专题16 热学（选考部分）-巧学高考物理热点快速突破

专题16 热学（选考部分）-巧学高考物理热点快速突破

‎【高考命题热点】该专题在选做题中考查，主要考查分子动理论、气体状态方程和热力学定律及能量守恒定律。‎ ‎【知识清单】‎ 考点一 分子动理论 1. 物体是由大量分子组成的 （1） 分子的大小——极小：分子直径的数量级：m； 分子直径可用油膜法估测。‎ （2） 分子的质量很小，一般物质分子质量的数量级是：kg。‎ （3） 阿伏伽德罗常数：1 mol的任何物质中含有相同的微粒个数，用表示，‎ ‎，是联系宏观和微观的桥梁：， ‎ 说明：—摩尔质量； —每个分子的质量；‎ ‎ —气体摩尔体积；—每个分子的占有体积。‎ （4） 分子的两种理想模型 ‎ 球形模型： 立方体模型：‎ ‎ ‎ （5） 分子大小、质量与物体体积、质量的关系 ‎①一个分子的质量：m＝。‎ ‎②一个分子所占的体积：V0＝(估算固体、液体分子的体积或气体分子平均占有的空间)。‎ ‎③1 mol 物质的体积：Vmol＝。 ④质量为M的物体中所含的分子数：n＝NA。‎ ‎⑤体积为V的物体中所含的分子数：n＝NA。‎ 说明：对固体和液体，可认为分子是一个个紧密排列在一起的球体，对气体，由于分子间距离较大，可以利用立方体模型计算分子间的距离。‎ 2. 分子永不停息地做无规则运动 ‎ 扩散现象和布朗运动都说明分子做无规则运动。运动的剧烈程度与温度有关。‎ ‎ （1）扩散现象：相互接触的物体互相进入对方的现象。温度越高，扩散越快。‎ ‎ （2）布朗运动（类似花粉、碳粒的运动，是固体小颗粒的运动）‎ ‎ 产生原因：是各个方向的液体分子对颗粒碰撞的不平衡引起的。‎ ‎ 特点：①永不停息、无规则运动；②颗粒越小，运动越剧烈；‎ ‎ ③温度越高，运动越剧烈；④运动轨迹不确定。‎ 布朗运动 分子热运动 共同点 都是无规则运动，都随温度的升高而变得更加剧烈 不同点 小颗粒的运动 分子的运动 使用光学显微镜观察 使用电子显微镜观察 联系 布朗运动是由于小颗粒受到周围分子热运动的撞击力而引起的，反映了分子做无规则运动 2. 分子间存在着相互作用力 （1） 分子间同时存在相互作用的引力和斥力。‎ （2） 分子力：引力和斥力的合力。‎ （3） 为分子间引力和斥力大小相等时的距离，其数量级为m。‎ ‎（4）分子力F、分子势能Ep与分子间距离r的关系图线如图所示(取无穷远处分子势能Ep＝0)。 ‎ ‎ ‎ 说明：分子间引力和斥力都随分子间距离增大而减小，随分子间距离的减小而增大。‎ ‎(1)当r＞r0时，分子力为引力，当r增大时，分子力做负功，分子势能增加。‎ ‎(2)当r＜r0时，分子力为斥力，当r减小时，分子力做负功，分子势能增加。‎ ‎(3)当r＝r0时，引力与斥力相等，分子势能最小（但不一定为零，与零势能面的选取有关）。‎ ‎4. 物体的内能 ‎（1）分子平均动能 物体内所有分子动能的平均值叫做分子的平均动能。温度是分子平均动能大小的标志，温度越高，分子平均动能越大。‎ （2） 分子势能：由分子间的相对位置和相互作用决定的能量。微观上，分子势能大小与分子间距离有关；宏观上，分子势能大小与物体体积有关。‎ （2） 物体的内能：物体内所有分子势能和分子动能的总和。（）‎ 决定内能的因素：微观：分子动能、分子势能、分子个数；宏观：温度、体积、物质的量。