《第三章 热力学定律》试卷及答案-高中物理选择性必修 第三册-粤教版-2024-2025学年

《第三章热力学定律》试卷(答案在后面)一、单项选择题（本大题有7小题，每小题4分，共28分）1、一个理想气体的温度从T1升高到T2，体积从V1膨胀到V2。根据热力学第一定律，下列哪个公式正确表示了气体在这个过程中吸收的热量Q？A、Q=(T2/T1)×(V2/V1)×(PV初-PV末)B、Q=C_v×(T2-T1)+C_p×(V2-V1)C、Q=(C_v+C_p)×(T2-T1)×(V2-V1)D、Q=(C_v+C_p)×(PV初-PV末)/(T2-T1)2、一个热机在完成一个循环时，从高温热源吸收了200J的热量，对外做了100J的功，最终向低温热源放出了多少热量？A、50JB、100JC、150JD、200J3、一物体从热源吸收热量并对外做功。若物体吸收的热量为Q，对外所做的功为W，则根据热力学第一定律可知，物体的内能△U的变化为：A、△U=Q+WB、△U=Q-WC、△U=W-QD、△U=Q/W4、在理想气体的等压膨胀过程中，气体的内能△U如何变化？A、增加B、减少C、不变D、变化无法判断5、以下关于热力学第一定律的描述，正确的是：A、热力学第一定律表明热量不能自生自灭B、热力学第一定律表明热量可以从低温物体传递到高温物体C、热力学第一定律表明在热力学过程中，能量既不能创造也不能消灭，只能从一种形式转变为另一种形式D、热力学第一定律表明封闭系统的内能增加和吸热成正比，和外功成正比6、根据热力学第二定律，以下哪个过程是不可能自发发生的？A、热量从高温物体传递到低温物体B、热量从低温物体传递到高温物体，但不对外界做功C、一个热机的工作循环中，热量可以完全转化为做功D、在孤立系统中，熵可以自发地从低值向高值增加7、一个理想气体在绝热过程中，其内能变化量ΔU与外界对气体做的功W的关系是（）A、ΔU=WB、ΔU=-WC、ΔU=W/TD、ΔU=-W/T二、多项选择题（本大题有3小题，每小题6分，共18分）1、下列关于热力学第一定律的说法正确的是（）。A、热力学第一定律表明，能量可以在系统和环境之间转化，但总能量保持不变。B、当一个系统对外做功时，其内能减少。C、热力学第一定律与能量守恒定律在本质上是一致的。D、对于一个理想气体，若温度不变，其内能也一定不变。2、在孤立系统中，对于一个热力学过程，下列哪些是必须满足的条件（）。A、系统与外界没有物质交换。B、系统与外界没有热量交换。C、系统内部各部分可以有相对位移，不会影响整个系统的能量守恒。D、系统与外界可以有物质交换，但不能有热量交换。3、以下关于热力学定律的描述，正确的是：A.热力学第一定律表明能量守恒，但能量可以自发地从一种形式转化为另一种形式。B.热力学第二定律表明热机不可能将从热源吸收的热量完全转化为有用的机械功。C.卡诺定理指出在理论上，理想热机的效率只与热源和冷源的绝对温度有关。D.所有实际热机都遵循热力学第二定律，但可以通过外部工作来提高热机的效率。三、非选择题（前4题每题10分，最后一题14分，总分54分）第一题1.一辆汽车以恒定功率启动，从静止开始加速行驶。假设汽车的质量为m，阻力恒定为f，功率为P。求汽车从静止加速到速度v所需的时间t。第二题题目:一个绝热容器中有0.5摩尔的理想气体，初始时温度为300K，体积为2升。现在通过一个绝热活塞将体积缓慢压缩至1升。假设气体仅对外做了功。计算此过程结束时气体的温度和它对外做的功。已知理想气体常数R=8.31J/(mol·K)，结果保留三位有效数字。解析:1.步骤1：分析过程给定题目描述的是一个绝热过程，这意味着过程中没有热量与外界交换，即Q=该理想气体仅对外做功，内能变化ΔU等于过程对外做的功W2.步骤2：应用热力学第一定律与气体定性变化热力学第一定律：Δ由于是绝热过程，Q=0，于是而内能[U)是温度的唯一函数。理想气体的内能公式为：3.