专题11 问鼎高考，热学我懂-高考物理必备知识一本通 12页

1 专题十一：问鼎高考，热学我懂 必备知识 一、分子动理论 1．两种分子模型： (1)球体模型(适用于固体、液体)：一个分子体积 V0= π( )3= πd3，d 为分子的直径。 (2)立方体模型(适用于气体)：一个分子占据的平均空间 V0=d3，d 为分子的间距。 2．宏观量与微观量的相互关系 (1)微观量：分子体积 V0、分子直径 d、分子质量 m0 等。 (2)宏观量：物体的体积 V、密度ρ、质量 m、摩尔质量 M、摩尔体积 Vmol、物质的量 n 等。 (3)相互关系： ①一个分子的质量：m0＝ M NA ＝ρVmol NA 。 ②一个分子的体积：V0＝Vmol NA ＝ M ρNA (估算固体、液体分子的体积或气体分子所占空间体积)。 ③物体所含的分子数：N＝n·NA＝m M·NA＝ V Vmol ·NA。 3. 扩散现象、布朗运动与热运动的比较 现象 扩散现象 布朗运动 热运动 活动 主体 分子 微小固体颗粒 分子 2 区别 分子的运动发生在固体、液 体、气体任何两种物质之间 比分子大得多的微粒的运动 只能在液体、气体中发生 分子的运动，不能通过光学 显微镜直接观察到 共同点 ①都是无规则运动； ②都随温度的升高而更加激烈 联系 扩散现象、布朗运动都反映分子做无规则的热运动 4．分子间同时存在引力和斥力 (1)物质分子间存在空隙，分子间的引力和斥力是同时存在的，实际表现出的分子力是引力和斥力的合力。 (2)分子力随分子间距离变化的关系：分子间的引力和斥力都随分子间距离的增大而减小，随分子间距离的 减小而增大，但斥力比引力变化得快。 5.气体的分子动理论 (1)气体分子间的作用力：气体分子之间的距离远大于分子直径，气体分子之间的作用力十分微弱，可以忽 略不计，气体分子间除碰撞外无相互作用力。 (2)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)气体分子的运动方向：气体分子的运动时杂乱无章的，但向各个方向运动的机会均等。 (4)气体分子的运动与温度的关系：温度一定时，某种气体分子的速率分布是确定的，速率的平均值也是确 定的，温度升高，气体分子的平均速率增大，但不是每个分子的速率都增大。 二、内能 1．分子的动能：(1)分子动能是分子热运动所具有的动能。(2)分子热运动的平均动能是所有分子热运动动能 的平均值，温度是分子热运动的平均动能的标志。(3)分子热运动的总动能是物体内所有分子热运动动能的 总和。 2．分子的势能 (1)意义：由于分子间存在着引力和斥力，所以分子具有由它们的相对位置决定的能。 (2)分子势能的决定因素 ①微观上：决定于分子间距离和分子排列情况；②宏观上：决定于体积和状态。 (3)判断分子势能变化的两种方法： ①根据分子力做功判断。分子力做正功，分子势能减小；分子力做负功，分子势能增加； ②利用分子势能与分子间距离的关系图线判断。但要注意此图线和分子力与分子间距离的关系图线形状虽 然相似但意义不同，不要混淆。 3.分子力和分子势能随分子间距变化的规律如下： 3 项目 分子力 F 分子势能 Ep 随分子间 距变化图象 (r0 ：10-10 m) 随分 子间 距的 变化 情况 rr0 F 引和 F 斥都随距离的增大而减小，随 距离的减小而增大，F 引>F 斥，F 表现 为引力 r 增大，分子力做负功，分子势能增 加；r 减小，分子力做正功，分子势 能减小 r=r0 F 引=F 斥，F=0 分子势能最小，但不为零 r>10r0 F 引和 F 斥都已十分微弱，可以认为 F=0 分子势能为零 4．物体的内能 (1)定义：物体中所有分子热运动的动能和分子势能的总和，是状态量。 (2)决定因素：对于给定的物体，其内能大小由物体的温度和体积决定，即由物体内部状态决定。 (3)影响因素：物体的内能与物体的位置高低、运动速度大小无关。 (4)改变物体内能的两种方式：做功和热传递。 (5)分析物体内能问题的四点提醒 ○1 内能是对物体的大量分子而言的，不存在某个分子内能的说法。 ○2 决定内能大小的因素为温度、体积、物质的量以及物质状态。 ○3 通过做功或热传递可以改变物体的内能。 ○4 温度是分子平均动能的标志，相同温度的任何物体，分子的平均动能相同。 关键能力 1.（2017·全国高考真题）氧气分子在 0 ℃和 100 ℃温度下单位速率间隔的分子数占总分子数的百分比随气 体分子速率的变化分别如图中两条曲线所示．下列说法正确的是（ ） 4 A．图中两条曲线下面积相等 B．图中虚线对应于氧气分子平均动能较小的情形 C．图中实线对应于氧气分子在 100 ℃时的情形 D．图中曲线给出了任意速率区间的氧气分子数目 E.