2026年江苏省北师大版高中物理选修第二十七册第3章热学综合测试卷

2026年江苏省北师大版高中物理选修第二十七册第3章热学综合测试卷一、单项选择题（本大题共10小题，每小题2分，共20分）1.在热力学第二定律的多种表述中，开尔文表述指出“不可能从单一热源吸热，使之完全变为有用的功，而不产生其他影响”。以下哪个过程最能体现这一表述的正确性？A.水轮机将水的势能转化为电能B.压缩空气时外界对气体做功导致其温度升高C.热机在高温热源和低温热源之间工作，将部分热能转化为功D.热水自然冷却到室温过程中内能减少解析：开尔文表述强调热机无法将所有吸收的热能完全转化为功，必须向低温热源排放部分热量。选项C描述的热机工作过程符合这一原理，即热机效率小于100%。选项A是能量转化过程，选项B是做功过程，选项D是热传递过程，均未体现热力学第二定律的限制。2.某理想气体经历等温压缩过程，以下物理量中保持不变的是？A.内能B.压强C.体积D.熵解析：等温过程温度不变，对于理想气体，内能仅与温度相关，因此内能不变（A正确）。根据理想气体状态方程PV=nRT，温度不变时压强与体积成反比变化（B、C错误）。等温压缩过程熵减少（D错误）。3.一定质量的理想气体从状态A（压强P₁，体积V₁）变化到状态B（压强P₂，体积V₂），如果过程吸热Q>0且对外做功W<0，则以下关系可能成立的是？A.P₁>P₂且V₁<V₂B.P₁<P₂且V₁>V₂C.P₁=P₂且V₁≠V₂D.P₁V₁>P₂V₂解析：吸热Q>0且做功W<0意味着气体内能增加（ΔU=Q-W>0）。根据理想气体状态方程PV/T=常数，温度升高会导致压强或体积增大。选项A中P₁>P₂且V₁<V₂，温度降低与内能增加矛盾；选项B中P₁<P₂且V₁>V₂，温度升高可能伴随内能增加；选项C中P₁=P₂导致温度不变，内能不变矛盾；选项D中P₁V₁>P₂V₂对应温度升高，可能成立。正确答案为B。4.关于热力学第二类永动机，以下说法正确的是？A.它违反了热力学第一定律B.它违反了热力学第二定律C.它可以制成但效率低于100%D.它无法制成但理论上可行解析：热力学第二类永动机被定义为能从单一热源吸热全部转化为功而不产生其他影响的热机，这违背了热力学第二定律的克劳修斯表述。它不违反能量守恒（第一定律），也无法制成（D正确）。5.某气体经历等压膨胀过程，以下说法正确的是？A.气体一定吸热且内能增加B.气体一定放热且内能减少C.气体可能吸热也可能放热D.气体温度一定降低解析：等压膨胀过程中压强不变，体积增大导致温度升高（ΔT>0）。根据理想气体状态方程，温度升高内能增加（ΔU>0）。同时，气体对外做功（W>0），根据热力学第一定律ΔU=Q-W，Q>0即吸热（A正确）。6.以下哪个过程是可逆过程？A.气体自由膨胀B.气体准静态等温压缩C.水在标准大气压下沸腾D.热量从高温物体传到低温物体解析：可逆过程必须是准静态且无耗散的。选项B中气体准静态等温压缩满足条件；其他过程均为不可逆过程（A、C、D）。7.关于热机效率，以下说法正确的是？A.热机效率可以超过100%B.热机效率与工作物质无关C.热机效率取决于高温热源和低温热源的温度差D.热机效率与热机循环过程无关解析：根据热力学第二定律，热机效率η=1-Q₂/Q₁=1-T₂/T₁，其中T₁为高温热源温度，T₂为低温热源温度。效率小于100%（A错误），与工作物质无关（B正确），与温度差有关（C正确），与循环过程有关（D错误）。正确答案为B、C。8.一定质量的理想气体从状态A（P₁=2atm，V₁=10L）变化到状态B（P₂=1atm，V₂=20L），该过程气体对外做功多少？A.40JB.80JC.120JD.无法计算解析：气体对外做功W=-∫PdV。由于压强变化，需分段计算。假设先等压膨胀到V₂，再等容降压到P₂，则W₁=-P₁(V₂-V₁)=-(2×1.013×10⁵)(20-10)×10⁻³=-20.26J。实际过程更复杂，但选项中只有D正确。9.关于熵，以下说法正确的是？A.熵是系统内能的度量B.熵增加原理适用于孤立系统C.熵减小的过程不可能自发发生D.熵的单位是焦耳解析：熵是系统混乱度的度量（A错误），孤立系统熵永不减少（B正确），自发过程熵增加（C正确），熵单位是J/K（D错误）。正确答案为B、C。10.某热机工作在100℃和20℃的热源之间，其最大理论效率是多少？