初状态和终状态能量变化：初始状态温度T1=300最终状态体积V2=1L=0.001m因此T2求解得到：T24.计算功：由于ΔU则W=求解得到W≈第三题已知一定量的某理想气体，从状态A（初态）经历状态B、C、D四个不同的状态点。在状态A到状态B的过程中，气体吸收了热量Q1，同时外界对气体做了功W1。从状态B到状态C的过程中，气体对外界做了功W2，同时气体放出了一部分热量Q2。从状态C到状态D的过程中，气体对外界做了功W3，同时气体又释放了一部分热量Q3。（1）指出气体的压缩和膨胀过程，并简要说明理由。（2）计算从状态A到状态D整个过程中，气体对外界做功的总量。（3）根据热力学的第一定律，求出从状态A到状态D整个过程中气体内能的增加量。第四题已知一个热机的热效率为30%，若该热机从热源吸收了500J的热量，求：（1）热机对外做的功；（2）热机向冷源放出的热量。第五题题目：一个绝热容器被中间的隔板分成两部分，左边部分装有一定质量的理想气体，压强为P1，右边为真空。当隔板突然移除后，气体分子自由扩散到整个容器中，最终达到平衡状态。试回答以下问题：1.说明气体分子动能与温度的关系。2.分析此过程中系统内能的变化情况。3.计算气体扩散后系统的熵变。《第三章热力学定律》试卷及答案一、单项选择题（本大题有7小题，每小题4分，共28分）1、一个理想气体的温度从T1升高到T2，体积从V1膨胀到V2。根据热力学第一定律，下列哪个公式正确表示了气体在这个过程中吸收的热量Q？A、Q=(T2/T1)×(V2/V1)×(PV初-PV末)B、Q=C_v×(T2-T1)+C_p×(V2-V1)C、Q=(C_v+C_p)×(T2-T1)×(V2-V1)D、Q=(C_v+C_p)×(PV初-PV末)/(T2-T1)答案：C解析：根据热力学第一定律，系统吸收的热量Q等于系统内能的增加ΔU加上对外做的功W，即Q=ΔU+W。对于理想气体，内能只与温度有关，所以ΔU=C_v×(T2-T1)。在等压膨胀过程中，对外做的功W=PΔV，其中P为压强，ΔV为体积变化。所以，Q=C_v×(T2-T1)+PΔV。在等温过程中，压强P和体积V的乘积PV保持不变，所以对于理想气体，PΔV=C_p×(T2-T1)。因此，Q=C_v×(T2-T1)+C_p×(T2-T1)=(C_v+C_p)×(T2-T1)。2、一个热机在完成一个循环时，从高温热源吸收了200J的热量，对外做了100J的功，最终向低温热源放出了多少热量？A、50JB、100JC、150JD、200J答案：C解析：根据热力学第二定律，热机在完成一个循环时，吸收的热量Q_h等于对外做的功W加上向低温热源放出的热量Q_c，即Q_h=W+Q_c。题目中给出了吸收的热量Q_h=200J，对外做的功W=100J，所以Q_c=Q_h-W=200J-100J=100J。因此，热机向低温热源放出了100J的热量。3、一物体从热源吸收热量并对外做功。若物体吸收的热量为Q，对外所做的功为W，则根据热力学第一定律可知，物体的内能△U的变化为：A、△U=Q+WB、△U=Q-WC、△U=W-QD、△U=Q/W答案：B解析：根据热力学第一定律，物体的内能变化△U等于物体吸收的热量Q减去对外做的功W，即△U=Q-W。因此，选项B正确。4、在理想气体的等压膨胀过程中，气体的内能△U如何变化？A、增加B、减少C、不变D、变化无法判断答案：A解析：理想气体在等压膨胀过程中，温度升高，内能增加。因此，在等压膨胀过程中，气体的内能△U增加，选项A正确。5、以下关于热力学第一定律的描述，正确的是：A、热力学第一定律表明热量不能自生自灭B、热力学第一定律表明热量可以从低温物体传递到高温物体C、热力学第一定律表明在热力学过程中，能量既不能创造也不能消灭，只能从一种形式转变为另一种形式D、热力学第一定律表明封闭系统的内能增加和吸热成正比，和外功成正比答案：C解析：热力学第一定律是能量守恒定律在热力学中的一种表述，它表明在任何热力学过程中，系统的总能量保持不变。