与 0 ℃时相比，100 ℃时氧气分子速率出现在 0～400 m/s 区间内的分子数占总分子数的百分比较大 【答案】ABC 【解析】A. 由题图可知，在 0℃和 100℃两种不同情况下各速率区间的分子数占总分子数的百分比与分子 速率间的关系图线与横轴所围面积都应该等于 1，即相等；故 A 项符合题意. B 温度是分子平均动能的标志，温度越高，分子的平均动能越大，虚线为氧气分子在 0 ℃时的情形，分子 平均动能较小，则 B 项符合题意. C. 实线对应的最大比例的速率区间内分子动能大，说明实验对应的温度大，故为 100℃时的情形，故 C 项 符合题意. D. 图中曲线给出了任意速率区间的氧气分子占据的比例，但无法确定分子具体数目；故 D 项不合题意 E.由图可知，0～400 m/s 段内，100℃对应的占据的比例均小于与 0℃时所占据的比值，因此 100℃时氧气分 子速率出现在 0～400m/s 区间内的分子数占总分子数的百分比较小；则 E 项不合题意。 2.（2019·北京高考真题）下列说法正确的是（ ） A．温度标志着物体内大量分子热运动的剧烈程度 B．内能是物体中所有分子热运动所具有的动能的总和 C．气体压强仅与气体分子的平均动能有关 D．气体膨胀对外做功且温度降低，分子的平均动能可能不变 【答案】A 【解析】根据温度是分子平均动能的标志确定气体分子热运动的程度和分子平均动能变化，内能是分子平 均动能和分子势总和，由气体压强宏观表现确定压强。 A．温度是分子平均动能的标志，所以温度标志着物体内大量分子热运动的剧烈程度，故 A 正确； 5 B．内能是物体中所有分子热运动所具有的动能和分子势能之和，故 B 错误； C．由压强公式 PV nRT 可知，气体压强除与分子平均动能（温度）有关，还与体积有关，故 C 错误； D．温度是分子平均动能的标志，所以温度降低，分子平均动能一定变小，故 D 错误 必备知识 1．晶体与非晶体 分类 比较 晶 体 非晶体 单晶体 多晶体 外 形 规则 不规则 不规则 熔 点 确定 确定 不确定 物理性质 各向异性 各向同性 各向同性 原子排列 有规则 晶粒的排列无规则 无规则 转 化 晶体和非晶体在一定条件下可以相互转化 典型物质 石英、云母、明矾、食盐 玻璃、橡胶 晶体和非晶体的理解： (1)凡是具有确定熔点的物体必定是晶体，反之，必是非晶体。 (2)凡是具有各向异性的物体必定是晶体，且是单晶体。 (3)单晶体具有各向异性，但不是在各种物理性质上都表现出各向异性。 (4)晶体和非晶体在一定条件下可以相互转化。 2．液晶 (1)液晶分子既保持排列有序而显示各向异性，又可以自由移动位置，保持了液体的流动性。 (2)液晶分子的位置无序使它像液体，排列有序使它像晶体。 (3)液晶分子的排列从某个方向看比较整齐，而从另外一个方向看则是杂乱无章的。 二、液体的表面张力 1．作用：液体的表面张力使液面具有收缩到表面积最小的趋势。 2．方向：表面张力跟液面相切，且跟这部分液面的分界线垂直。 3．大小：液体的温度越高，表面张力越小；液体中溶有杂质时，表面张力变小；液体的密度越大，表面张 力越大。 4.毛细现象：指浸润液体在细管中上升的现象，以及不浸润液体在细管中下降的现象，毛细管越细，毛细现 象越明显。 三、饱和汽、饱和汽压和相对湿度 1．饱和汽与未饱和汽 (1)饱和汽：与液体处于动态平衡的蒸汽。(2)未饱和汽：没有达到饱和状态的蒸汽。 2．饱和汽压 6 (1)定义：饱和汽所具有的压强。 (2)特点：液体的饱和汽压与温度有关，温度越高，饱和汽压越大，且饱和汽压与饱和汽的体积无关。 3．相对湿度：空气中水蒸气的压强与同一温度时水的饱和汽压之比。 即：相对湿度＝ 水蒸气的实际压强 同温度水的饱和汽压 。 关键能力 1．（2018·江苏省高考真题）如图所示，一支温度计的玻璃泡外包着纱布，纱布的下端浸在水中．纱布中的 水在蒸发时带走热量，使温度计示数低于周围空气温度．当空气温度不变，若一段时间后发现该温度计示 数减小，则（ ） A．空气的相对湿度减小 B．空气中水蒸汽的压强增大 C．空气中水的饱和气压减小 D．空气中水的饱和气压增大 【答案】A 【解析】 温度计示数减小说明蒸发加快，空气中水蒸汽的压强减小，选项 B 错误；因空气的饱和气压只与温度有关， 空气温度不变，所以饱和气压不变，选项 C、D 错误；根据相对湿度的定义，空气的相对湿度减小，选项 A 正确． 点睛：本题考查湿度温度计的原理、分子速率分布的特点和热力学第一定律，解题的关键是要理解热力学 的基本概念、弄清热力学第一定律各物理量的含义，注意气体等压变化过程中（C→A）应用W P V  计 算外界对气体做的功． 2．（2015·江苏省高考真题）对下列几种固体物质的认识，正确的有( ) A．