新高考物理一輪復習知識梳理+分層練習專題72 熱力學定律的綜合應用（含解析）

2023屆高三物理一輪復習多維度導學與分層專練專題72熱力學定律的綜合應用導練目標導練內容目標1熱力學第一定律目標2熱力學第二定律目標3熱力學第一定律與氣體圖像的綜合應用目標4熱力學第一定律與氣體實驗定律的綜合應用【知識導學與典例導練】熱力學第一定律1．對熱力學第一定律的理解(1)做功和熱傳遞在改變系統(tǒng)內能上是等效的。(2)做功過程是系統(tǒng)與外界之間的其他形式能量與內能的相互轉化。(3)熱傳遞過程是系統(tǒng)與外界之間內能的轉移。2．熱力學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能的增加。(3)若過程的始、末狀態(tài)物體的內能不變，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能增加－物體對外界做功物體放出熱量內能減少【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，到達泉水表面溫度為27℃。其內能增加了2×10－2J。g取10m/s2，外界大氣壓強取1.0×105Pa，水的密度取1×103kg/m3，氣泡內氣體視為理想氣體。下列說法正確的是（）A．氣泡內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SKIPIF1<0；SKIPIF1<0；SKIPIF1<0到達水面時SKIPIF1<0；SKIPIF1<0由理想氣體的狀態(tài)方程SKIPIF1<0＝SKIPIF1<0代入數(shù)據(jù)可求得，氣泡到達水面時的體積為V2=9×10－7m3故C錯誤；D．由對外做功的表達式W＝p1Sx＝p1ΔV可知，當壓強不變時，則氣體對外做功等于SKIPIF1<0由于上升過程中壓強減小，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。熱力學第二定律1.熱力學第二定律的含義(1)“自發(fā)地”指明了熱傳遞等熱力學宏觀現(xiàn)象的方向性，不需要借助外界提供能量的幫助。(2)“不產生其他影響”的含義是發(fā)生的熱力學宏觀過程只在本系統(tǒng)內完成，對周圍環(huán)境不產生熱力學方面的影響，如吸熱、放熱、做功等。在產生其他影響的條件下內能可以全部轉化為機械能，如氣體的等溫膨脹過程。2．熱力學第二定律的實質熱力學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，進而使人們認識到自然界中進行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性。3.熱力學第一、第二定律的比較熱力學第一定律熱力學第二定律定律揭示的問題從能量守恒的角度揭示了功、熱量和內能改變量三者的定量關系自然界中出現(xiàn)的宏觀過程是有方向性的機械能和內能的轉化當摩擦力做功時，機械能可以全部轉化為內能內能不可能在不引起其他變化的情況下完全變成機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系在熱力學中，兩者既相互獨立，又互為補充，共同構成了熱力學知識的理論基礎4.兩類永動機的比較第一類永動機第二類永動機設計要求不需要任何動力或燃料，卻能不斷地對外做功的機器從單一熱源吸收熱量，使之完全變成功，而不產生其他影響的機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；壓縮機工作時，強迫制冷劑在冰箱內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的熱量，經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)地從冰箱內傳到冰箱外B．電冰箱的制冷系統(tǒng)能夠不斷地把冰箱內的熱量傳到外界，是因為其消耗了電能C．電冰箱的工作原理違背熱力學第一定律D．電冰箱除了將熱量從低溫熱庫傳到高溫熱庫外，工作過程中所產生的其他一切影響，無論用任何辦法都不可能加以消除【答案】BD【詳解】C．熱力學第一定律是熱現(xiàn)象中內能與其他形式能的轉化規(guī)律，是能量守恒定律的具體表現(xiàn)，適用于所有的熱學過程，故C錯誤；AB．根據(jù)熱力學第二定律，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．壓縮機工作時會發(fā)熱，將一部分電能轉化為內能消耗掉，這種影響沒法消除，故D正確。故選BD。三、熱力學第一定律與氣體圖像的綜合應用處理熱力學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、放熱關系及做功關系。(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)結合熱力學第一定律判斷有關問題?！纠?】一定質量的理想氣體從狀態(tài)A依次經過狀態(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AB錯誤；CD．A→B過程中，氣體壓強不變，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內撞擊1m2器壁的氣體分子個數(shù)變少，選項C正確，D錯誤；故選C?！纠?】一定量的理想氣體從狀態(tài)a經狀態(tài)b變化到狀態(tài)c，其過程如圖所示，則氣體（

