《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-人教版-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、下列关于热力学第一定律的描述中，正确的是（）o

A.热能可以完全转化为机械能，且不引起其他变化。

B.热量可以从高温物体传递到低温物体，而不需要外界做功。

C.热机的效率可以达到1005将内能全部转化为机械能。

D.在一个闭合循环过程中，系统的内能变化量为零。

2、在一定质量的理想气体经历一个绝热膨胀过程时，下列描述正确的是（）。

A.气体对外做功且内能增加。

B.气体对外做功且内能减少。

C.气体不做任何功且内能增加。

D.气体不做任何功且内能减少。

3、一固定质量的理想气体，从初状态巳、片变化到末状态P2、％。下列哪种

说法•定正确？

A.如果％V,>P2V2,则内能增加

B.如果巳%2P2V2,则内能减小

C.如果R%<P2V2,则内能增加

D.如果PiV,WP2\『2,则内能减小

4、一个密闭的绝热容器内有等质量的理想气体A和理想气体B,它们在绝热条件

下发生混合。混合后的容器内气体压强与混合前的气体A的压强相比，以下哪种情况」

定发生？

A.混合后的压强一定大于气体A的压强

B.混合后的压强一定等于气体A的压强

C.混合后的压强一定小于气体A的压强

D.无法确定混合后的压强

5、一个理想气体在等压过程中，其内能的变化量AU与温度变化量AT的关系是()

A、AU=C_v*AT

B、AU=C_p*AT

C、AU=C_v*(AT-△P)

D、AU=C_p*(AT+Ap)

6、一个物体从温度为T1的热源吸收热量Q,然后将其中的热量Q/4释放到温度为

T2的冷源，物体的最终温度为()

A、T1

B、(Tl+T2)/2

C、T2

D、(3T1-T2)/4

7、一个绝热容器内装有一定量的理想气体，当气体被外力压缩时，容器内的温度

会如何变化？

A、升高

B、降低

C、不变

D、无法确定

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、热力学第一定律说明了能量守恒和转化定律在自然界中的普遍性。

B、热力学第一定律的表达式中，系统的内能变化等于外界对系统做的功加上系统

吸收的热量。

C、热力学第一定律并没有明确指出能量转化的具体途径。

D、热力学第一定律指出，能量不能从一种形式转化为另一种形式。

2、关于热力学第二定律的以下说法中，正确的是：

A、热力学第二定律表明，热量不能自发地从低温物体传递到高温物体。

B、热机的效率越高，wasteheat（废气或废热）的产生越少。

C、所有真实的热机都不可能达到100%的效率。

D、在可逆过程中，系统的燧变为零。

3、以下哪些过程属于等压过程？

A.冰融化成水

B.水沸腾成水蒸气

C.水蒸气冷凝成水

D.水蒸气等温膨胀

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

题目

在绝热容器中，有一定量的理想气体，经历r一个小可逆的绝热压缩过程，最终气

体的体积减小了一半。已知压缩前气体的温度为（300K）。试用热力学定律计算压缩后气

体的温度。

已知条件

•理想气体

•绝热过程

•压缩前气体温度（〃二初0K）

•压缩后气体体积减小了一半

要求

1.利用热力学定律计算压缩后气体的温度（72）。

2.解释在绝热过程中的能量转换情况。

解析

绝热过程中，理想气体遵守绝热方程：

常数]

其中吟）为比热容比。对于单原子理想气体，（&=汨，（金=Q+〃二河，因

此（…务

根据题意，气体经历一个绝热过程，初态和终态满足以下关系：

[3尸=72岭71

己知（七二^勿），代入己知条件：

2

5T（1V

300k（%）"二2•（y'

简化后得:

300K.（.♦=—・｛桐|

约去共同因子（（1//V）：

TA

300K=刀

解得：

[T2=60。K]

