高中物理选择性必修第三册第3章 4

第三章4A组·基础达标1．下列过程中，可能发生的是()A．某工作物质从高温热源吸收20kJ的热量，全部转化为机械能，而没有产生其他任何影响B．打开一高压密闭容器，其内气体自发溢出后又自发跑进去，恢复原状C．利用其他手段，使低温物体温度更低，高温物体温度更高D．两瓶不同液体自发混合，然后又自发地各自分开【答案】C【解析】根据热力学第二定律，热量不可能从低温物体自发地传给高温物体，而不引起其他的变化，但如果有第三者的介入是可以实现的，故C正确；热量自发地全部转化为机械能是不可能的，故A错误；气体膨胀具有方向性，故B错误；扩散现象具有方向性，D错误．2．如图所示，某厂家声称所生产的空气能热水器能将热量从空气吸收到储水箱．下列说法中正确的是()A．热量可以自发地从大气传递到储水箱内B．空气能热水器的工作原理违反了能量守恒定律C．空气能热水器的工作原理违反了热力学第二定律D．空气能热水器能够不断地把空气中的热量传到水箱内，但必须消耗电能【答案】D【解析】该热水器将空气中的能量转移到热水中的能量，符合能量守恒定律，但是热量不可能自发地从低温物体转移到高温物体，实质上在产生热水的过程中，必须消耗电能才能实现，因此也符合热力学第二定律．所以选项D正确．3．下列说法正确的是()A．熵增加原理说明一切自然过程总是向着分子热运动的无序性减小的方向进行B．质量相等的80℃的液态萘和80℃的固态萘相比，具有相同的分子势能C．液体具有流动性是因为液体分子具有固定的平衡位置D．气体分子单位时间内与单位面积器壁碰撞的次数与单位体积内气体的分子数和温度都有关【答案】D【解析】熵增加原理说明一切自然过程总是向着分子热运动的无序性增大的方向进行，A错误；80℃的液态萘凝固成80℃的固态萘的过程中放出热量，温度不变，则分子的平均动能不变，萘放出热量的过程中内能减小，而分子平均动能不变，所以一定是分子势能减小，B错误；液体具有流动性是因为液体分子没有固定的平衡位置，C错误；气体分子单位时间内与单位面积器壁碰撞的次数与单位体积内气体的分子数和温度都有关，D正确．4．(多选)关于热力学定律，下列说法正确的是()A．即使科技的进步，人类也不可能生产出从单一热源吸热全部用来对外做功而不引起其他变化的热机B．物体对外做功，其内能一定减少C．制冷设备实现从低温热源处吸热，并在高温热源处放热，违反了热力学第二定律D．第一类永动机不可能制成，是因为它违背了能量守恒定律【答案】AD【解析】即使科技的进步，人类也不可能生产出从单一热源吸热全部用来对外做功而不引起其他变化的热机，因为这违背热力学第二定律，A正确；物体对外做功，如果物体吸收热量，则其内能可能不会减少，B错误；制冷设备实现从低温热源处吸热，并在高温热源处放热，没有违反了热力学第二定律，因为这个过程引起了外界的变化，消耗了电能，C错误；第一类永动机不可能制成，是因为它违背了能量守恒定律，D正确．5．(多选)用两种不同的金属丝组成一个回路，接触点1插在热水中，接触点2插在冷水中，如图所示，电流计指针会发生偏转，这就是温差发电现象．关于这一现象，正确的说法是()A．这一实验过程不违反热力学第二定律B．在实验过程中，热水一定降温、冷水一定升温C．在实验过程中，热水内能全部转化成电能，电能则部分转化成冷水的内能D．在实验过程中，热水的内能只有部分转化成电能，电能则全部转化成冷水的内能【答案】AB【解析】温差发电现象中产生电能是因为热水中的内能减少，部分转化为电能，而部分电能又转化为冷水的内能，转化效率低于100%，不违反热力学第二定律，因此热水温度降低，冷水温度升高，故A、B正确，C、D错误．6．人们常用空调调节室内空气的温度，下列说法正确的是()A．空调风速越大，室内空气的分子动能也越大B．空调过滤器能够吸附PM2.5颗粒，此颗粒的运动是分子热运动C．空调既能制热又能制冷，说明热传递不存在方向性D．空调制热使得室内温度上升，则速率小的空气分子比例减小【答案】D【解析】室内空气的分子动能只与温度有关，与空调风速无关，A错误；空调过滤器能够吸附PM2.5颗粒，PM2.5颗粒是肉眼看不见的固体小颗粒，做的是布朗运动，不是分子热运动，B错误．