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- 2021-05-23 发布
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第一讲 分子动理论 气体及热力学定律——课前自测诊断卷
1.(2019·全国卷Ⅰ)某容器中的空气被光滑活塞封住,容器和活塞绝热性能良好,空
气可视为理想气体。初始时容器中空气的温度与外界相同,压强大于外界。现使活塞缓慢移
动,直至容器中的空气压强与外界相同。此时,容器中空气的温度________(填“高于”“低
于”或“等于”)外界温度,容器中空气的密度________(填“大于”“小于”或“等于”)
外界空气的密度。
解析:活塞光滑、容器绝热,容器内空气体积增大,对外做功,由ΔU=W+Q 知,气体
内能减少,温度降低。气体的压强与温度和单位体积内的分子数有关,由于容器内空气的温
度低于外界温度,但压强相同,则容器中空气的密度大于外界空气的密度。
答案:低于 大于
2.(2019·全国卷Ⅱ)如 pV 图所示,1、2、3 三个点代表某容器中
一定量理想气体的三个不同状态,对应的温度分别是 T1、T2、T3,用 N1、
N2、N3 分别表示这三个状态下气体分子在单位时间内撞击容器壁上单位
面积的平均次数,则 N1________N2,T1________T3,N2________N3。(填“大
于”“小于”或“等于”)
解析:根据理想气体状态方程p1′V1′
T1
=p2′V2′
T2
=p3′V3′
T3
,可知 T1>T2,T2T2,状态 1 时气体分子热运动的平均动能大,热运动的平均速率大,分子密度相等,
故单位面积的平均碰撞次数多,即 N1>N2;对于状态 2、3,由于 V3′>V2′,故分子密度 n3T2,故状态 3 分子热运动的平均动能大,热运动的平均速率大,而且 p2′=p3′,因此状
态 2 单位面积的平均碰撞次数多,即 N2>N3。
答案:大于 等于 大于
3.(2019·全国卷Ⅲ)用油膜法估算分子大小的实验中,首先需将纯油酸稀释成一定浓
度的油酸酒精溶液,稀释的目的是________________________________________________。
实验中为了测量出一滴已知浓度的油酸酒精溶液中纯油酸的体积,可以________________
______________________。为得到油酸分子的直径,还需测量的物理量是____________。
解析:用油膜法估测分子直径时,需使油酸在水面上形成单分子层油膜,为使油酸尽可
能地散开,将油酸用酒精稀释。根据 V=Sd,要求得分子的直径 d,则需要测出油膜面积,
以及一滴油酸酒精溶液中纯油酸的体积。这样需要测出一滴油酸酒精溶液的体积,其方法可
用累积法,即 1 mL 油酸酒精溶液的滴数。
答案:使油酸在浅盘的水面上容易形成一块单分子层油膜 把油酸酒精溶液一滴一滴地
滴入小量筒中,测出 1 mL 油酸酒精溶液的滴数,得到一滴溶液中纯油酸的体积 单分子层
油膜的面积
4.(2018·全国卷Ⅲ)如图,一定量的理想气体从状态 a 变化到状态
2
b,其过程如 pV 图中从 a 到 b 的直线所示。在此过程中________。
A.气体温度一直降低
B.气体内能一直增加
C.气体一直对外做功
D.气体一直从外界吸热
E.气体吸收的热量一直全部用于对外做功
解析:选 BCD 由理想气体的状态方程pV
T
=C 知,从 a 到 b 气体温度一直升高,故 A 错
误。一定质量的理想气体的内能由温度决定,可知气体内能一直增加,故 B 正确。气体体积
逐渐膨胀,一直对外做功,故 C 正确。根据热力学第一定律可知,气体一直从外界吸热,吸
收的热量一部分用来对外做功,一部分用来增加气体的内能,故 D 正确,E 错误。
5.(2018·全国卷Ⅰ)如图,一定质量的理想气体从状态 a 开始,
经历过程①、②、③、④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
E.状态 d 的压强比状态 b 的压强小
解析:选 BDE 过程①中,气体体积 V 不变、温度 T 升高,则压强增
大,故 A 错误。过程②中,气体体积 V 变大,对外界做功,故 B 正确。过
程④中,气体温度 T 降低,内能减小,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,故 C 错误。状态 c、
d 温度相同,所以内能相等,故 D 正确。分别作出状态 b、c、d 的等压线,分析可得 pb>pc
>pd,故 E 正确。
6.(2018·全国卷Ⅱ)对于实际的气体,下列说法正确的是________。
A.气体的内能包括气体分子的重力势能
B.气体的内能包括气体分子之间相互作用的势能
C.气体的内能包括气体整体运动的动能
D.气体的体积变化时,其内能可能不变
E.气体的内能包括气体分子热运动的动能
解析:选 BDE 气体分子的重力势能和气体整体运动的动能都属于机械能,不是气体的
内能,故 A、C 错误;实际气体的内能包括气体的分子动能和分子势能两部分,故 B、E 正确;
气体体积变化时,分子势能发生变化,气体温度也可能发生变化,则分子势能与分子动能之