第二题

某理想气体在密闭容器中，从初态Pl、VI、T1经过一•系列等压变化、等温变化、

等体积变化后达到终态P2、V2、T2o已知气体初始时的温度为TO,初始压强为P0。

（1）请推导出气体经历等压变化和等温变化后的温度和压强；

（2）根据热力学第一定律，写出气体从初态到终态的过程中内能的变化AU；

（3）若气体在整个过程中对外不进行功（即W=0）,请利用热力学第一定律，推导

出气体在整个过程中的内能变化AU与热量交换Q的关系。

第三题

题目：

一密闭容器内盛有一定量的理想气体，气体压强为P0,温度为TO。现将容器水平

放置，气体体积减小至原来的1/4,同时气体温度升高至TO的3倍。求：

（1）此时气体的压强P;

（2）若气体体积减小至原来的1/8,同时气体温度仍为TO的3倍，求此时气体的

压强P'。

第四题

题目

一个气缸内装有一定质量的理想气体，初始时气缸的容积为（啕，压强为（夕°），温

度为（6。设气缸的绝热壁使得整个过程中气缸不与外界进行热交换。起初，气缸的活

塞被固定，气体的温度通过加热装置慢慢升高到（心）。随后，将固定活塞的装置移除，

止活塞在移动过程中保持气体温度恒定。当活塞运动到最终位置时，气体的温度回升到

（2）T））。求在整个过程中，气体对外做的功。

第五题

已知某密闭容器内仅有温度为T1的理想气体，气体的压强为P1。现将容器分成两

个相等的部分，并在其中一个部分缓慢地注入另一个部分相同温度、质量为m的气体，

使得两部分的气体达到平衡状态。求这次后容器的压强P2。

已知：

•初始时容器的体积为V,温度为T1,压强为P1。

•最后达到平衡时，其中一个部分的体积仍为V,温度为T1,压强为P2。

•注入的气体质量为m,温度为T1。

要求：计算容器从初始状态到平衡状态的压强变化Pl-P2o

《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、下列关于热力学第一定律的描述中，正确的是（工

A.热能可以完全转化为机械能，且不引起其他变化。

B.热量可以从高温物体传递到低温物体，而不需要外界做功。

C.热机的效率可以达到100%,将内能全部转化为机械能。

D.在一个闭合循环过程中，系统的内能变化量为零。

答案：D

解析：热力学第一定律本质上是能量守恒定律在热力学过程中的体现，即在一个闭

合循环过程中，系统的内能变化量为零。而热能转化为机械能时，总是伴随着效率的损

矢,因此选项A、B、C都是不完全或错误的表述。

2、在一定质量的理想气体经历一个绝热膨胀过程时，下列描述正确的是（）。

A.气体对外做功且内能增加。

B.气体对外做功且内能减少。

C.气体不做任何功且内能增加。

D.气体不做任何功且内能减少。

答案：B

解析：绝热过程中没有热的交换，因而内能变化只由做的功决定。对于理想气体的

绝热膨胀，做功为负（即外界对气体做正功），因此内能减少。选项A、C、D均不符合

热力学在整个绝热膨胀过程中的变化规律。

3、一固定质量的理想气体，从初状态巳、片变化到末状态P2、匕。下列哪种

说法一定正确？

A.如果PiP>P2V2,则内能增加

B.如果PiB2P2V2,则内能减小

C.如果R%<P2V2,则内能增加

D.如果PiV,WP2%,则内能减小

答案：C

解析•：对于理想气体，根据波义耳-马略特定律（等温过程中），PlVI

如果Rv,<p2v2,说明气体在一定程度上做r功，且根据热力学第一定律，系统

从外界吸收热量，内能增加。因此，选项c正确。

4、一个密闭的绝热容器内有等质量的理想气体A和理想气体B,它们在绝热条件

卜.发生混合。混合后的容器内气体压强与混合前的气体A的压强相比，以下哪种情况一

定发生？

A.混合后的压强一定大于气体A的压强

B.混合后的压强一定等于气体A的压强

C.混合后的压强一定小于气体A的压强

D.无法确定混合后的压强

答案：C

解析：由于混合是在绝热条件下进行的，没有热量交换，因此系统的总内能保持不

变。根据热力学第一定律，仁能的变化等于热量与外界做功的和。由于容器是密闭的，