即能量既不能创造也不能消灭，只能从一种形式转化为另一种形式。因此，选项C正确。6、根据热力学第二定律，以下哪个过程是不可能自发发生的？A、热量从高温物体传递到低温物体B、热量从低温物体传递到高温物体，但不对外界做功C、一个热机的工作循环中，热量可以完全转化为做功D、在孤立系统中，熵可以自发地从低值向高值增加答案：C解析：热力学第二定律有多种表述，其中之一是开尔文-普朗克表述：不可能从单一热源吸取热量，使之完全变为有用的功而不产生其他影响。也就是说，不可能有热机只从一个热源吸收热量，并将吸收的热量全部转化为功，而不产生其他效应。因此，选项C是不可能自发发生的。选项A和B是自发发生的过程，选项D是热力学第二定律的另一种表述，即熵不可能自发减少。7、一个理想气体在绝热过程中，其内能变化量ΔU与外界对气体做的功W的关系是（）A、ΔU=WB、ΔU=-WC、ΔU=W/TD、ΔU=-W/T答案：B解析：在绝热过程中，系统与外界没有热量交换，即Q=0。根据热力学第一定律，ΔU=Q-W。因此，ΔU=-W。选项B正确。二、多项选择题（本大题有3小题，每小题6分，共18分）1、下列关于热力学第一定律的说法正确的是（）。A、热力学第一定律表明，能量可以在系统和环境之间转化，但总能量保持不变。B、当一个系统对外做功时，其内能减少。C、热力学第一定律与能量守恒定律在本质上是一致的。D、对于一个理想气体，若温度不变，其内能也一定不变。正确答案：A、B、C解析：热力学第一定律明确指出能量守恒，A选项描述正确；B选项是正确的，因为对外做功意味着系统内能减少；C选项是正确的，因为热力学第一定律本质上就是能量守恒定律的一种表述形式；D选项不一定正确，温度不变时，如果体积变化，理想气体的内能也会改变。2、在孤立系统中，对于一个热力学过程，下列哪些是必须满足的条件（）。A、系统与外界没有物质交换。B、系统与外界没有热量交换。C、系统内部各部分可以有相对位移，不会影响整个系统的能量守恒。D、系统与外界可以有物质交换，但不能有热量交换。正确答案：A、C解析：孤立系统定义为与外界既没有物质交换也没有热量交换的系统，因此A、B项正确。C选项虽然表述简洁，但并未直接涉及到热量交换，不会影响能量守恒，因此也是孤立系统的重要特点，C选项正确。D选项与孤立系统的定义相矛盾，不符合孤立系统的规定。3、以下关于热力学定律的描述，正确的是：A.热力学第一定律表明能量守恒，但能量可以自发地从一种形式转化为另一种形式。B.热力学第二定律表明热机不可能将从热源吸收的热量完全转化为有用的机械功。C.卡诺定理指出在理论上，理想热机的效率只与热源和冷源的绝对温度有关。D.所有实际热机都遵循热力学第二定律，但可以通过外部工作来提高热机的效率。答案：B,C,D解析：A选项错误，热力学第一定律表述的是能量守恒定律，即能量不能被创造或销毁，只能从一种形式转化为另一种形式。B选项正确，热力学第二定律确实表明，热机不可能将有用的热量全部转换为功，总会有一部分热量以废热的形式排放出去。C选项正确，卡诺定理表明了理想热机的最大效率与热源和冷源的绝对温度差有关，而不是它们的温度值。D选项正确，实际上没有热机的效率可以达到百分百，但通过提高热机的工作温度或降低冷源的温度，可以提高热机的效率。三、非选择题（前4题每题10分，最后一题14分，总分54分）第一题1.一辆汽车以恒定功率启动，从静止开始加速行驶。假设汽车的质量为m，阻力恒定为f，功率为P。求汽车从静止加速到速度v所需的时间t。答案：汽车从静止加速到速度v所需的时间t可以通过以下步骤求解：（1）根据功率的定义，功率P等于力F与速度v的乘积，即P=Fv。（2）由于汽车受到的阻力恒定为f，所以净力F为P/v-f。（3）根据牛顿第二定律，净力F等于质量m乘以加速度a，即F=ma。