‎ 改变物体内能的两种方式：‎ ‎①做功：当做功使物体的内能发生改变的时候，外界对物体做了多少功，物体内能就增加多少；物体对外界做了多少功，物体内能就减少多少。‎ ‎②热传递：当热传递使物体物体的内能发生改变的时候，物体吸收了多少热量，物体内能就增加多少；物体放出了多少热量，物体内能就减少多少。‎ 内能与热量的比较：‎ 内　能 热　量 区别 是状态量，状态确定系统的内能随之确定。一个物体在不同的状态下有不同的内能 是过程量，它表示由于热传递而引起的内能变化过程中转移的能量 联系 在只有热传递改变物体内能的情况下，物体内能的改变量在数值上等于物体吸收或放出的热量 考点二 固体、液体与气体 1. 固体 （1） 固体分为晶体和非晶体两类。石英、云母、明矾、食盐、味精、蔗糖等是晶体，玻璃、蜂蜡、松香、沥青、橡胶等是非晶体。‎ （2） 单晶体具有规则的几何形状，多晶体和非晶体没有规则的几何形状；晶体有确定的熔点，非晶体没有确定的熔点。‎ （3） 有些晶体沿不同方向的导热或导电性能不同，有些晶体沿不同方向的光学性质不同，这类现象称为各向异性；非晶体和多晶体在各个方法的物理性质都是一样的叫做各向同性。‎ 2. 液体 （1) 液体分子间距离比气体分子间距离小得多，液体分子间的作用力比固体分子间的作用力要小；液体内部分子间的距离在m左右。‎ （2) 液体的表面张力：液体表面层分子间距离较大，因此分子间的作用力表现为引力；液体表面存在表面张力，使液体表面绷紧，浸润与不浸润也是分子力的表现。‎ （3) 液晶：是一种特殊的物质，它具有液体的流动性，又具有晶体的各向异性，液晶在显示器方面具有广泛的应用。‎ 3. 气体分子运动的特点 气体分子的速率分布，表现出“中间多、两头少”的统计分布规律。‎ 3. 描述气体的状态参量 （1） 温度（）‎ ‎①物理意义：宏观上表示物体的冷热程度；微观上标志物体分子热运动的激烈程度，它是物体分子平均动能的标志。‎ ‎②两种温标 a. 摄氏温度（）：单位℃。在一个标准大气压下，冰的熔点为0℃，水的沸点为100℃。‎ b. 热力学温度（）：单位K。把-273℃作为0 K。绝对零度（0 K）是低温的极限，只能接近不能达到。‎ c. 两种温标的关系：就每分度表示的冷热差别来说，两种温度是相同的，只是零值的起点不同，所以二者关系为。‎ （2） 体积（）‎ ‎①意义：气体分子所占据的空间，也就是气体所充满的容器的容积。‎ ‎②单位：。‎ （3） 压强（）‎ ‎①产生原因：由于大量分子无规则地运动而碰撞器壁，形成对器壁各处均匀、持续的压力，作用在器壁单位面积上的压力叫做气体的压强。‎ ‎②气体压强大小的决定因素 a. 宏观上：决定于气体的温度和体积。‎ b. 微观上：决定于分子平均动能和分子的数密度（单位体积内的分子数）。‎ c. 常用单位及换算关系：帕斯卡（Pa）：1Pa=1N/m2 1atm=1.013×105Pa (一个标准大气压) ‎ （4） 气体的状态及变化 于一定质量的气体，如果温度、体积、压强这三个量都不变，我们就说气体处于一定的状态。‎ ‎②一定质量的气体，。三个量中不可能只有一个参量发生变化，至少有两个或三个同时改变。‎ 5. 饱和汽与饱和汽压 （1） 动态平衡：在相同时间内回到水中的分子数等于从水面飞出去的分子数。