《第十二章 热力学定律》试卷及答案-高中物理选择性必修第三册-沪科版-2024-2025学年

《第十二章热力学定律》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、热力学第一定律的数学表达式为：

A、AE=W+Q

B、AE=Q-W

C、AE=W-Q

D、AE=Q+W

2、一个理想气体在等压过程中，温度升高，以下哪个说法是正确的？

A^体积一定减小

B、体积一定增大

C、压强一定增大

D、密度一定增大

3、一个绝热容器内有一个活塞，活塞将容器分为两部分，两部分的气体都可以视

为理想气体。初始时，左侧气体的温度高于右侧气体的温度。若活塞能够自由移动，则

最终两部分气体的温度将如何变化？

A、左侧气体温度升高，右侧气体温度降低

B、左侧气体温度降低，右侧气体温度升高

C、两部分气体温度不变

D、两部分气体温度相等

4、在开口容器中，气体上方有适量的空气。如果使容器温度升高，不考虑外界对

容器的任何非体积功，下列哪一项叙述是止确的？

A、气体对空气做的功为零

B、气体的内能不变

C、气体的温度降低

D、气体吸收的热量不再发生变化

5、一个理想气体等温膨胀时o

A.内能不变

B.内能增加

C.内能减少

D.气体的体积和压强同时增大

6、根据热力学第二定律，从低温热源吸收热量并完全转化为功的过程中o

A.热机的效率为100舟

B.热机的效率不能达到100%

C.热机的效率必须大于50%

D.热机的效率取决于•热源的温度

7、一个物体从温度为T1的热源吸收热量Q,然后将其全部用来对外做功，对外做

功为凡根据热力学第一定律，该物体的内能变化AU可表示为：

A、AU=Q-W

B、AU=Q+W

C、AU=W-Q

D、AU=Q+W/T1

二、多项选择题（本大题有3小题，每小题6分，共18分）

1、一定质量的理想气体在等温膨胀过程中，下列说法正确的是（）。

A、外界对气体做功，气体的内能增加。

B、气体吸收热量，温度不变。

C、气体对外界做功，气体的内能不变。

D、气体体积增大，密度减小。

2、关于理想气体的内能，下列说法正确的是（）o

A、理想气体的内能仅与温度有关，温度不变，内能不变。

B、理想气体的内能与体积有关。

C、理想气体的内能与外界放热多少有关。

D、理想气体的内能与外界对气体做功多少有关。

3、下列说法中，哪些符合热力学第一定律的描述？（）

A.物体内部能量的增加等于外界对物体做功与物体吸收热量的代数和。

B.物体的内能可以通过做功和热的传递来改变，但内能的总量在不同的状态间是

恒定小变的。

C.如果一个系统对外做功，那么系统的内能一定会减小。

D.热力学第一定律定量地描述了物体的能量守恒。

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

某理想气体经历如下过程:

3.查表得C—V值：对常见气体，特殊条件下，氮气(假设本题中所讨论的气体是氮

气)的摩尔等体热容(4)约为20.79J/(mol-K)o但在题目中未明确给出，可以假设

或查找相关表格中的数据。

4.计算内能变化：

[4U=CVAT=20.79J/(mol•K)X150K=3118.5J.]

5.根据状态方程计算气体的摩尔数(n)：由(号=〃4)[内部常数)，其中(《二

8.314J/(mol・K)),可以得出

PV100X3,PaXJOX163m3

口;百二8.3/4J/(mol・K)义300K2°'419mo1'

继续使用7)更精确。这里我们直接假设使用3118.5J代表内能变化量。

6.使用热力学第一定律计算Q：

由(4U=Q一a,已知(4u=3118.5J)(这里假设nC_v(AT=3118.5J)),W=600J,

\3118.5]=Q-600].]

7.求解Q：

[。:3118.5J+600]=3718.5J.]

