高中物理 第4章 气体 第2节 气体实验定律的微观解释知识导航素材 鲁科版选修3-3（通用） 6页

第2节 气体实验定律的微观解释 ‎ 思维激活 把小皮球拿到火炉上面烘一下，它就会变得更硬一些（假设忽略球的体积的变化）.你有这种体验吗？你怎样解释这种现象？‎ 提示：皮球内单位体积的气体分子数没发生变化，把小球拿到火上烘烤，意味着球内气体分子的平均动能变大，故气体的压强增大，球变得比原来会更硬.‎ 自主整理 一、理想气体 从宏观上看，严格遵守3个实验定律的气体叫做____________.从微观角度看，理想气体分子可看成没有大小的质点，分子间除了碰撞外，分子间既无引力又无斥力，分子势能为____________，其内能只是所有分子热运动动能的总和.‎ 理想气体的内能只与气体的____________有关，而与气体____________无关.‎ 二、对气体实验定律的微观解释 ‎1.玻意耳定律 一定质量的气体，温度保持不变时，分子的____________是一定的.在这种情况下，体积减小时，分子的____________增大，气体的____________就增大.‎ ‎2.查理定律 一定质量的气体，体积保持不变时，分子的____________保持不变.在这种情况下，温度升高时，分子的平均动能____________，气体的压强就____________.‎ ‎3.盖·吕萨克定律 一定质量的气体，温度升高时，分子的平均动能____________.只有气体的体积同时____________，使分子的密集程度____________，才能保持压强____________.‎ 高手笔记 压强取决于两个微观因素，一是单位体积内的分子数，另一个是分子的平均动能.对于质量一定的气体，两个微观因素分别对应两个宏观物理量：单位体积的分子数的变化由体积反映出来；分子平均动能大小的变化由气体的温度反映出来.一定质量气体的状态变化规律都可以从这两个宏观因素对压强的影响得到解释.‎ 总之，从微观上看，气体压强的大小跟两个因素有关：一是气体分子的平均动能，另一个单位体积内的分子数（即分子密集程度）.从宏观上看，气体压强与温度和体积有关.‎ 名师解惑 大气压强的实质 剖析：大气压强的实质，是大量做无规则运动的空气分子之间或与器壁之间不断碰撞而产生的.由于空气分子向各个方向碰撞的几率相等，所以就大气中的某一点而言，向着各个方向的大气压强也都相等.根据分子运动论，我们可得出该点的压强与单位体积内的气体分子数，和分子的平均动能.由于气体分子的平均动能与气体的绝对温度成正比，当温度不变时，气体的压强只与单位体积内的分子数成正比，至于说大气压强随高度的变化，那主要是由于重力的影响使大气中空气分子的分布上疏下密所造成的，如果温度不变，大气压强将随高度的增加而按指数规律递减.‎ 有人会问，既然大气压强的实质是因大量空气分子相互碰撞而产生的，那么大气压强的值与大气的重力有何关系呢？也就是说，我们从空气具有重力出发所得到的大气压强值，与从大量空气分子相互碰撞而得出的大气压强值是否相等呢？我们设想在大气中分割出一个竖直的空气柱，它的横截面积是从它的上端直达大气顶，然后我们来看大气中其他空气分子对这个空气柱的作用.这个空气柱的上端已无空气，也就没有空气分子的碰撞，所以它上端面的压力为零.这个空气柱的前后、左右四个面所受的水平方向的压力又都是相互对称，彼此平衡，相互抵消，唯独它的底面受到别的大量空气分子的向上碰撞，因而产生了对底面的向上的压强p，使底面受到竖直向上的压力F=pS.同时因空气具有重力，这样该空气柱在竖直方向上就只受底面向上的压力F=p·S和自重G，而现在大气能保持静止状态，则p·S=G，由此得p=G/S，这就说明了从上述两方面所得到的压强是相等的.这也就是我们能用与液体类比的方式讲大气压强产生的道理.‎ 讲练互动 ‎【例1】 对一定质量的气体，下列说法正确的是（ ）‎ A.压强增大，体积增大，分子的平均动能一定增大 B.压强减小，体积减小，分子的平均动能一定增大 C.压强减小，体积增大，分子的平均动能一定增大 D.压强增大，体积减小，分子的平均动能一定增大 解析：体积增大，分子密集程度减小，单位时间对器壁碰撞次数减少，压强增大，说明分子对单位面积器壁的作用力增大，这说明分子的平均动能增大，选项A是正确的，选项B错误.在C、D两种说法中，分子的平均动能都不能确定是增大还是减小.‎ 综上所述，正确选项为A.‎ 答案：A 绿色通道 温度是分子平均动能的大小的标志.可由理想气体状态方程=C（常量）进行判断T的变化.‎ 变式训练 ‎1．