空调既能制热又能制冷，说明在不自发的条件下热传递方向可以逆向，不违背热力学第二定律，C错误；空调制热使得室内温度上升，根据温度是分子平均动能的标志，所以速率小的空气分子比例减小，D正确．7．(多选)如图所示，为电冰箱的工作原理示意图；压缩机工作时，强迫制冷剂在冰箱内外的管道中不断循环，在蒸发器中制冷剂汽化吸收箱体内的热量，经过冷凝器时制冷剂液化，放出热量到箱体外．下列说法正确的是()A．热量可以自发地从冰箱内传到冰箱外B．电冰箱的制冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界，是因为其消耗了电能C．电冰箱的工作原理不违背热力学第一定律D．电冰箱的工作原理违背热力学第一定律【答案】BC【解析】热力学第一定律是热现象中内能与其他形式能的转化规律，是能的转化和守恒定律的具体表现，适用于所有的热学过程，故C正确，D错误；再根据热力学第二定律，热量不能自发地从低温物体传到高温物体，必须借助于其他系统做功，A错误，B正确．8．如图中汽缸内盛有一定量的理想气体，汽缸壁是导热的，缸外环境保持恒温，活塞与汽缸壁的接触面是光滑的，但不漏气．现将活塞杆与外界连接，使其缓慢地向右移动，这样气体将等温膨胀并通过杆对外做功．若已知理想气体的内能只与温度有关，则下列说法正确的是()A．气体是从单一热源吸热，全用来对外做功，所以此过程违反热力学第二定律B．气体从单一热源吸热，但并未全用来对外做功，所以此过程不违反热力学第二定律C．气体是从单一热源吸热，全用来对外做功，但此过程不违反热力学第二定律D．以上三种说法都不对【答案】C【解析】热力学第二定律从机械能与内能转化过程的方向性来描述是：不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化．本题中如果没有外界的帮助，比如外力拉动活塞杆使活塞向右移动，使气体膨胀对外做功，导致气体温度略微降低，是不可能从外界吸收热量的，即这一过程虽然是气体从单一热源吸热，全用来对外做功，但引起了其他变化，所以此过程不违反热力学第二定律．9．(多选)下列宏观过程能用热力学第二定律解释的是()A．大米和小米混合后小米能自发地填充到大米空隙中而且经过一段时间大米、小米不会自动分开B．将一滴红墨水滴入一杯清水中，墨水会均匀扩散到整杯水中，经过一段时间，墨水和清水不会自动分开C．冬季的夜晚，放在室外的物体随气温的降低，不会由于内能自发地转化为机械能而动起来D．即使节能减排措施不断完善，最终也不会使汽车热机的效率达到100%【答案】BCD【解析】热力学第二定律反映了与热现象有关的宏观过程具有方向性，A不属于热现象，A错误；由热力学第二定律可知B、C、D正确．10．(多选)下列说法正确的是()A．机械能和内能的转化具有方向性B．电流的能不可全部转化为内能C．第二类永动机虽然不违背能量守恒定律，但它是制造不出来的D．在火力发电机中燃气的内能不可能全部转化成电能【答案】ACD【解析】凡与热现象有关的宏观过程都具有方向性，机械能可全部转化为内能，但内能不能全部转化为机械能，而不引起其他变化，A、D正确；由电流热效应中的焦耳定律可知，电流的能可全部转化为内能，而内能不可能全部转化为电能，B错误；第二类永动机虽然不违反能量守恒定律，但它违反热力学第二定律，是制造不出来的，C正确．B组·能力提升11．(多选)气闸舱的原理如图所示．座舱A与气闸舱B间装有阀门K，A中充满空气，B内为真空．航天员由太空返回到B后，将B封闭，打开阀门K，A中的空气进入B中，最终达到平衡．假设此过程中系统保持温度不变，舱内空气可视为理想气体，不考虑航天员的影响，则此过程中()A．气体分子对A舱壁的压强减小B．气体向外界放出热量C．气体膨胀对外做功，内能减小D．一段时间后，B内空气绝不可能自发地全部回到A中去【答案】AD【解析】气体温度不变，平均动能不变，但是气体向B舱扩散时，A舱中单位体积内分子个数减少，所以气体压强减小，A正确；气体向真空方向扩散不对外做功，又因为气体的温度不变，内能不变，则气体与外界无热交换，B、C错误；由热力学第二定律可知，与热现象有关的物理过程都是不可逆的，则一段时间后，B内气体不可能自发地全部回到A中去，D正确．