食盐熔化过程中，温度保持不变，说明食盐是晶体 B．烧热的针尖接触涂有蜂蜡薄层的云母片背面，熔化的蜂蜡呈椭圆形，说明蜂蜡是晶体 C．天然石英表现为各向异性，是由于该物质的微粒在空间的排列不规则 7 D．石墨和金刚石的物理性质不同，是由于组成它们的物质微粒排列结构不同 【答案】AD 【解析】A、食盐熔化过程中，温度保持不变，即熔点一定，说明食盐是晶体．故 A 正确． B、烧热的针尖接触涂有蜂蜡薄层的云母片背面，熔化的蜂蜡呈椭圆形，只能说明云母片是晶体．故 B 错误． C、天然石英表现为各向异性，是由于该物质的微粒在空间的排列规则．故 C 错误． D、石墨和金刚石组成它们的化学元素是相同的，都是碳原子，它们的物理性质不同，是由于碳原子排列结 构不同造成的，故 D 正确。 必备知识 1．气体压强 (1)产生的原因 由于大量气体分子无规则运动而碰撞器壁，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)决定因素 ①宏观上：决定于气体的温度和体积。 ②微观上：决定于分子的平均动能和分子的密集程度。 2．理想气体 (1)宏观上讲，理想气体是指在任何温度、任何压强下都遵从气体实验定律的气体，实际气体在压强不太大、 温度不太低的条件下，可视为理想气体。 (2)微观上讲，理想气体的分子间除碰撞外无其他作用力，所以理想气体无分子势能。 3．气体实验定律：一定质量的气体不同图像的比较 等温变化 等容变化 等压变化 图像 p -V 图像 p -1 V 图像 p -T 图像 V -T 图像 特点 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＝CT1 V ，斜率 k ＝CT，即斜率越 大，温度越高 p＝C VT，斜率 k＝C V ， 即斜率越大，体积 越小 V＝C pT，斜率 k＝C p ， 即斜率越大，压强 越小 4．理想气体的状态方程 一定质量的理想气体的状态方程：p1V1 T1 ＝p2V2 T2 或pV T ＝C。 8 5.封闭气体压强的计算方法 (1)“活塞模型” 求活塞封闭的气体压强时，一般以活塞为研究对象(有时取汽缸为研究对象)，分析它受到的气体压力及 其他各力，列出受力的平衡方程，求解压强。 如图所示，活塞静止于光滑的汽缸中，活塞质量为 m，面积为 S，被封闭气体的压强为 p，大气压强为 p0，活塞受力如图所示，由平衡条件得 pS＝p0S＋mg，解得 p＝p0＋mg S 。 (2)“液柱模型”：求液柱封闭的气体压强时，一般以液柱为研究对象分析受力、列平衡方程，要注意： ①液体因重力产生的压强大小为 p＝ρgh(其中 h 为至液面的竖直高度)； ②不要漏掉大气压强，同时又要尽可能平衡掉某些大气的压力； ③有时直接应用连通器原理——连通器内静止的液体，同种液体在同一水平面上各处压强相等； ④当液体为水银时，可灵活应用压强单位“cmHg”等，使计算过程简洁 6. 变质量问题类型与处理方法： (1)打气问题：选择原有气体和即将充入的气体作为研究对象，就可把充气过程中气体质量变化问题转化为 定质量气体的状态变化问题。 (2)抽气问题：将每次抽气过程中抽出的气体和剩余气体作为研究对象，质量不变，故抽气过程可以看成是 等温膨胀过程。 (3)灌气问题：把大容器中的剩余气体和多个小容器中的气体整体作为研究对象，可将变质量问题转化为定 质量问题。 (4)漏气问题：选容器内剩余气体和漏出气体整体作为研究对象，便可使问题变成一定质量气体的状态变化， 可用理想气体的状态方程求解。 关键能力 1.（2010·上海高考真题）一定质量理想气体的状态经历了如图所示的 ab 、bc 、cd 、da 四个过程，其中bc 9 的延长线通过原点， cd 垂直于 ab 且与水平轴平行， da 与bc 平行，则气体体积在（ ） A． ab 过程中不断增加 B．bc 过程中保持不变 C． cd 过程中不断增加 D． da 过程中保持不变 【答案】AB 【解析】首先，因为bc 的延长线通过原点，所以bc 是等容线，即气体体积在 bc 过程中保持不变，B 正确； ab 是等温线，压强减小则体积增大，A 正确； cd 是等压线，温度降低则体积减小，C 错误；连接 ao 交 cd 于 e，则 ae 是等容线，即 ，因为 ，所以 ，所以 da 过程中体积不是保持不变，D 错误；本题选 AB。 2.（2015·上海高考真题）如图，长为 h 的水银柱将上端封闭的玻璃管内气体分割成两部分，A 处管内外水 银面相平．将玻璃管缓慢向上提升 H 高度（管下端未离开水银面），上下两部分气体的压强发生变化分别为 1p 和 2p ，体积变化分别为 1V 和 2V ．