）A．狀態(tài)a處的壓強大于狀態(tài)c處的壓強B．狀態(tài)b處的壓強小于狀態(tài)c處的壓強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能【答案】A【詳解】AB．根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程可知SKIPIF1<0即SKIPIF1<0圖像的斜率為SKIPIF1<0，故有SKIPIF1<0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，則內能增大，由熱力學第一定律有SKIPIF1<0而SKIPIF1<0，SKIPIF1<0，則有SKIPIF1<0可得SKIPIF1<0，SKIPIF1<0即氣體從外界吸熱，且從外界吸收的熱量大于其增加的內能，CD錯誤。故選A?！纠?】一定量的理想氣體從狀態(tài)SKIPIF1<0開始，經歷等溫或等壓過程SKIPIF1<0、SKIPIF1<0、SKIPIF1<0、SKIPIF1<0回到原狀態(tài)，其SKIPIF1<0圖像如圖所示，其中對角線SKIPIF1<0的延長線過原點SKIPIF1<0。下列判斷正確的是（）A．氣體在SKIPIF1<0、SKIPIF1<0兩狀態(tài)的體積相等B．在過程SKIPIF1<0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SKIPIF1<0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SKIPIF1<0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SKIPIF1<0得SKIPIF1<0，SKIPIF1<0圖像的斜率SKIPIF1<0，SKIPIF1<0、SKIPIF1<0兩點在同一直線上，即SKIPIF1<0、c兩點是同一等容線上的兩點，體積相等，故A正確；B．在過程SKIPIF1<0中溫度不變，內能不變SKIPIF1<0，等溫變化壓強與體積成反比，壓強大體積小，從SKIPIF1<0到SKIPIF1<0體積減小，外界對氣體做正功SKIPIF1<0，根據(jù)熱力學第一定律SKIPIF1<0所以SKIPIF1<0，所以在過程SKIPIF1<0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，內能增大SKIPIF1<0，體積變大，外界對氣體做負功即SKIPIF1<0，根據(jù)熱力學第一定律SKIPIF1<0；SKIPIF1<0所以在過程SKIPIF1<0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SKIPIF1<0中，等壓變化，溫度降低，內能減小△U＜0，體積減小，外界對氣體做功，根據(jù)SKIPIF1<0即SKIPIF1<0；SKIPIF1<0，da過程中，氣體對外界做功SKIPIF1<0因為SKIPIF1<0所以SKIPIF1<0在過程SKIPIF1<0中外界對氣體做的功等于在過程SKIPIF1<0中氣體對外界做的功，故D正確。故選AD。四、熱力學第一定律與氣體實驗定律的綜合應用求解熱力學定律與氣體實驗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的導熱性能良好的氣缸中用一光滑的活塞B封閉著一定質量的理想氣體A，氣缸底部與U形水銀氣壓計（U形管內氣體體積忽略不計）相連，已知氣體內能U與熱力學溫度T的關系為SKIPIF1<0，其中SKIPIF1<0為已知常數(shù)，活塞B的質量為m，重力加連度為g，大氣壓強為SKIPIF1<0，水銀的密度為SKIPIF1<0，環(huán)境熱力學溫度為SKIPIF1<0時，活塞離缸底的距離為SKIPIF1<0。求：（1）環(huán)境溫度為SKIPIF1<0時，U形氣壓計兩側水銀面的高度差SKIPIF1<0；（2）環(huán)境溫度由SKIPIF1<0緩慢升高至SKIPIF1<0過程中，氣體吸收的熱量。