A.20%B.80%C.25%D.75%解析：最大效率η=1-T₂/T₁=1-293/373≈20.8%（A最接近）。二、填空题（本大题共10小题，每小题2分，共20分）1.热力学第一定律的数学表达式为______，其中Q表示______，W表示______。参考答案：ΔU=Q-W，系统吸收的热量，系统对外界做的功2.理想气体状态方程为______，其中R为______，其数值为______。参考答案：PV=nRT，理想气体常数，8.31J/(mol•K)3.热力学第二定律的克劳修斯表述为______。参考答案：不可能把热从低温物体传到高温物体而不引起其他变化4.等温过程中，理想气体的内能______，压强与体积的关系为______。参考答案：不变，成反比5.等压过程中，理想气体的压强______，如果温度升高，体积______。参考答案：不变，增大6.热机效率η=1-Q₂/Q₁，其中Q₁为______，Q₂为______。参考答案：从高温热源吸收的热量，向低温热源放出的热量7.熵增加原理指出，孤立系统的熵______。参考答案：永不减少8.热力学第二类永动机的定义是______。参考答案：能从单一热源吸热全部转化为功而不产生其他影响的热机9.理想气体自由膨胀过程______，______，______。参考答案：不可逆，Q=0，W=010.热机循环过程结束后，系统状态______，内能______。参考答案：恢复原状，不变三、判断题（本大题共10小题，每小题2分，共20分）1.热力学第一定律是能量守恒定律在热现象中的具体体现。（√）2.热机效率可以超过100%，只要工作物质选择得当。（×）3.等温过程中，理想气体的内能变化量ΔU=0。（√）4.热力学第二定律的两种表述是等价的。（√）5.理想气体自由膨胀过程熵增加。（√）6.等压过程中，理想气体对外做功W=PΔV。（√）7.热机工作在相同的高温热源和低温热源之间，效率一定相同。（√）8.熵是系统混乱度的度量，混乱度越大熵越大。（√）9.热力学第二类永动机可以制成，只是效率有限。（×）10.热力学第二定律适用于所有宏观过程，包括非孤立系统。（×）四、简答题（本大题共8小题，每小题2分，共16分）1.简述热力学第一定律的物理意义。答：热力学第一定律是能量守恒定律在热现象中的体现，指出系统内能的增加等于系统吸收的热量与外界对系统做功之和。2.解释什么是可逆过程和不可逆过程。答：可逆过程是系统经过状态变化后，能沿原路径逆向进行并恢复原状，且不引起外界变化的过程；不可逆过程则不能沿原路径完全恢复原状或会引起外界变化。3.等温过程和等压过程中，理想气体的压强和体积如何变化？答：等温过程中压强与体积成反比（P₁V₁=P₂V₂）；等压过程中体积与温度成正比（V₂/V₁=T₂/T₁）。4.热机效率η=1-Q₂/Q₁，为什么效率不能达到100%？答：根据热力学第二定律，热机不可能将吸收的热量全部转化为功，必须向低温热源排放部分热量（Q₂>0），因此效率η<1。5.熵增加原理的内容是什么？答：孤立系统的熵永不减少，即自发过程总是向熵增加的方向进行。6.热力学第二类永动机的定义是什么？为什么无法制成？答：能从单一热源吸热全部转化为功而不产生其他影响的热机。无法制成是因为违背了热力学第二定律，即热量不可能自发从低温物体传到高温物体。7.理想气体自由膨胀过程有哪些特点？答：不可逆过程，Q=0，W=0，内能不变，但熵增加。8.热机循环过程结束后，系统状态如何变化？答：系统状态恢复原状，内能不变，因为循环过程是闭合过程。五、应用题（本大题共8小题，每小题4分，共24分）1.一定质量的理想气体从状态A（P₁=2atm，V₁=10L）等温变化到状态B（V₂=20L），求气体对外做功多少？解：等温过程W=-∫PdV=-∫(nRT/V)dV=-nRTln(V₂/V₁)。由P₁V₁=P₂V₂得P₂=1atm，T不变，nRT=P₁V₁=2×1.013×10⁵×10×10⁻³=203.6J。W=-203.6ln(20/10)=-138.9J（气体对外做功138.9J）。2.某热机工作在100℃和20℃的热源之间，从高温热源吸收1.5×10⁵J热量，向低温热源放出5.0×10⁴J热量，求热机效率。解：η=1-Q₂/Q₁=1-5.0×10⁴/1.5×10⁵=66.7%。3.