（4）将净力F的表达式代入牛顿第二定律中，得到P/v-f=ma。（5）解得加速度a=(P-fv)/mv。（6）汽车从静止加速到速度v所需的时间t可以通过积分加速度得到，即t=∫(P-fv)/mvdv。（7）对上式进行积分，得到t=[P/m*ln(v)-f/m*ln(v)]+C。（8）由于汽车从静止开始加速，即v(0)=0，代入上式得到C=0。（9）因此，汽车从静止加速到速度v所需的时间t为t=P/m*ln(v)-f/m*ln(v)。解析：本题通过功率、牛顿第二定律和积分等方法，考察了学生对热力学定律和运动学知识的综合运用能力。解题的关键在于正确理解和应用功率、阻力、质量、加速度和速度之间的关系，以及利用积分求解时间的方法。通过此题，学生可以加深对恒定功率加速运动的理解，并学会如何运用数学工具解决实际问题。第二题题目:一个绝热容器中有0.5摩尔的理想气体，初始时温度为300K，体积为2升。现在通过一个绝热活塞将体积缓慢压缩至1升。假设气体仅对外做了功。计算此过程结束时气体的温度和它对外做的功。已知理想气体常数R=8.31J/(mol·K)，结果保留三位有效数字。解析:1.步骤1：分析过程给定题目描述的是一个绝热过程，这意味着过程中没有热量与外界交换，即Q=该理想气体仅对外做功，内能变化ΔU等于过程对外做的功W2.步骤2：应用热力学第一定律与气体定性变化热力学第一定律：Δ由于是绝热过程，Q=0，于是而内能[U)是温度的唯一函数。理想气体的内能公式为：3.初状态和终状态能量变化：初始状态温度T1=300最终状态体积V2=1L=0.001m因此T2求解得到：T24.计算功：由于ΔU则W=求解得到W≈答案：1.气体的最终温度为737.1K。2.气体对外做的功为-3018.7J(热量传递的负值表示从系统到外界)。第三题已知一定量的某理想气体，从状态A（初态）经历状态B、C、D四个不同的状态点。在状态A到状态B的过程中，气体吸收了热量Q1，同时外界对气体做了功W1。从状态B到状态C的过程中，气体对外界做了功W2，同时气体放出了一部分热量Q2。从状态C到状态D的过程中，气体对外界做了功W3，同时气体又释放了一部分热量Q3。（1）指出气体的压缩和膨胀过程，并简要说明理由。（2）计算从状态A到状态D整个过程中，气体对外界做功的总量。（3）根据热力学的第一定律，求出从状态A到状态D整个过程中气体内能的增加量。答案：（1）气体在A→B、B→C、C→D三个过程中依次经历膨胀、压缩、膨胀。理由：A→B过程中，气体吸收了热量Q1，外界对其做了功W1，根据热力学第一定律，气体的内能会增加，故为膨胀过程；B→C过程中，气体对外界做了功W2，气体放出了一部分热量Q2，根据热力学第一定律，气体的内能会减少，故为压缩过程；C→D过程中，气体对外界做了功W3，气体又释放了一部分热量Q3，根据热力学第一定律，气体的内能继续减少，故为膨胀过程。（2）从状态A到状态D整个过程中，气体对外界做功的总量为：W=W1+W2+W3=-Q1+Q2-Q3（注意，气体对外界做功为负值）（3）根据热力学第一定律，气体内能的增加量ΔU等于气体吸收的热量Q与气体对外界做的功W的代数和，即：ΔU=Q-W=(Q1-Q2-Q3)-(-Q1+Q2-Q3)=2Q1-2(Q2+Q3)解析：（1）蜜蜂采蜜的过程是气体被吸收并溶解的过程，故气体会膨胀；家庭用空调从制热状态切换到制冷状态，相当于降低了气体的温度，使得气体体积减小，故气体会压缩。（2）由于整个过程中，气体对外界的功为负值，所以将气体对外界做功的总量看作绝对值，即W=-W1+W2+W3=-Q1+Q2-Q3；（3）根据热力学第一定律，气体内能的增加量ΔU=Q-W=(Q1-Q2-Q3)-(-Q1+Q2-Q3)=2Q1-2(Q2+Q3)；注意：这里的答案和解析仅供参考，实际的答案和解析可能因教材版本和老师的要求而有所不同。第四题已知一个热机的热效