已知水银密度为  ，玻璃管截面积为 S，则（ ） A． 2p 一定等于 1p B． 2V 一定等于 1V C． 2p 与 1p 之差为 gh D． 2V 与 1V 之和为 HS 【答案】A 【解析】当玻璃管缓慢向上提升 H 高度时，气体的体积变大，压强变小，有部分水银进入玻璃管，也就是 管中的水银面会比管外的水银面高，设高度差为 ，初状态上面气体的压强 ，末状态上面 气体的压强 ，所以 ，同理可求出 ，故 A 正确，C 错误； 10 由玻意耳定律得 ，所以气体的变化 ，同理可求出 ，故 B 错误；因为有水银进入玻璃管内，所以 与 之和小于 HS，故 D 错误 必备知识 一、热力学第一定律 1．改变物体内能的两种方式 (1)做功；(2)热传递。 2．热力学第一定律 (1)内容：一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的和。 (2)表达式：ΔU＝Q＋W。 3．ΔU＝W＋Q 中正、负号法则 物理量 W Q 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 4．对热力学第一定律的理解 (1)做功和热传递在改变系统内能上是等效的。 (2)做功过程是系统与外界之间的其他形式能量与内能的相互转化。 (3)热传递过程是系统与外界之间内能的转移。 5．热力学第一定律的三种特殊情况 (1)绝热过程：Q＝0，W＝ΔU，外界对物体做的功等于物体内能的增加。 (2)不做功的过程：W＝0，Q＝ΔU，物体吸收的热量等于物体内能的增加。 (3)内能不变的过程：W＋Q＝0，即物体吸收的热量全部用来对外做功，或外界对物体做的功等于物体放出 的热量。 二、热力学第二定律及微观意义 1．热力学第二定律的两种表述 (1)克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传到高温物体。 (2)开尔文表述：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。或表述为“第二类永动 机是不可能制成的。” 2．用熵的概念表示热力学第二定律 在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小(选填“增大”或“减小”)。 3．热力学第二定律的微观意义 一切自发过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行。 三、能量守恒定律和两类永动机 11 1．能量守恒定律 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，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变。 2．两类永动机 (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：从单一热源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，不可能实现。 关键能力 1.（2010·全国高考真题）如图所示，一绝热容器被隔板 K 隔开 a、b 两部分．已知 a 内有一定量的稀薄气体， b 内为真空．抽开隔板 K 后，a 内气体进入 b，最终达到平衡状态，在此过程中( ) A．气体对外界做功，内能减少 B．气体不做功，内能不变 C．气体压强变小，温度降低 D．气体压强变小，温度不变 【答案】BD 【解析】试题分析：因 b 内为真空，所以抽开隔板后，a 内气体可以“自发”进入 b，气体不做功．又因容器 绝热，不与外界发生热量传递，根据热力学第一定律可以判断其内能不变，温度不变．由理想气体状态方 程可知：气体体积增大，温度不变，压强必然变小，综上可判断 B、D 项正确． A、绝热容器内的稀薄气体与外界没有热传递，Q=0，因而 A 错误； B、稀薄气体向真空扩散没有做功，W=0，因而 B 正确； C、根据热力学第一定律稀薄气体的内能不变，则温度不变，因而 C 错误； D、稀薄气体扩散体积增大，压强必然减小，D 正确； 故选 BD． 2.（2019·江苏省高考真题）如图所示，一定质量理想气体经历 A→B 的等压过程，B→C 的绝热过程（气体 与外界无热量交换），其中 B→C 过程中内能减少 900J．求 A→B→C 过程中气体对外界做的总功。 12 【答案】W=1500J 【解析】由题意可知， A B 过程为等压膨胀，所以气体对外做功为：  1 B AW P V V   B C 过程：由热力学第一定律得： 2W U  则气体对外界做的总功为：  1 2W W W   代入数据解得： 1500JW 