这时，水蒸气的密度不再增大，液体水也不再减少，液体与气体之间达到了平衡状态，蒸发停止。这种平衡 是一种动态平衡。‎ （1） 饱和汽与饱和汽压 ‎①饱和汽和未饱和汽 与液体处于动态平衡的蒸汽叫做饱和汽，而没有达到饱和状态的蒸汽叫做未饱和汽。‎ ‎②饱和汽压 在一定温度下，饱和汽的分子数密度是一定的，因而饱和汽的压强也是一定的，这个压强叫做液体的饱和汽压。未饱和汽的压强小于饱和汽压。‎ （2） 饱和汽压与温度的关系：温度升高，饱和汽的密度随着增大，饱和汽压也增大。‎ 注：水的饱和汽压指的只是空气中水蒸气的气压，与其他气体的压强无关。‎ 6. 空气的湿度 空气的湿度可通俗的理解为空气的潮湿程度，它有相对湿度和绝对湿度之分。‎ （1） 绝对湿度：空气中水蒸气的压强叫做空气的绝对湿度。‎ （2） 相对湿度：某温度时空气中水蒸气的压强与同一温度时水的饱和汽压之比叫做空气的相对湿度。相对湿度反映了空气的潮湿程度。‎ 7. 气体实验定律、理想气体状态方程（重中之重）‎ （1） 理想气体 ‎ 忽略分子间作用力，不考虑分子势能变化，在任何温度、任何压强下都遵从气体实验定律的气体叫做理想气体。实际气体在温度不太低、压强不太大时可当做理想气体处理。‎ ‎（2）三大气体实验定律 ‎①玻意耳定律(等温变化)：p1V1＝p2V2或pV＝C(常数)。‎ ‎②查理定律(等容变化)：＝或＝C(常数)。‎ ‎③盖—吕萨克定律(等压变化)：＝或＝C(常数)。‎ 一定质量的气体不同图像的比较：‎ 过程 类别 图线 特点 示例 等温过程 p V pV＝CT(其中C为恒量)，即pV之积越大的等温线温度越高，线离原点越远 p p＝CT，斜率k＝CT，即斜率越大，温度越高 等容过程 p T p＝T，斜率k＝，即斜率越大，体积越小 等压过程 V T V＝T，斜率k＝，即斜率越大，压强越小 （3） 理想气体状态方程 ‎ 内容：一定质量的理想气体，从状态1变到状态2时，尽管都可能改变，但压强跟体积的乘积与热力学温度的比值不变。‎ 公式：‎ ‎（4）几种常见情况的压强计算方法 液片法 选取假想的液体薄片(自身重力不计)为研究对象，分析液片两侧受力情况，建立平衡方程，消去面积，得到液片两侧压强相等方程，求得气体的压强 力平衡法 选取与气体接触的液柱(或活塞)为研究对象进行受力分析，得到液柱(或活塞)的受力平衡方程，求得气体的压强 等压面法 在连通器中，同一种液体(中间不间断)同一深度处压强相等。液体内深h处的总压强p＝p0＋ρgh，p0为液面上方的压强 ‎“牛二法”‎ 选取与气体接触的液柱(或活塞)为研究对象，进行受力分析，利用牛顿第二定律列方程求解。‎ ‎（5）利用气体实验定律解决问题的基本思路 考点三 热力学定律与能量守恒 1. 热力学定律 （1） 热力学第一定律 ‎①内容：外界对物体做的功与物体从外界吸收的热量之和等于物体内能的增量。‎ ‎②表达式：‎ ‎③符号规定 符号 做功W 吸放Q 内能变化ΔU ‎＋‎ 外界对物体做功 物体吸收热量 内能增加 ‎－‎ 物体对外界做功 物体放出热量 内能减少 三种特殊情况：‎ ‎①若过程是绝热的，则Q＝0，W＝ΔU，外界对物体做的功等于物体内能的增加。‎ ‎②若过程中不做功，即W＝0，则Q＝ΔU，物体吸收的热量等于物体内能的增加。