第三题

题目：

一个密闭的容器内有一定量理想气体，初始时气体的温度为门，压强为PL容器

受到外界加热，气体温度升至T2,同时外界对气体施加恒定的压力P,使得气体的体积

从VI变到V2。假设容器足够大，外界条件变化不会立即影响容器内气体的压强，气体

始终表现为理想气体行为。

请回答以下问题：

(1)根据查理定律，在温度变化过程中，气体的压强P与体积V之间存在怎样的

关系？在加热过程中，如果P保持小变，描述气体体枳如何变化。

（2）在等压过程中，利用盖-吕萨克定律（查理-盖-吕萨克定律）写出气体体积

V2与初始体积VI和温度Tl、T2的关系式。

（3）如果气体发生等温过程，那么在T1温度下，气体的内能I1与在T2温度下的

内能U2之间的关系是什么？

第四题

一、选择题（每小题6分，共30分）

L一个物体的内能包括分子动能和分子势能。以下哪种情况下，该物体的内能会增

大？（）

A,物体的温度升高

B.物体的体积减小

C.物体受到外力做功

D.物体的温度降低

2.一定质量的理想气体，在等压膨胀过程中，以下哪个物理量一定减小？（）

A.内能

B.温度

C.体积

D.密度

3.一个质量为m的物体，从高度h自由落体运动到地面，下列哪个过程中物体的机

械能守恒？（）

A.物体从h处释放后，一直下落到地面

B.物体从h处释放后，在空中受到水平方向的阻力作用

C.物体从h处释放后，在空中受到竖直向.上的阻力作用

D.物体从h处释放后，在空中受到水平方向的推力作用

4.一个密闭的容器内装有理想气体，当气体发生绝热膨胀时，以下哪个物理量会增

大？（）

A.内能

B.温度

C.体积

D.密度

二、解答题（每题20分，共40分）

4.已知一个密闭容器内的气体体积为V,压强为P,温度为T。若气体发生等温膨

胀，体积变为2V,求：

（1）此时气体的压强是多少？

（2）若气体在等压膨胀过程中，温度升高到2T,此时气体的体积是多少？

第五题

题目：在密闭容器中装有一定质量的理想气体。现通过加热使气体温度升高，探究

气体体积随温度的变化情况。假设容器的绝热性能良好（即没有热量损失），容器的容

次恒定。

（1）请写出理想气体状态方程，并说明其适用条件。

（2）根据上述条件，分析容器中气体体积是否会发生变化。为什么？

（3）如何通过实验验证你的结论？设计一个简要的实验方案，并说明实验中需要注意

的事项。

（4）若加热过程中，气体的内能增加了，容器中是否会发生微观粒子的运动变化？请

回答并解释。

《第十二章热力学定律》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、热力学第一定律的数学表达式为：

A、AE=W+Q

B、AE=Q-W

C、AE=W-Q

D、AE=Q+W

答案：A

解析：热力学第一定律表明，一个系统的内能变化等于系统所吸收的热量与系统对

外做功的代数和。数学表达式为AE=\V+Q,其中AE是内能的变化，W是系统对外做

的功，Q是系统吸收的热量。因此，正确答案是A。

2、一个理想气体在等压过程中，温度升高，以下哪个说法是正确的？

A、体积一定减小

B、体积一定增大

C、压强一定增大

D、密度一定增大

答案：B

解析：根据查理定律（等压过程），在等压条件下，理想气体的体积与其温度成正

比。因此，当温度升高时，体积也会随之增大。所以正确答案是及其他选项中，压强

和密度在等压过程中保持不变。

3、一个绝热容器内有一个活塞，活塞将容器分为两部分，两部分的气体都可以视

为理想气体。初始时，左侧气体的温度高于右侧气体的温度。若活塞能够自由移动，则

最终两部分气体的温度将如何变化？

A、左侧气体温度升高，右侧气体温度降低

B、左侧气体温度降低，右侧气体温度升高

C、两部分气体温度不变

D、两部分气体温度相等

答案：D

解析：在绝热条件下，活塞自由移动会导致两部分气体进行热交换，达到等温平衡

状态。由于初始时左侧气体温度较高，气体将自发地传递热量给右侧气体，直至两部分

气体的温度相等。热量传递的最终结果是两部分气体达到相同的温度，故选D。

4、在开口容器中，气体上方有适量的空气。如果使容器温度升高，不考虑外界对