【答案】（1）SKIPIF1<0；（2）SKIPIF1<0【詳解】（1）設穩(wěn)定后汽缸內氣體的壓強為SKIPIF1<0，對活塞，根據(jù)平衡條件得SKIPIF1<0對水銀柱，有SKIPIF1<0解得SKIPIF1<0（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形導管內側水銀面的高度差不變，設活塞B剛好到達容器口時，溫度為SKIPIF1<0，由蓋—呂薩克定律得SKIPIF1<0解得SKIPIF1<0之后，氣體溫度由SKIPIF1<0升高到SKIPIF1<0，氣體發(fā)生等容變化。整個過程中，外界對氣體做的功SKIPIF1<0由熱力學第一定律得SKIPIF1<0解得SKIPIF1<0【多維度分層專練】1．某同學設計的一個簡易溫度計如圖所示，一根透明吸管插入導熱良好的容器，連接處密封，在吸管內注入一小段油柱，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．設液體密度為SKIPIF1<0，高度為SKIPIF1<0，氣體的壓強SKIPIF1<0保持不變，則容器內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，隔板左側充有理想氣體，隔板右側與絕熱活塞之間是真空，活塞可在汽缸內無摩擦地左右滑動。現(xiàn)將隔板抽開，氣體會自發(fā)擴散至整個汽缸，待氣體達到穩(wěn)定后緩慢推壓活塞，將氣體壓回到原來的體積，假設整個系統(tǒng)不漏氣，下列說法正確的是（）A．氣體自發(fā)擴散前后內能減少B．氣體在被壓縮的過程中內能增大C．在自發(fā)擴散過程中，氣體對外界沒做功D．氣體在被壓縮的過程中，外界對氣體做負功【答案】BC【詳解】AC．氣體向真空自發(fā)擴散，對外界不做功，且沒有熱傳遞，氣體的內能不變，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”可實現(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成。高壓氮氣由噴嘴切向流入渦流室中，然后以螺旋方式在環(huán)形管中向右旋轉前進，分子熱運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動平均速率一定小于B端流出的C．A端流出的氣體內能一定大于B端流出的D．該裝置氣體進出的過程滿足能量守恒定律，但違背了熱力學第二定律E．該裝置氣體進出的過程既滿足能量守恒定律，也滿足熱力學第二定律【答案】ABE【詳解】A.依題意，中心部位為熱運動速率較低的氣體，與擋板相作用后反彈，從A端流出，而邊緣部份熱運動速率較高的氣體從B端流出；同種氣體分子平均熱運動速率較大、其對應的溫度也就較高，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動速率較小，B端流出的氣體分子熱運動速率較大，所以從A端流出的氣體分子熱運動平均速度小于從B端流出的，故B正確；C．A端流出的氣體分子熱運動速率較小，B端流出的氣體分子熱運動速率較大，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，內能的多少還與分子數(shù)有關；依題意，不能得出從A端流出的氣體內能一定大于從B端流出的氣體內能，故C錯誤；DE．該裝置將冷熱不均氣體的進行分離，噴嘴處有高壓，即通過外界做功而實現(xiàn)的，并非是自發(fā)進行的，沒有違背熱力學第二定律；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部分為一定質量的稀薄氣體，且壓強pb<p0（p0是大氣壓強），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，內能減少B．只打開隔板K1，b中氣體不做功，內能不變C．只打開隔板K1，b中氣體壓強減小，溫度不變D．只打開卡銷K2，b中氣體對外做功，內能減少E．只打開卡銷K2，外界對b中氣體做功，b中氣體內能增加【答案】BCE【詳解】AB．只打開隔板K1時，b中氣體向a中真空擴散，氣體不做功W＝0絕熱容器導致Q＝0由熱力學第一定律知ΔU＝W＋Q＝0內能不變，A錯誤，B正確；C．只打開隔板K1時，b中氣體內能不變，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內能增加，E正確，D錯誤。故選BCE。5．密閉導熱容器里裝有一定質量的理想氣體，某一變化過程SKIPIF1<0的SKIPIF1<0圖（p、T單位均為國際單位）如圖所示，ab延長線通過坐標原點O，ac、bc與坐標軸平行。則由圖可知（）A．SKIPIF1<0過程氣體從外界吸熱，吸收的熱量大于氣體增加的內能B．SKIPIF1<0過程氣體對外做功，做功的數(shù)值小于氣體吸收的熱量C．SKIPIF1<0過程氣體內能減少，放出的熱量大于外界對氣體做功的數(shù)值D．SKIPIF1<0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．