一定质量的理想气体从状态A（P₁=1atm，V₁=10L，T₁=300K）等压膨胀到状态B（V₂=20L），求气体吸收的热量。解：等压过程Q=ΔU+W。ΔU=nCₚΔT，W=PΔV。P=1atm，ΔV=10L，W=1.013×10⁵×10×10⁻³=1013J。T₂=T₁(V₂/V₁)=300×2=600K，ΔT=300K，Cₚ=5R/2=20.8J/(mol•K)。假设n=1mol，ΔU=20.8×300=6240J，Q=6240+1013=7253J。4.某气体经历等温压缩过程，压强从P₁=1atm增加到P₂=2atm，体积从V₁=20L减小到V₂=10L，求气体对外做功。解：等温过程W=-∫PdV=-∫(nRT/V)dV=-nRTln(V₂/V₁)。T不变，nRT=P₁V₁=1×1.013×10⁵×20×10⁻³=2036J。W=-2036ln(10/20)=-138.9J（外界对气体做功138.9J）。5.某热机效率为40%，工作在100℃和20℃的热源之间，求其最大可能功率。解：η=1-T₂/T₁=1-293/373=20.8%，实际效率40%低于理论值，不可行。6.一定质量的理想气体从状态A（P₁=1atm，V₁=10L，T₁=300K）经历等温过程到状态B（V₂=20L），求气体吸收的热量。解：等温过程Q=-W=-∫PdV=-∫(nRT/V)dV=-nRTln(V₂/V₁)。T不变，nRT=P₁V₁=1×1.013×10⁵×10×10⁻³=2036J。Q=-2036ln(20/10)=-1389J（气体放热1389J）。7.某气体经历等压膨胀过程，压强P=1atm，体积从V₁=10L增加到V₂=20L，温度从T₁=300K升高到T₂=600K，求气体吸收的热量。解：等压过程Q=ΔU+W。ΔU=nCₚΔT，W=PΔV。ΔT=300K，Cₚ=5R/2=20.8J/(mol•K)，假设n=1mol，ΔU=20.8×300=6240J。W=1.013×10⁵×10×10⁻³=1013J，Q=6240+1013=7253J。8.某热机工作在100℃和20℃的热源之间，从高温热源吸收1.0×10⁵J热量，向低温热源放出3.0×10⁴J热量，求热机效率及理论最大效率。解：实际效率η=1-Q₂/Q₁=1-3.0×10⁴/1.0×10⁵=70%。理论效率η=1-T₂/T₁=1-293/373=20.8%，实际效率高于理论值，违背热力学第二定律。【标准答案及解析】一、单项选择题1.D2.A3.B4.B5.A6.B7.B、C8.D9.B、C10.A二、填空题1.ΔU=Q-W，系统吸收的热量，系统对外界做的功2.PV=nRT，理想气体常数，8.31J/(mol•K)3.不可能把热从低温物体传到高温物体而不引起其他变化4.不变，成反比5.不变，增大6.从高温热源吸收的热量，向低温热源放出的热量7.永不减少8.能从单一热源吸热全部转化为功而不产生其他影响的热机9.不可逆，Q=0，W=010.恢复原状，不变三、判断题1.√2.×3.√4.√5.√6.√7.√8.√9.×10.×四、简答题1.热力学第一定律是能量守恒定律在热现象中的体现，指出系统内能的增加等于系统吸收的热量与外界对系统做功之和。2.可逆过程是系统经过状态变化后，能沿原路径逆向进行并恢复原状，且不引起外界变化的过程；不可逆过程则不能沿原路径完全恢复原状或会引起外界变化。3.等温过程中压强与体积成反比（P₁V₁=P₂V₂）；等压过程中体积与温度成正比（V₂/V₁=T₂/T₁）。4.根据热力学第二定律，热机不可能将吸收的热量全部转化为功，必须向低温热源排放部分热量（Q₂>0），因此效率η<1。5.孤立系统的熵永不减少，即自发过程总是向熵增加的方向进行。6.能从单一热源吸热全部转化为功而不产生其他影响的热机。无法制成是因为违背了热力学第二定律，即热量不可能自发从低温物体传到高温物体。7.不可逆过程，Q=0，W=0，内能不变，但熵增加。8.系统状态恢复原状，内能不变，因为循环过程是闭合过程。五、应用题1.等温过程W=-∫PdV=-∫(nRT/V)dV=-nRTln(V₂/V₁)。由P₁V₁=P₂V₂得P₂=1atm，T不变，nRT=P₁V₁=2×1.013×10⁵×10×10⁻³=203.6J。W=-203.6ln(20/10)=-138.9J（气体对外做功138.9J）。2.η=1-Q₂/Q₁=1-5.0×