容器的任何非体积功，下列哪一项叙述是正确的？

A、气体对空气做的功为零

B、气体的内能不变

C、气体的温度降低

D、气体吸收的热量不再发生变化

答案：A

解析•：在开口容器中，虽然容器的温度升高，但由于气体可以与外部空气进行能量

交换（主要是热量交换），根据热力学第一定律（AU=Q-W）,如果气体同时吸收热

量并做功，那么气体的内能是增加的。然而，题目要求不考虑外界的非体积功，意味着

气体小做对外界或者从外界做非本题所需的做功，这在实际情况是很难做到的。所以选

项B、C和D都是基于假设前提之外的结论。根据题目条件，温度升高时气体吸收热量,

但由于没有做非体积功，可知气体对空气做的功为零（即仁0）,因此剩余的热量都将

转化为气体的内能增加，故选A。

5、一个理想气体等温膨胀时o

A.内能不变

B.内能增加

C.内能减少

D.气体的体积和压强同时增大

答案：A

解析•：理想气体在等温过程中，温度不变，根据理想气体状态方程n

和R为常数，因此当体积V膨胀时，压强P必然减小。由于温度不变，根据热力学定律,

理想气体的内能仅与温度有关，故内能保持不变。

6、根据热力学第二定律，从低温热源吸收热量并完全转化为功的过程中_______o

A.热机的效率为100%

B.热机的效率不能达到100%

C.热机的效率必须大于50%

D.热机的效率取决于热源的温度

答案：B

解析：热力学第二定律指出，不可能将从单一热源吸收的热量全部转化为功而不产

生其他影响。也就是说，热机的效率不能达到100机因此，答案是B,热机的效率不能

达到100机选项A、C和D均与热力学第二定律不符。

7、一个物体从温度为T1的热源吸收热量Q,然后将其全部用来对外做功，对外做

功为凡根据热力学第一定律，该物体的内能变化AU可表示为：

A、AU=Q-W

B、AU=Q+W

C、AU=W-Q

D、AU=Q+W/T1

答案：A

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AU加上对外

做的功凡因此，AU=Q-W＞选项A正确。选项B、C和D均不符合热力学第一定律。

二、多项选择题（本大题有3小题，每小题6分，共18分）

1、一定质量的理想气体在等温膨胀过程中，下列说法正确的是（）o

A、外界对气体做功，气体的内能增加。

B、气体吸收热量，温度不变。

C、气体对外界做功，气体的内能小变。

D、气体体积增大，密度减小。

答案：BCD

解析：等温膨胀过程中，气体的温度保持不变，根据热力学第一定律AU=Q-W,

由于温度不变，内能变化量AU为0,说明吸收的热量Q等于外界对气体做的功％因

此气体对外界做功，内能不变，密度（P=m/V,m不变，V变大）变小。因此选项C

和D正确。选项A错误，选项B正确。

2、关于理想气体的内能，下列说法正确的是（）。

A、理想气体的内能仅与温度有关，温度小变，内能不变。

B、理想气体的内能与体枳有关。

C、理想气体的内能与外界放热多少有关。

D、理想气体的内能与外界对气体做功多少有关。

答案：A

解析：理想气体的内能仅取决于它的温度，不依赖于体积、压强或外界的热交换和

功的交换。因此选项A正确。选项B、C、D均错误，因为理想气体的内能与这些因素无

直接关系。

3、下列说法中，哪些符合热力学第一定律的描述？（）

A.物体内部能量的增加等于外界对物体做功与物体吸收热量的代数和。

B.物体的内能可以通过做功和热的传递来改变，但内能的总量在不同的状态间是

恒定不变的。

C.如果一个系统对外做功，那么系统的内能一定会减小。

D.热力学第一定律定量地描述了物体的能量守恒。

答案：AD

解析：

选项A正确。热力学第一定律表述了能量守恒的概念，即在热力学的过程中，系统

的内能的改变等于外界对系统所做的功和系统吸收的热量之和。

选项B错误。虽然物体的内能可以通过做功和热传递来改变，但是内能的总量在不

同的状态间是可以变化的。

选项C错误。如果一个系统对外做功，同时如果系统吸收的热量大于或将能量转换

来的量大于做功的量，系统的内能可能增加。

选项D止确。热力学第一定律确实定量地描述「物体的能量守恒。