‎ ‎③若过程的始末状态物体的内能不变，即ΔU＝0，则W＋Q＝0或W＝－Q，外界对物体做的功等于物体放出的热量。‎ 运用热力学第一定律分析问题时，一般要注意以下几个重点词：‎ ‎①理想气体：表示不考虑分子间作用力，不考虑分子势能的变化。温度升高，气体内能增大，温度降低，气体内能减小，即温度变化决定气体内能的变化。‎ ‎②体积的膨胀与压缩：体积膨胀表示气体对外做功；体积压缩表示外界对气体做功。‎ ‎③绝热：表示没有热传递，即。‎ ‎④导热性能良好：表示容器内外温度相等。‎ ‎⑤缓慢变化：表示一种动态的平衡，非绝热时，也可以理解为容器内外温度相等。‎ 做这类题一般是利用热力学第一定律与理想气体状态方程相结合解答。‎ （2） 热力学第二定律的两种表述 ‎①热量不能自发地从低温物体传到高温物体。‎ ‎②不可能从单一热库吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响。‎ 2. 能量守恒定律 （1） 内容：能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移过程中其总量保持不变。‎ （2） 条件性：能量守恒定律是自然界的普遍规律，某一种形式的能是否守恒是有条件的。例如，机械能守恒定律具有适用条件，而能量守恒定律是无条件的，是一切自然现象都遵守的基本规律。‎ 3. 两类永动机 （1） 第一类永动机：不消耗任何能量，却源源不断地对外做功的机器。‎ 违背能量守恒定律，因此不可能实现。‎ （2） 第二类永动机：从单一热库吸收热量并把它全部用来对外做功，而不引起其他变化的机器。 违背热力学第二定律，因此不可能实现。‎ 答案 P83‎ 专题热点突破提升练十六 ‎1．（多选）关于热力学定律，下列说法正确的是(　　)‎ ‎ A．气体吸热后温度一定升高 ‎ B．对气体做功可以改变其内能 ‎ C．理想气体等压膨胀过程一定放热 ‎ D．热量不可能自发地从低温物体传到高温物体 ‎ E．如果两个系统分别与状态确定的第三个系统达到热平衡，那么这两个系统彼此之间 ‎ 也必定达到热平衡 ‎2．（多选）一定量的理想气体从状态a开始，经历等温或等压过程ab、bc、cd、da回到原状态，其p－T图象如图所示，其中对角线ac的延长线过原点O。下列判断正确的是(　　)‎ ‎ A．气体在a、c两状态的体积相等 ‎ B．气体在状态a时的内能大于它在状态c时的内能 ‎ C．在过程cd中气体向外界放出的热量大于外界对气体做的功 ‎ D．在过程da中气体从外界吸收的热量小于气体对外界做的功 ‎ E．在过程bc中外界对气体做的功等于在过程da中气体对外界做的功 3． ‎（多选）关于气体的内能，下列说法正确的是(　　)‎ ‎ A．质量和温度都相同的气体，内能一定相同 ‎ B．气体温度不变，整体运动速度越大，其内能越大 ‎ C．气体被压缩时，内能可能不变 ‎ D．一定量的某种理想气体的内能只与温度有关 ‎ E．一定量的某种理想气体在等压膨胀过程中，内能一定增加 4． ‎（多选）下列说法正确的是(　　)‎ ‎ A．将一块晶体敲碎后，得到的小颗粒是非晶体 ‎ B．固体可以分为晶体和非晶体两类，有些晶体在不同方向上有不同的光学性质 ‎ C．由同种元素构成的固体，可能会由于原子的排列方式不同而成为不同的晶体 ‎ D．在合适的条件下，某些晶体可以转化为非晶体，某些非晶体也可以转化为晶体 ‎ E．