12．一辆汽车的发动机输出功率为66.15kW，每小时耗柴油14kg，请计算发动机的效率．(柴油的燃烧值为4.3×107J/kg)解：发动机每小时做的功W＝Pt＝66150W×3600s＝2.38×108J，完全燃烧14kg柴油放出的能量Q总＝4.3×107J/kg×14kg＝6.02×108J，有用功的能量Q有＝W＝2.38×108J，所以η＝eq\f(Q有,Q总)＝eq\f(2.38×108J,6.02×108J)×100%＝39.5%，发动机的效率是39.5%.课后篇素养形成必备知识基础练1.(多选)如图所示,一定质量的理想气体从状态a出发,经过等容过程ab到达状态b,再经过等温过程bc到达状态c,最后经等压过程ca回到状态a。下列说法正确的是()A.在过程ab中气体的内能增加B.在过程ca中外界对气体做功C.在过程ab中气体对外界做功D.在过程bc中气体从外界吸收热量答案ABD解析在过程ab中,气体体积不变,外界不对气体做功,气体也不对外做功,即W=0,压强增大,温度升高,内能增加,A正确,C错误;在过程ca中,气体体积减小,外界对气体做功,即W>0,B正确;在过程bc中,温度不变,内能不变,即ΔU=0,体积增加,W<0,由热力学第一定律ΔU=W+Q,可知Q>0,即气体从外界吸热,D正确。2.在寒冷的冬天里泡一泡温泉,不仅可以消除疲劳,还可扩张血管,促进血液循环,加速人体新陈代谢。假设水温恒定,则温泉中正在缓慢上升的气泡()A.压强增大,体积减小,吸收热量B.压强增大,体积减小,放出热量C.压强减小,体积增大,吸收热量D.压强减小,体积增大,放出热量答案C解析温泉中正在缓慢上升的气泡,压强减小,由理想气体状态方程pVT=C知,温度不变、压强减小时体积增大;一定量的理想气体的内能仅与温度有关,故内能不变,体积增大时,气体对外做功,由热力学第一定律可知,气体应吸收热量,故C正确,A、B、D3.(多选)一定质量的理想气体从状态A经过状态B变化到状态C,其V-T图像如图所示。下列说法正确的有()A.A→B的过程中,气体对外界做功B.A→B的过程中,气体放出热量C.B→C的过程中,气体压强不变D.A→B→C的过程中,气体内能增加答案BC解析由V-T图像知,从A到B的过程中,气体被等温压缩,外界对气体做正功,气体的内能不变。由热力学第一定律知,气体放出热量,A错误,B正确;从B到C的过程中气体做等压变化,温度降低,气体内能减少,故C正确,D错误。4.(多选)一定质量的理想气体由状态Ⅰ(p1,V1,T1)被压缩至状态Ⅱ(p2,V2,T2),已知T2>T1,则该过程中()A.气体的内能一定是增加的B.气体可能向外界放热C.气体一定从外界吸收热量D.外界对气体做正功答案ABD解析理想气体分子势能忽略不计,因此温度升高时,气体的内能增加,故A正确;压缩气体,外界对气体做正功,故D正确;由于不能确定外界对气体做功的多少,因此气体可能吸热,也可能放热,故B正确,C错误。5.(多选)如图,一定质量的理想气体从状态a开始,经历过程①②③④到达状态e。对此气体,下列说法正确的是()A.过程①中气体的压强逐渐减小B.过程②中气体对外界做正功C.过程④中气体从外界吸收了热量D.状态c、d的内能相等答案BD解析过程①中,气体由a到b,体积V不变,T升高,则压强增大,A项错误;过程②中,气体由b到c,体积V变大,对外界做正功,B项正确;过程④中,气体由d到e,温度T降低,内能ΔU减小,体积V不变,气体不做功,根据热力学第一定律ΔU=Q+W得Q<0,即气体放出热量,C项错误;状态c、d温度相同,所以内能相等,D项正确。6.(多选)一定质量的理想气体,经历如图所示的循环,该过程每个状态视为平衡态,各状态参数如图所示,已知a状态的体积为2.0×10-3m3,则下列说法正确的是()A.