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

某理想气体经历如下过程：

（1）从状态A（压强为P0,体积为V0）绝热压缩到状态B（压强为2P0,体积为

V0/2）；

（2）从状态B等压加热到状态C（体积为V0）；

（3）从状态C等温膨胀到状态D（压强为P0）。

请回答以下问题；

（1）在上述过程中，气体的内能变化量AU是多少？

（2）如果气体在整个过程中对外做功此请计算W的值。

（3）如果气体在整个过程中的热交换Q为负值（即气体吸收热量），请分析气体在

哪些过程中吸收热量。

答案：

（1）气体的内能变化量AU可以通过以下步骤计算：

•在绝热过程中，由于没有热量交换，内能的变化仅由做功决定。根据绝热过程的

关系式PUY=常数（丫为比热容比），可以得出：

POVOAY=2PO（VO/2）AY

解得Y:1（因为对于理想气体，Y=c_p/c_v,而c_p和c_v的比值在理想情况

下为1）。

•绝热过程中的做功W1为:

W1=-AU=-nRAT

其中n为气体的物质的量，R为气体常数，AT为温度变化。

•在等压过程中，由于压强不变，温度变化AT可以用体积变化来表示：

△T=(VO-V0/2)/(V0/2)

•在等温过程中，内能不变，因此AU=O。

综合以上分析，内能变化量AU为：

△U=Wl=-nRAT=-nR(V0/2)

(2)气体在整个过程中对外做功W.可以通过以下步骤计算：

•绝热过程中的做功W1已经计算为-Wl=nRATo

•等压过程中的做功W2为：

W2=PAV=P0(V0-V0/2)=P0V0/2o

•等温过程中的做功W3为：

W3=nRTIn(VD/VC)=nRTIn(2)o

所以，总做功W为：

W=Wl+W2+W3=-nRAT+P0V0/2+nRTln(2)o

(3)气体在整个过程中的热交换Q为负值，说明气体吸收了热量。根据热力学第

一定律，内能的增加等于对外做功加上吸收的热量，即AU=W+Q。由于内能变化量

△I；在绝热过程中为0,在等温过程中也为0,因此气体吸收的热量主要发生在等压过

程中。

在等压过程中，气体吸收的热量Q2可以通过以下公式计算：

Q2=AU+W2=0+P0V0/2=P0V0/2。

因此，气体在等压过程中吸收了热量Q2=P0V0/2o

第二题

题目：一个容积为10升的绝热气缸内装有一定质量的理想气体，初始压强为lOOkPa,

温度为300K。现对气体缓慢加热，使气体的温度升高到450K。已知在这个过程中，气

缸内气体对外做功600J,求气缸内气体吸收的热量Q是多少？

解析：

1.热力学第一定律：AU=Q-W,其中AU是系统内能的变化量，Q是系统吸收的

热量，W是系统对外做的功。

根据理想气体状态方程：常数]

2.计算初末状态的内能变化：

对于理想气体，内能与温度的关系是7）,其中（亦是物质的量，（Q）是

摩尔等体热容，3=72-小本题中使用理想气体的内能变化公式时不需要知道气

体的摩尔数，直接适用（447）。

己知初始温度（〃二3仇妁和终态温度（与二4500因此[/T=450K-300K=150K.]

3.查表得C_v值：对常见气体，特殊条件下，氮气（假设本题中所讨论的气体是氮

气）的摩尔等体热容（G）约为20.79J/（mol-K）o但在题目中未明确给出，可以假设

或杳找相关表格中的数据。

4.计算内能变化：

[AU=CvAr=20.79J/（mol・K）X150K=3118.5].]

5.根据状态方程计算气体的摩尔数（n）：由：内部常数），其中（斤二

8.3/4J/（mol・K））,可以得出

PV100X10'PaX/OX10~3m3

〃=而/8.3/4J/（m。1・K）X300K=0-〃击”

继续使用7）更精确。这里我们直接假设使用3118.5J代表内能变化量。

6.使用热力学第一定律计算Q：

由(4〃二0一份，已知(4U=3118.5J)(这里假设nC_v(/T=3118.5J)),W=600J,

[3118.5J=Q-600J.]

7.求解Q：

[0:3118.5]+600]=3718.5J.]