在熔化过程中，晶体要吸收热量，但温度保持不变，内能也保持不变 5． ‎（多选）关于扩散现象，下列说法正确的是(　　)‎ ‎ A．温度越高，扩散进行得越快 ‎ B．扩散现象是不同物质间的一种化学反应 ‎ C．扩散现象是由物质分子无规则运动产生的 ‎ D．扩散现象在气体、液体和固体中都能发生 ‎ E．液体中的扩散现象是由于液体的对流形成的 6． ‎（多选）下列说法正确的是(　　)‎ ‎ A．悬浮在水中的花粉的布朗运动反映了花粉分子的热运动 ‎ B．空中的小雨滴呈球形是水的表面张力作用的结果 ‎ C．彩色液晶显示器利用了液晶的光学性质具有各向异性的特点 ‎ D．高原地区水的沸点较低，这是高原地区温度较低的缘故 ‎ E．干湿泡湿度计的湿泡显示的温度低于干泡显示的温度，这是湿泡外纱布中的水蒸发 ‎ 吸热的结果 ‎7．（多选）关于分子动理论的规律，下列说法正确的是(　　)‎ ‎ A．扩散现象说明物质分子在做永不停息的无规则运动 ‎ B．压缩气体时气体会表现出抗拒压缩的力是由于气体分子间存在斥力的缘故 ‎ C．两个分子距离减小时，分子间引力和斥力都在增大 ‎ D．如果两个系统分别与第三个系统达到热平衡，那么这两个系统彼此之间也必定处于 ‎ 热平衡，用来表征它们所具有的“共同热学性质”的物理量叫做内能 ‎ E．两个分子间的距离为r0时，分子势能最小 ‎8．（多选）对于分子动理论和物体内能的理解，下列说法正确的是(　　)‎ ‎ A．温度高的物体内能不一定大，但分子平均动能一定大 ‎ B．外界对物体做功，物体内能一定增加 ‎ C．温度越高，布朗运动越显著 ‎ D．当分子间的距离增大时，分子间作用力就一直减小 ‎ E．当分子间作用力表现为斥力时，随分子间距离的减小分子势能增大 ‎9．（多选）下列说法正确的是(　　)‎ ‎ A．物体的内能是物体所有分子的热运动的动能和分子间的势能之和 ‎ B．布朗运动就是液体分子或者气体分子的热运动 ‎ C．利用浅层海水和深层海水之间的温度差制造一种热机，将海水的一部分内能转化为 ‎ 机械能是可能的 ‎ D．气体分子间距离减小时，分子间斥力增大，引力减小 ‎ E．一定量的理想气体，在压强不变时，分子每秒对器壁单位面积平均碰撞次数随着温 ‎ 度降低而增加 ‎10．（多选）下列说法正确的是(　　)‎ ‎ A．显微镜下观察到墨水中的小炭粒在不停的作无规则运动，这反映了液体分子运动的 ‎ 无规则性 ‎ B．分子间的相互作用力随着分子间距离的增大，一定先减小后增大 ‎ C．分子势能随着分子间距离的增大，可能先减小后增大 ‎ D．在真空、高温条件下，可以利用分子扩散向半导体材料掺入其它元素 ‎ E．当温度升高时，物体内每一个分子热运动的速率一定都增大 ‎11．（多选）下列说法中正确的是(　　)‎ ‎ A．气体放出热量，其分子的平均动能可能增大 ‎ B．布朗运动不是液体分子的运动，但它可以说明分子在永不停息地做无规则运动 ‎ C．当分子力表现为斥力时，分子力和分子势能总是随分子间距离的减小而增大 ‎ D．第二类永动机不违反能量守恒定律，但违反了热力学第一定律 ‎ E．某气体的摩尔体积为V，每个分子的体积V0，则阿伏加德罗常数可表示为NA＝ ‎12. 如图所示，在两端封闭粗细均匀的竖直长管道内，用一可自由移动的活塞A封闭体积相等的两部分气体。