各状态气体体积Va=Vb>Vc=VdB.b→c过程中,气体吸热C.c→d过程中,气体内能增加D.d→a过程中,外界对气体做功200J答案BD解析根据pVT=C可知过原点的直线为等容线,且斜率越大的等容线对应的气体的体积越小,由题图可知Va=Vb<Vc=Vd,选项A项错误;b→c过程中,气体的体积变大,对外做功,温度升高,内能增加,根据热力学第一定律可知气体吸热,选项B正确;c→d过程中,气体温度降低,则气体内能减小,选项C错误;d→a过程中,气体体积减小,Vd=Vc,根据理想气体状态方程可知1.0×105×2.0×10-3200m3=2.0×105·Vc800,解得Vc=Vd=4×10-3m3,外界对气体做功W=pΔV=17.用于消毒的喷壶示意图如图甲所示。储气室内气体可视为理想气体,在喷液过程中储气室内温度保持不变,气体的p-V图像如图乙所示,A、B是双曲线上的两点。下列说法正确的是()A.气体在状态A的内能一定大于在状态B的内能B.气体从状态A变化到状态B的过程中,气体吸收的热量大于气体对外做的功C.图中△OAC和△OBD的面积一定相等D.气体从状态A变化到状态B的过程中,气体分子单位时间内对器壁单位面积上的碰撞次数不变答案C解析喷液过程,气体的温度不变,则内能不变,选项A错误;从A到B过程,气体的体积增大,气体对外做功,又内能不变,则气体吸收的热量等于气体对外做的功,选项B错误;根据玻意耳定律可知pV=C,即p-V图像上各点的横纵坐标的乘积相等,即图中△OAC和△OBD的面积相等,选项C正确;从A到B,温度不变,压强减小,则气体分子每次碰撞器壁给它的冲力不变,单位时间内对器壁单位面积的碰撞次数减小,选项D错误。关键能力提升练8.(多选)如图所示,一定质量的理想气体,从状态A经绝热过程A→B、等容过程B→C、等温过程C→A又回到了状态A,(不计分子势能的变化)则()A.A→B过程气体升温B.B→C过程气体内能增加,气体吸热C.C→A过程气体放热D.全部过程气体做功为零答案BC解析A→B过程是绝热过程,Q=0,体积变大,气体对外做功,W<0,根据热力学第一定律ΔU=Q+W,得ΔU<0,内能减小,故温度降低,故A错误;B→C过程中,气体体积V不变而压强p变大,气体温度升高,故内能增加,但体积V不变,外界对气体不做功,所以气体吸收热量,故B正确;C→A过程是等温变化,气体体积V减小,外界对气体做功,W>0,气体温度不变,ΔU=0,根据热力学第一定律得Q<0,气体放热,故C正确;A到B气体对外做功W1<0,B到C不做功,C到A外界对气体做功W2>0,根据p-V图像,图线与横坐标轴围成的图形的面积等于所做的功,A到B做功小于C到A做功,如图阴影面积所示,故全部过程气体做功不为0,故D错误。9.一定质量的理想气体从状态A经绝热过程到达状态B,再经等容过程到达状态C,此过程的p-V图像如图所示,图中虚线为等温线。在B→C的过程中,气体吸收热量为12J。则:(1)试比较气体在A和B状态的内能EA、EB的大小;(2)求气体从A→B过程中气体对外界做的功。答案(1)EA>EB(2)12J解析(1)A→B过程绝热,Q=0,体积V增大,对外做功,内能减小,EA>EB。(2)A→B→C过程中有:ΔU=WAB+WBC+QAB+QBCA、C温度相等,内能不变ΔU=0A、B绝热过程QAB=0B、C等容变化不做功WBC=0在B→C的过程中,气体吸收热量为12J,即QBC=12J故WAB=-12J即从A→B过程中气体对外做功12J。10.如图所示,导热材料制成的横截面积相等、长度均为45cm的汽缸A、B通过带有阀门的管道连接。初始时阀门关闭,厚度不计的光滑活塞C位于B内左侧,在A内充满压强pA=2.8×105Pa的理想气体,B内充满压强pB=1.4×105Pa的理想气体,忽略连接汽缸的管道体积,室温不变,现打开阀门,求:(1)平衡后活塞向右移动的距离和B中气体的压强;(2)自打开阀门到平衡,B内气体是吸热还是放热(简要说明理由)。答案(1)15cm2.1×105Pa(2)放热,理由见解析解析(1)设平衡后活塞向右移动的距离为x,活塞向右移动达到稳定后,对A气体,有pALS=p(L+x)S对B气体,有pBLS=p(L-x)S得x=15cm,p=2.1×105Pa(2)活塞C向右移动,对B中气体做功,而气体做等温变化,内能不变,由热力学第一定律ΔU=W+Q可知B内气体放热。