SKIPIF1<0過程氣體從外界吸熱，吸收的熱量等于氣體增加的內能，故A錯誤；B．SKIPIF1<0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．SKIPIF1<0過程氣體內能減少，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SKIPIF1<0過程的SKIPIF1<0圖，可知SKIPIF1<0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。6．一定質量的理想氣體從狀態(tài)A經過狀態(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B錯誤；C．A→B的過程中，溫度不變，內能不變，外界對氣體做功，根據(jù)熱力學第一定律可知，氣體放出熱量，選項C正確；D．A→B過程內能不變，從B→C的過程中，溫度降低，則氣體內能減小，選項D錯誤。故選C。7．一定質量的理想氣體從狀態(tài)SKIPIF1<0開始，經SKIPIF1<0三個過程后回到初始狀態(tài)a，其SKIPIF1<0圖像如圖所示，已知氣體在狀態(tài)SKIPIF1<0時的體積為SKIPIF1<0，SKIPIF1<0的延長線過點（SKIPIF1<0）。下列說法正確的是（）A．氣體在狀態(tài)b時的體積為SKIPIF1<0B．SKIPIF1<0過程中，外界對氣體做功C．SKIPIF1<0過程中，氣體向外界放熱D．SKIPIF1<0過程中，單位時間內容器壁單位面積上受到氣體分子撞擊的次數(shù)增加E．SKIPIF1<0過程中，氣體的體積增大【答案】ACD【詳解】將攝氏溫度轉換為熱力學溫度，并根據(jù)數(shù)學知識可將題中的SKIPIF1<0圖像轉換為SKIPIF1<0圖像，如圖所示AB．由圖可知，SKIPIF1<0過程為等溫過程，由玻意耳定律有SKIPIF1<0解得SKIPIF1<0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，SKIPIF1<0過程為等壓過程，由蓋呂薩克定律有SKIPIF1<0由于氣體溫度降低，則體積減小，外界對氣體做功，SKIPIF1<0，又有氣體的內能減少，即SKIPIF1<0由熱力學第一定律SKIPIF1<0可知，氣體向外界放熱，故C正確；D．由圖可知，SKIPIF1<0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，又氣體的壓強不變，則單位時間內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，SKIPIF1<0過程，由理想氣體狀態(tài)方程SKIPIF1<0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，氣缸里有一質量為m、橫截面積為S的絕熱活塞封閉著一定質量的理想氣體，初始時封閉氣體的溫度為T0，活塞壓在汽缸內壁的棱上，活塞離汽缸底部的距離為L，內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。不計加熱絲和力傳感器的體積，外界大氣壓為SKIPIF1<0，且p0保持不變。①當棱對活塞的支持力剛好為零時，求封閉氣體的溫度T1；②當活塞向上移動2L時剛剛到達汽缸頂部，求此時封閉氣體的溫度T2，若此過程中封閉氣體內能增加△U，則此過程中加熱絲產生的熱量Q為多少？【答案】①SKIPIF1<0；②SKIPIF1<0，SKIPIF1<0【詳解】①氣體在初態(tài)時設壓強為SKIPIF1<0，對活塞受力分析有SKIPIF1<0解得SKIPIF1<0氣體在末態(tài)時設壓強為SKIPIF1<0，棱對活塞的支持力剛好為零，對活塞受力分析有SKIPIF1<0解得SKIPIF1<0對氣體狀1：SKIPIF1<0，SKIPIF1<0，SKIPIF1<0，狀2：SKIPIF1<0，SKIPIF1<0，SKIPIF1<0，氣體發(fā)生等容變化，有SKIPIF1<0解得SKIPIF1<0②當活塞向上移動2L時剛剛到達汽缸頂部，設氣體的壓強為SKIPIF1<0，對活塞有SKIPIF1<0可知SKIPIF1<0則氣體從狀2到狀3發(fā)生等壓變化，SKIPIF1<0，有SKIPIF1<0解得SKIPIF1<0活塞緩慢上移等壓膨脹對外做功，有SKIPIF1<0由熱力學第一定律有SKIPIF1<0封閉氣體內能增加△U，則此過程中加熱絲產生的熱量為SKIPIF1<09．真空泵抽氣腔與容器相連，活塞向左運動時即從容器中抽氣，活塞向右運動時閥門自動關閉，將進入氣腔內的氣體全部排出，示意圖如圖甲。設抽氣過程中抽氣腔與容器中的氣體壓強始終相等，每次抽氣活塞均從抽氣腔最右端移動至最左端.已知容器的容積為SKIPIF1<0，抽氣腔的容積為SKIPIF1<0，初始時刻氣體壓強為SKIPIF1<0.（1）若抽氣過程中氣體的溫度保持不變，求