外界对系统不做功，因此气体A和B混合后的总内能等于混合前A的内能。由于气体的

总内能减少，温度降低，根据理想气体状态方程PV=nRT,在体积不变的情况下，压强

与温度成正比，因此混合后的压强一定小于气体A的压强,选项C正确。

5、一个理想气体在等压过程中，其内能的变化量AU与温度变化量AT的关系是（）

A、AU=C_v*AT

B、AU=C_p*AT

C、AU=C_v*（AT-△P）

D、AU=Cp*（AT+AP）

答案：A

解析：在等压过程中，理想气体的内能变化量AU与温度变化量AT的关系由热容

C_v决定。根据热力学第一定律，内能的变化量等于对外做功加.上吸收的热量，对十等

压过程，吸收的热量Q等于气体对外做功w加上内能变化量AU。对于理想气体，内能

只与温度有关，因此有AU=C_v*ATo选项A正确。

6、一个物体从温度为口的热源吸收热量Q,然后将其中的热量Q/4释放到温度为

T2的冷源，物体的最终温度为()

A、T1

B、(Tl+T2)/2

C、T2

D、(3T1-T2)/4

答案：D

解析：根据热力学第二定律，一个系统在从一个热源吸收热量并释放到另一个冷源

的过程中，其摘的变化量AS必须大于或等于零。设物体的初始温度为T1,吸收的热量

为Q,释放的热量为Q/4。根据热力学第二定律，有AS20,即：

AS=Q/T1-(Q/4)/T220

整理得到：

T1/T2W4

根据能量守恒定律，物体的初始内能加上吸收的热量等于释放的热量加上最终的内

能，即：

U_initial+Q=U_final+Q/4

由于内能与温度成正比，设物体的比热容为c,有：

c*Tl+Q=c*T_final+Q/4

整理得到:

T_final=（3T1-T2）/4

因此，选项D正确。

7、一个绝热容器内装有一定量的理想气体，当气体被外力压缩时，容器内的温度

会如何变化？

A、升高

B、降低

C、不变

D、无法确定

答案：A

解析：理想气体在绝热条件下压缩时，外界对气体做功，这部分能量转化为气体的

内能，使温度升高。根据热力学第一定律，Q=0（绝热过程），W<0（外界对气体做功），

则AU〉O（内能增加），因此温度升高。所以正确答案是A。

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、热力学第一定律说明了能量守恒和转化定律在自然界中的普遍性。

B、热力学第一定律的表达式中，系统的内能变化等于外界对系统做的功加上系统

吸收的热量。

C、热力学第•定律并没有明确指出能帚转化的具体途径。

D、热力学第一定律指出，能量不能从一种形式转化为另一种形式。

答案：A、B

解析：热力学第一定律，也称能量守恒定律，指出能量不能被创造也不能被销毁,

只能从一种形式转化为另一种形式。因此，A选项正确。B选项描述了热力学第一定律

的数学表达形式，也正确。C选项错误，因为热力学第一定律确实说明了能量转化的途

径。D选项错误，因为这与热力学第一定律的基本原理相违背。

2、关于热力学第二定律的以下说法中，正确的是：

A、热力学第二定律表明，热量不能自发地从低温物体传递到高温物体。

B、热机的效率越高，wasteheat（废气或废热）的产生越少。

C、所有真实的热机都不可能达到100%的效率。

D、在可逆过程中，系统的摘变为零。

答案：A、C、D

解析：A选项正确，这是热力学第二定律的一个基本表述，称为热传导定律。B选

项错误，热机的效率越高，wasteheat（废气或废热）的产生量会减少，但并非“越

少”，效率高意味着热机更有效地利用热量。C选项正确，根据卡诺定律，任何实际热

机都不可能达到100%的效率。D选项正确，可逆过程是指系统在任何时刻都处于热平衡

状态，因此在可逆过程中，系统的总熠不会增加，理想情况下燧变为零。

3、以下哪些过程属于等压过程？

A.冰融化成水

B.水沸腾成水蒸气

C.水蒸气冷凝成水

D.水蒸气等温膨胀

答案：A,B,C,D

解析：等压过程是指系统的压强在变化过程中保持不变的过程。在等压过程中，系

统的温度和体积会发生变化。根据热力学定律，以下过程都属于等压过程:

A.冰融化成水：这是一个固态到液态的相变过程，遍常在恒定压强下进行。

B.水沸腾成水蒸气：这是一个液态到气态的相变过程，通常在恒定压强下进行。

C.水蒸气冷凝成水：这是一个气态到液态的相变过程，通常在恒定压强下进行。

D.水蒸气等温膨胀：这是一个气态到气态的过程，在恒定压强和恒定温度下进行,

因此也是等压过程。

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

题目

在绝热容器中，有一定量的理想气体，经历了一个不可逆的绝热压缩过程，最终气

体的体积减小了一半。已知压缩前气体的温度为(3O0K)。试用热力学定律计算压缩后气

体的温度。

已知条件

•理想气体

•绝热过程

•压缩前气体温度(〃=.%OK)

•压缩后气体体积减小了一半

要求

1.利用热力学定律计算压缩后气体的温度(72)。

2.解释在绝热过程中的能量转换情况。

解析

绝热过程中，理想气体遵守绝热方程:

[7¥一/二常数J

其中（A=9为比热容比。对于单原子理想气体，（&=9），｛Cp=Cv+R=:',因

此（3）

根据题意，气体经历一个绝热过程，初态和终态满足以下关系：

[小/；7:

已知（七二（匕），代入已知条件：

-2

5.fl\3

300K.（K；p-;=7>-（-KJ

简化后得：

300K.（『/二%.4咧

约去共同因子（（匕）。：

TA

300K=j

z.

解得：

[7>=600K]

答案

•压缩后气体的温度：（600K）。

解析

在绝热过程中，系统的内能的变化与外界所做的功相等。由于没有热量的交换（（0二

4），根据热力学第一定律:

[AU=Q--明

这个过程中，理想气体的内能（4二g/M7）随温度变化，且没有热交换，所有的功都

转化为内能，导致温度上升。

因此，压缩后气体的温度为（6O0K）。

第二题

某理想气体在密闭容器中，从初态P1、VI、口经过一系列等压变化、等温变化、

等体积变化后达到终态P2、V2、T2o已知气体初始时的温度为TO,初始压强为P0。

（1）请推导出气体经历等压变化和等温变化后的温度和压强；

（2）根据热力学第一定律，写出气体从初态到终态的过程中内能的变化AU；

（3）若气体在整个过程中对外不进行功（即行0）,请利用热力学第一定律，推导

出气体在整个过程中的内能变化AU与热量交换Q的关系。

答案：

（1）等压变化后的温度门=POVO/nR,压强Pl=P0：

等温变化后的温度T2=T0,压强P2=P0V2/V1；

（2）根据热力学第一定律：

AU=Q-W：

由于气体在整个过程中对外不进行功（即、忆0）,所以：

AU=Q；

（3）根据热力学第一定律：

AU=Q-W：

由于气体在整个过程中对外不进行功（即W=0），所以：

AU=Q：

由此可得：热量交换Q=AU；

解析:

(1)根据理想气体状态方程PV=nRT,可得等压变化时，温度和压强之间的关系。

因为气体在等压变化过程中，压强不变，所以温度与体积成正比；

等温变化时，温度不变，根据状态方程，压强与体积成反比；

(2)热力学第一定律表达为AU=Q-W,其中AU为系统内能的变化量，Q为系

统与外界交换的热量，W为系统对外做的功。在本题中，气体在整个过程中对外不进行

功，所以归0,因此AU二Q；

(3)根据热力学第一定律，当系统与外界不进行功(即W=0)时，系统内能的变

化量AL•等于系统与外界交换的热量Q,即AL•二Q。在本题中，气体在整个过程中对外

不进行功，所以AU=Q。

第三题

题目：

一密闭容器内盛有一定量的理想气体，气体压强为P0,温度为T0。现将容器水平

放置，气体体积减小至原来的1/4,同时气体温度升高至T0的3倍。求：

(1)此时气体的压强P;

(2)若气体体积减小至原来的1/8,同时气体温度仍为T0的3倍，求此时气体的

压强P'。

答案：

(1)P=12P0

(2)P'=18P0

解析：

(1)根据查理定律，等容变化时，气体压强与温度成正比。因此，有:

P_P0

jd~7d.

气体体积减小至原来的1/4,温度升高至TO的3倍，所以新的压强P可以通过以

下公式计算:

POXTO1POX44po

P;-------X—=------=---

TOX333

4

因此,P=12P0o

（2）根据玻意耳定律，等温变化时，气体压强与体积成反比。因此，有:

[PXV=POXvo\

若气体体积减小至原来的1/8,温度仍为TO的3倍，则新的压强P'可以通过以下

公式计算:

POXV0

-------pox8:8Po

因此，P'=18P0o

第四题

题目

一个气缸内装有一定质量的理想气体，初始时气缸的容积为（力），压强为（q），温

度为（%）。设气缸的绝热壁使得整个过程中气缸不与外界进行热交换。起初，气缸的活

塞被固定，气体的温度通过加热装置慢慢升高到（〃）。随后，将固定活塞的装置移除,

让活塞在移动过程中保持气体温度恒定。当活塞运动到最终位置时，气体的温度回升到

（⑸式丁2>〃））。求在整个过程中，气体对外做的功。

答案

L加热过程中（固定活塞）

•气体在绝热过程中做功为零，因为绝热过程（0/=0。

•根据理想气体状态方程（3»二常数）（其中（y）为比热容比），温度变化导致压

强和体积的变化。

2.固定活塞移除后，气体绝热过程（温度保持不变）

•气体在绝热过程中不做功，故（卬2=0）。

3.气体温度从（7。升高至女心）并恢复原来的体积

•从（。）升高到（出并恢复体积，气体需要做功使其体积从（匕）变到（％）。

•设（/）为恒温膨胀到的体积。

•根据盖-吕萨克定律（餐常数），在这个过程中，气体从（7小）变到（"%）：偿喟

解得：

•从（%）膨胀到（%）的过程，气体做功:[w=〃c/r]

其中（Q）是比热容在定体过程中，且（47=72-G），由于（&=,）,则

空

根据理想气体状态方程（为力二〃灯》可以得到（而二为七/6，代入上式得到：

\PoVo（乃一〃）（/一/）]

irH=――----------------------

ToY-1

可简化为：

T2-7力

解析

1.固定活塞进行绝热升温

•由于是绝热过程，没有热量交换（（。=。），但理想气体做功可以通过状态变化

来计算。

•通过绝热过程的本质，气体在相同温度升高的过程中作功为零。

2.移除活塞的过程

•活塞移除后，绝热膨胀过程中，气体体积变化而没有做功，直接进行最终温度变

化过程。

3.气体膨胀恢复原体积

•在恒温过程中，气体从一个体积膨胀到另一个体积，需要计算这部分做的功。

•根据理想气体状态和热力学公式推导出所做的总功（防。

因此，整个过程中气体对外做的总功为：

UT2-TJ\\

第五题

己知某密闭容器内仅有温度为口的理想气体，气体的压强为P1。现将容器分成两

个相等的部分，并在其中一个部分缓慢地注入另一个部分相同温度、质量为m的气体，

使得两部分的气体达到平衡状态。求这次后容器的压强P2。

己知：

•初始时容器的体积为V,温度为T1,压强为P1。

•最后达到平衡时