在竖直放
16、置的圆柱形容器内，用质量为 m 的活塞密封一部分 气体，活塞与容器壁间无摩擦滑动，容器的横截面积为 S，将整个装置放在大气 压恒为 p0的空气中，开始时气体的温度为 T0，活塞与容器底的距离为 h0，当气体 从外界吸收热量 Q 后，活塞缓慢上升 d 后再次平衡，问： (1)外界空气的温度是多少？ (2)在此过程中的密闭气体的内能增加了多少？ 解析 (1)取密闭气体为研究对象，活塞上升过程为等压变化，由盖吕萨克定律 有V T V0 T0 得外界温度 T V V0T0 h0d h0 T0。 (2)活塞上升的过程，密闭气体克服大气压力和活塞的重力做功，所以外界对气体 做的功 W(mgp0S)d， 根
17、据热力学第一定律得，密闭气体增加的内能 UQWQ(mgp0S)d。 答案 (1)h 0d h0 T0 (2)Q(mgp0S)d 16.(12 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，开始时被封闭 的气体的长度为 32 cm， 某同学用力向下压缩气体， 使封闭气体的长度变为 12 cm， 该同学对活塞做 90 J 的功， 大气压强为 p1105 Pa， 活塞的横截面积 S10 cm2， 不计活塞的重力和摩擦，若以适当的速度压缩气体，在此过程中向外散热 20 J， 求气体内能变化了多少？ 解析 大气对活塞做功 W0pV1105(0.320.12)(1010 4) J20 J 该同学对气体做功 W90 J 故外界对气体做功为 W总W0W110 J 由热力学第一定律 UW总Q110 J(20) J90 J 即气体内能增加，增加了 90 J。 答案 增加了 90 J