开始时管道内气体温度都为T0＝500 K，下部分气体的压强p0＝1.25×105 Pa，活塞质量m＝0.25 kg，管道的内径横截面积S＝1 cm2。现保持管道下部分气体温度不变，上部分气体温度缓慢降至T，最终管道内上部分气体体积变为原来的，若不计活塞与管道壁间的摩擦，g取10 m/s2，求此时上部分气体的温度T。‎ ‎13．如图所示，长为31 cm、内径均匀的细玻璃管开口向上竖直放置，管内水银柱的上端正好与管口齐平，封闭气体的长为10 cm，外界大气压强不变。若把玻璃管在竖直平面内缓慢转至开口竖直向下，这时留在管内的水银柱长为15 cm，然后再缓慢转回到开口竖直向上，求：‎ ‎(1)大气压强p0的值；‎ ‎(2)玻璃管重新回到开口竖直向上时空气柱的长度。‎ ‎14.如图，一固定的竖直汽缸由一大一小两个同轴圆筒组成，两圆筒中各有一个活塞。已知大活塞的质量为m1＝2.50 kg，横截面积为S1＝80.0 cm2；小活塞的质量为m2＝1.50 kg，横截面积为S2＝40.0 cm2；两活塞用刚性轻杆连接，间距为l＝40.0 cm；汽缸外大气的压强为p＝1.00×105 Pa，温度为T＝303 K。初始时大活塞与大圆筒底部相距，两活塞间封闭气体的温度为T1＝495 K。现汽缸内气体温度缓慢下降，活塞缓慢下移。忽略两活塞与汽缸壁之间的摩擦，重力加速度大小g取 10 m/s2。求：‎ ‎(ⅰ)在大活塞与大圆筒底部接触前的瞬间，缸内封闭气体的温度；‎ ‎(ⅱ)缸内封闭的气体与缸外大气达到热平衡时，缸内封闭气体的压强。‎ ‎15．在水下气泡内空气的压强大于气泡表面外侧水的压强，两压强差Δp与气泡半径r之间的关系为Δp＝，其中σ＝0.070 N/m。现让水下10 m处一半径为0.50 cm的气泡缓慢上升，已知大气压强p0＝1.0×105 Pa，水的密度＝1.0×103 kg/m3，重力加速度大小g＝10 m/s2。‎ ‎(ⅰ)求在水下10 m处气泡内外的压强差；‎ ‎(ⅱ)忽略水温随水深的变化，在气泡上升到十分接近水面时，求气泡的半径与其原来半径之比的近似值。‎ ‎16. 一氧气瓶的容积为0.08 m3，开始时瓶中氧气的压强为20个大气压。某实验室每天消耗1个大气压的氧气0.36 m3。当氧气瓶中的压强降低到2个大气压时，需重新充气。若氧气的温度保持不变，求这瓶氧气重新充气前可供该实验室使用多少天。‎ ‎17．一U形玻璃管竖直放置，左端开口，右端封闭，左端上部有一光滑的轻活塞。初始时，管内汞柱及空气柱长度如图所示。用力向下缓慢推活塞，直至管内两边汞柱高度相等时为止。求此时右侧管内气体的压强和活塞向下移动的距离。已知玻璃管的横截面积处处相同；在活塞向下移动的过程中，没有发生气体泄漏；大气压强p0＝75.0 cmHg。环境温度不变。‎ ‎18．如图，一粗细均匀的U形管竖直放置，A侧上端封闭，B侧上端与大气相通，下端开口处开关K关闭；A侧空气柱的长度为l＝10.0 cm，B侧水银面比A侧的高h＝3.0 cm。现将开关K打开，从U形管中放出部分水银，当两侧水银面的高度差为h1＝10.0 cm时将开关K关闭。已知大气压强p0＝75.0 cmHg。‎ ‎(ⅰ)求放出部分水银后A侧空气柱的长度；‎ ‎(ⅱ)此后再向B侧注入水银，使A、B两侧的水银面达到同一高度，求注入的水银在管内的长度。‎