答案：气缸内气体吸收的热量Q是3718.5J,

说明：这里我们将理想气体的内能变化简化处理，直接用了内能变化量(4功的计

算结果，然而实际应用时，需要考虑气体的种类和精确的摩尔等体热容。

第三题

题目：

一个密闭的容器内有一定量理想气体，初始时气体的温度为T1,压强为P1。容器

受到外界加热，气体温度升至T2,同时外界对气体施加恒定的压力P,使得气体的体积

从VI变到V2。假设容器足够大，外界条件变化不会立即影响容器内气体的压强，气体

始终表现为理想气体行为。

请回答以下问题：

(1)根据查理定律，在温度变化过程中，气体的压强P与体积V之间存在怎样的

关系？在加热过程中，如果P保持不变，描述气体体积如何变化。

(2)在等压过程中，利用盖-吕萨克定律(查理-盖-吕萨克定律)写出气体体积

V2与初始体积VI和温度Tl、T2的关系式。

(3)如果气体发生等温过程，那么在T1温度下，气体的内能U1与在T2温度下的

内能U2之间的关系是什么？

答案:

（1）根据查理定律，气体的压强与体枳成正比，即P8V。在温度升高的过程中，

如果压强P保持不变，气体体积Y将线性增大，与温度T呈正比变化，即V-To

（2）利川盖-吕萨克定律，气体的体积与其绝对温度成正比，比例常数为气体常数

R和气体的摩尔数n的比值。因此，有V1/T1=V2/T2o解得V2=VI*（T2/T1）。

（3）在等温过程中，理想气体的内能只与温度有关。内能的变化AU等于摩尔数n

乘以比热容Cv（恒容比热容）和温度变化AT。因此，如果气体发生等温过程，温度T

不变，内能UI=U2,即UI-U2=0,表示气体的内能无变化。

解析：

（1）查理定律指出，在恒压条件下，一定量的理想气体体积与其热力学温度成正

比。因此，在加热过程中，如果压强保持不变，气体体积会随温度的升高而线性增大。

（2）盖-吕萨克定律是杳理定律在恒压条件下的推广，适用于不同初始温度和体积

的理想气体。通过简单的变形，可以得到气体体积与温度的关系式。

（3）在等温过程中，理想气体的内能公式dpi/dt=0,意味着内能不随时间变化。

因此，在等温条件下，内能仅取决于温度，温度不变，内能也不变。

第四题

一、选择题（每小题6分，共30分）

1一个物体的内能包括分子动能和分子势能。以下哪种情况下，该物体的内能会增

大？（）

A.物体的温度升高

B.物体的体积减小

C.物体受到外力做功

D.物体的温度降低

2.一定质量的理想气体，在等压膨胀过程中，以下哪个物理量一定减小？（）

A.内能

B.温度

C.体积

D.密度

3.一个质量为m的物体，从高度h自由落体运动到地面，下列哪个过程中物体的机

械能守恒？（）

A.物体从h处释放后，一直下落到地面

B.物体从h处释放后，在空中受到水平方向的阻力作用

C.物体从h处释放后，在空中受到竖直向上的阻力作用

D.物体从h处释放后，在空中受到水平方向的推力作用

4.一个密闭的容器内装有理想气体，当气体发生绝热膨胀时，以下哪个物理量会增

大？（）

A.内能

B.温度

C.体积

D.密度

二、解答题（每题20分，共40分）

4.已知一个密闭容器内的气体体积为V,压强为P,温度为T。若气体发生等温膨

胀，体积变为2V,求：

（1）此时气体的压强是多少？

（2）若气体在等压膨胀过程中，温度升高到2T,此时气体的体积是多少？

答案：

(1)根据玻意耳定律(PV=nRT),在等温条件下，压强P和体积V成反比，即PV=

常数。因此，当体积变为2v时-，压强P会减小为原来的一半。所以，此时气体的压强

为P/2。

(2)根据查理定律(V/T二P/nR),在等压条件下，体积V和温度T成正比，即V/T二

常数。因此，当温度升高到2T时，体积V也会增加到原来的2倍。所以，此时气体的

体积为2V。

解析：

本题主要考察了理想气体状态方程的应用。首先，根据玻意耳定律求解气体在等温

膨胀过程中的压强变化。其次，根据查理定律求解气体在等压膨胀过程中的体积变化。

这两个定律都是描述理想气体状态变化的重要方程，熟练掌握这些定律对于解决热力学

问题非常重要。