3
和可能不变,故 D 正确。
7.(2019·全国卷Ⅲ)如图,一粗细均匀的细管开口向上竖直放置,管内
有一段高度为 2.0 cm 的水银柱,水银柱下密封了一定量的理想气体,水银
柱上表面到管口的距离为 2.0 cm。若将细管倒置,水银柱下表面恰好位于
管口处,且无水银滴落,管内气体温度与环境温度相同。已知大气压强为
76 cmHg,环境温度为 296 K。
(1)求细管的长度;
(2)若在倒置前,缓慢加热管内被密封的气体,直到水银柱的上表面恰好与管口平齐为
止,求此时密封气体的温度。
解析:(1)设细管的长度为 L,横截面的面积为 S,水银柱高度为 h;初始时,设水银柱
上表面到管口的距离为 h1,被密封气体的体积为 V,压强为 p;细管倒置时,气体体积为 V1,
压强为 p1。由玻意耳定律有 pV=p1V1①
由力的平衡条件有 p=p0+ρgh ②
p1=p0-ρgh ③
式中,ρ、g 分别为水银的密度和重力加速度的大小,p0 为大气压强。
由题意有 V=S(L-h1-h) ④
V1=S(L-h) ⑤
由①②③④⑤式和题给条件得 L=41 cm。⑥
(2)设气体被加热前后的温度分别为 T0 和 T,由盖—吕萨克定律有V
T0
=V1
T
⑦
由④⑤⑥⑦式和题给数据得 T=312 K。⑧
答案:(1)41 cm (2)312 K
8.(2019·全国卷Ⅰ)热等静压设备广泛应用于材料加工中。该设备工作时,先在室温
下把惰性气体用压缩机压入到一个预抽真空的炉腔中,然后炉腔升温,利用高温高气压环境
对放入炉腔中的材料加工处理,改善其性能。一台热等静压设备的炉腔中某次放入固体材料
后剩余的容积为 0.13 m3,炉腔抽真空后,在室温下用压缩机将 10 瓶氩气压入到炉腔中。已
知每瓶氩气的容积为 3.2×10-2 m3,使用前瓶中气体压强为 1.5×107 Pa,使用后瓶中剩余
气体压强为 2.0×106 Pa;室温温度为 27 ℃。氩气可视为理想气体。
(1)求压入氩气后炉腔中气体在室温下的压强;
(2)将压入氩气后的炉腔加热到 1 227 ℃,求此时炉腔中气体的压强。
解析:(1)设初始时每瓶气体的体积为 V0,压强为 p0;使用后气瓶中剩余气体的压强为
p1。假设体积为 V0、压强为 p0 的气体压强变为 p1 时,其体积膨胀为 V1。由玻意耳定律
p0V0=p1V1①
被压入炉腔的气体在室温和 p1 条件下的体积为
4
V1′=V1-V0②
设 10 瓶气体压入完成后炉腔中气体的压强为 p2,体积为 V2。由玻意耳定律
p2V2=10p1V1′③
联立①②③式并代入题给数据得
p2=3.2×107 Pa。④
(2)设加热前炉腔的温度为 T0,加热后炉腔温度为 T1,气体压强为 p3。由查理定律
p3
T1
=p2
T0
⑤
联立④⑤式并代入题给数据得
p3=1.6×108 Pa。⑥
答案:(1)3.2×107 Pa (2)1.6×108 Pa
9.(2019·全国卷Ⅱ)如图,一容器由横截面积分别为 2S 和 S 的两个汽缸连通而成,容
器平放在水平地面上,汽缸内壁光滑。整个容器被通过刚性杆连接的两活塞分隔成三部分,
分别充有氢气、空气和氮气。平衡时,氮气的压强和体积分别为 p0 和 V0,氢气的体积为 2V0,
空气的压强为 p。现缓慢地将中部的空气全部抽出,抽气过程中氢气和氮气的温度保持不变,
活塞没有到达两汽缸的连接处。求:
(1)抽气前氢气的压强;
(2)抽气后氢气的压强和体积。
解析:(1)设抽气前氢气的压强为 p10,根据力的平衡条件得
(p10-p)·2S=(p0-p)S①
得 p10=1
2
(p0+p)。②
(2)设抽气后氢气的压强和体积分别为 p1 和 V1,氮气的压强和体积分别为 p2 和 V2。根据
力的平衡条件有
p2·S=p1·2S③
由玻意耳定律得 p1V1=p10·2V0④
p2V2=p0V0⑤
由于两活塞用刚性杆连接,故
V1-2V0=2(V0-V2)⑥
联立②③④⑤⑥式解得 p1=1
2
p0+1
4
p⑦
5
V1=4p0+pV0
2p0+p
。⑧
答案:(1)1
2
(p0+p) (2)1
2
p0+1
4
p 4p0+pV0
2p0+p
10.(2018·全国卷Ⅰ)如图,容积为 V 的汽缸由导热材料制成,面积
为 S 的活塞将汽缸分成容积相等的上下两部分,汽缸上部通过细管与装有
某种液体的容器相连,细管上有一阀门 K。开始时,K 关闭,汽缸内上下
两部分气体的压强均为 p0。现将 K 打开,容器内的液体缓慢地流入汽缸,
当流入的液体体积为V
8
时,将 K 关闭,活塞平衡时其下方气体的体积减小
了V
6
。不计活塞的质量和体积,外界温度保持不变,重力加速度大小为 g。求流入汽缸内液
体的质量。
解析:设活塞再次平衡后,活塞上方气体的体积为 V1,压强为 p1;活塞下方气体的体积
为 V2,压强为 p2。在活塞下移的过程中,活塞上、下方气体的温度均保持不
变,由玻意耳定律得
p0
V
2
=p1V1
p0
V
2
=p2V2
由已知条件得
V1=V
2
+V
6
-V
8
=13
24
V
V2=V
2
-V
6
=V
3
设活塞上方液体的质量为 m,由力的平衡条件得
p2S=p1S+mg
联立以上各式得
m=15p0S
26g
。
答案:15p0S
26g