11.如图所示,横截面积S=10cm2的活塞,将一定质量的理想气体封闭在竖直放置的圆柱形导热汽缸内,开始活塞与汽缸底部距离H=30cm。在活塞上放一重物,待整个系统稳定后,测得活塞与汽缸底部距离变为h=25cm。已知外界大气压强始终为p0=1×105Pa,不计活塞质量及其与汽缸之间的摩擦,g取10m/s2。求:(1)所放重物的质量;(2)在此过程中被封闭气体与外界交换的热量。答案(1)2kg(2)放出6J热量解析(1)封闭气体发生等温变化气体初状态的压强为p1=1×105Pa①气体末状态的压强为p2=p0+mgS②根据玻意耳定律得p1HS=p2hS③联立①②③式解得m=2kg(2)外界对气体做功W=(p0S+mg)(H-h)④根据热力学第一定律知ΔU=Q+W=0⑤联立④⑤式解得Q=-6J,即放出6J热量。12.如图所示,内壁光滑、足够高的圆柱形汽缸竖直放置,内有一质量为m的活塞封闭一定质量的理想气体。已知活塞横截面积为S,外界大气压强为p0,缸内气体温度为T1。现对汽缸内气体缓慢加热,使气体体积由V1增大到V2,该过程中气体吸收的热量为Q1,停止加热并保持体积V2不变,使其降温到T1,已知重力加速度大小为g,求:(1)停止加热时缸内气体的温度;(2)降温过程中气体放出的热量。答案(1)V2V1T1(2)Q1-p0+mgS(V2-V解析(1)加热过程中气体等压膨胀,由V1得T2=V2V1(2)设加热过程中,封闭气体内能增加ΔU,因气体体积增大,故此过程中气体对外做功,W<0。由热力学第一定律知ΔU=Q1+W其中W=-pΔV=-p0+mgS(V2-V1)由于理想气体内能只与温度有关,故再次降到原温度时气体放出的热量满足Q2=ΔU整理可得:Q2=Q1-p0+mgS(V2-V1)。13.一定质量的理想气体从状态A变化到状态B,再变化到状态C,其状态变化过程的p-V图像如图所示。已知该气体在状态B时的热力学温度TB=300K,求:(1)该气体在状态A时的热力学温度TA和状态C时的热力学温度TC;(2)该气体从状态A到状态C的过程中,气体内能的变化量ΔU以及该过程中气体从外界吸收的热量Q。答案(1)900K900K(2)0200J解析(1)气体从状态A到状态B过程做等容变化,有:p解得:TA=900K气体从状态B到状态C过程做等压变化,有:V解得:TC=900K(2)因为状态A和状态C温度相等,且气体的内能是所有分子的动能之和,温度是分子平均动能的标志,所以在该过程中:ΔU=0气体从状态A到状态B过程体积不变,气体从状态B到状态C过程对外做功,故气体从状态A到状态C的过程中,外界对气体所做的功为:W=-pΔV=-1×105×(3×10-3-1×10-3)J=-200J由热力学第一定律有:ΔU=Q+W解得:Q=200J。14.如图所示,导热性能良好的汽缸内用活塞封闭一定质量的理想气体,活塞用轻弹簧与缸底相连,当汽缸如图甲水平放置时,弹簧伸长了x0,活塞到缸底的距离为L0,将汽缸缓慢转动竖直放置,开口向上,如图乙所示,这时活塞刚好向缸底移动了x0的距离。已知活塞的横截面积为S,活塞与汽缸壁的摩擦不计,且气密性良好,活塞的质量为m,重力加速度大小为g,大气压强为p0,外界的温度始终不变。求:(1)弹簧的劲度系数;(2)若从甲图到乙图的过程中,气体放出的热量为Q,活塞的重力对气体做的功为W,则弹簧开始具有的弹性势能为多少?答案(1)mg(L0-x0)-解析(1)汽缸水平放置时,缸内气体的压强为p1=p0+kx当汽缸竖直放置时,缸内气体的压强为p2=p0+mgS根据玻意耳定律有p1L0S=p2(L0-x0)S,解得k=mg((2)从甲图到乙图的过程中,气体的温度始终不变,因此气体的内能不变,根据热力学第一定律可知Q=W+p0x0S+Ep,解得Ep=Q-W-p0x0S。15.如图所示,内壁光滑且长为L=50cm的绝热汽缸固定在水平面上,汽缸内用横截面积为S=100cm2的绝热活塞封闭有温度为t0=27℃的一定质量的理想气体,开始时处于静止状态的活塞位于距左侧缸底l=30cm处。现用电热丝对封闭的理想气体加热,使活塞缓慢向右移动。(已知大气压强为p0=1.0×105