对于一定质量的气体，当它们的压强和体积发生变化时，以下说法正确的是（ ）‎ A.压强和体积都增大时，其分子平均动能不可能不变 B.压强和体积都增大时，其分子平均动能有可能减小 C.压强增大，体积减小时，其分子平均动能一定不变 D.压强减小，体积增大时，其分子平均动能可能增大 答案：AD ‎【例2】 对一定质量的理想气体，下列说法正确的是（ ）‎ A.体积不变，压强增大时，气体分子的平均动能一定增大 B.温度不变，压强减小时，气体的密度一定减小 C.压强不变，温度降低时，气体的密度一定减小 D.温度升高，压强和体积都可能不变 解析：根据气体压强、体积、温度的关系可知，体积不变，压强增大时，气体分子的平均动能一定增大，选项A正确.温度不变，压强减小时，气体体积增大，气体的密度减小，压强不变，温度降低时，体积减小，气体密度增大，温度升高，压强、体积中至少有一个发生改变.‎ 综上所述，正确选项为A、B.‎ 答案：AB 绿色通道 对于这类定性判断的问题可从两个途径进行分析：一是从微观角度分析；二是从理想气体状态方程分析.‎ 变式训练 ‎2．封闭在容积不变的容器中的气体，当温度升高时，则气体的（ ）‎ A.分子的平均速率增大 B.气体对器壁的压强变大 C.分子的平均速率减小 D.气体对器壁的压强变小 答案：AB ‎【例3】 对于一定质量的气体，下列四个论述中正确的是（ ）‎ A.当分子热运动变剧烈时，压强必变大 B.当分子热运动变剧烈时，压强可以不变 C.当分子间的平均距离变大时，压强必变小 D.当分子间的平均距离变大时，压强必变大 解析：当分子的热运动变剧烈时，分子的平均动能变大，使气体产生的压强有增大的趋势；如果同时气体的体积也增大，这将使分子的密集程度减小，使气体的压强有减小的趋势.因此，只告诉分子的热运动变剧烈这一条件，气体的压强是变大、变小还是不变是不确定的.同理，当分子间的平均距离变大时，分子的密集程度减小，使气体的压强有减小的趋势；若同时气体的温度升高，分子的平均动能增大，使气体的压强有增大的趋势.显然在只知道分子间的平均距离增大的情况下，无法确定压强的变化结果.故本题正确选项为B.‎ 答案：B 绿色通道 气体压强的变化取决于两个因素，若认为两个因素之一发生变化，压强就会发生变化，就会错选答案.所以深刻地理解决定气体压强的微观因素是解决该题的前提条件.‎ 变式训练 ‎3．对一定质量的理想气体，用p、V、T分别表示其压强、体积和温度，则有（ ）‎ A.若T不变，p增大，则分子热运动的平均动能增大 B.若p不变，V增大，则分子热运动的平均动能减小 C.若p不变，T增大，则单位体积中的分子数减小 D.若V不变，p减小，则单位体积中的分子数减小 答案：C 体验探究 ‎【问题】为什么实际气体不能严格遵守气体实验定律？‎ 导思：实际气体在压强很大时不能遵守玻意耳定律的原因，从分子运动论的观点来分析，有下述两个方面.（1）分子本身占有一定的体积；（2）分子间有相互作用力.上述两个原因中，一个是使气体的pV实验值偏大，一个是使气体的pV实验值偏小.在这两个原因中，哪一个原因占优势，就向哪一方面发生偏离.这就是实际气体在压强很大时不能严格遵守玻意耳定律的原因.同样，盖·吕萨克定律和查理定律用于实际气体也有偏差.‎ 探究：1.分子本身占有一定的体积 分子半径的数量级为10‎-10 m，把它看成小球，每个分子的固有体积约为4×10‎-30 m3‎，在标准状态下，‎1 m3‎气体中的分子数n0约为3×1025，分子本身总的体积为n0 V约为1.2×10‎-4 m3‎，跟气体的体积比较，约为它的万分之一，可以忽略不计.‎ 当压强较小时，由于分子本身的体积可以忽略不计，因此实际气体的性质近似于理想气体，能遵守玻意耳定律，当压强很大时，例如p=1 000×105 Pa，假定玻意耳定律仍能适用，气体的体积将缩小为原来的千分之一，分子本身的总体积约占气体体积的1/10.在这种情况下，分子本身的体积就不能忽略不计了.由于气体能压缩的体积只是分子和分子之间的空隙，分子本身的体积是不能压缩的，就是说气体的可以压缩的体积比它的实际体积小.由于这个原因，实际气体当压强很大时，实测的p-V值比由玻意耳定律计算出来的理论值偏大.‎ ‎2.分子间有相互作用力 实际气体的分子间都有相互作用，除了分子相距很近表现为斥力外，相距稍远时则表现为引力，距离再大，超过几十纳米（纳米的符号是nm，1 nm=10‎-9 m）时，则相互作用力趋于零.‎ 当压强较小时，气体分子间距离较大，分子间相互作用力可以不计，因此实际气体的性质近似于理想气体.但当压强很大时，分子间的距离变小，分子间的相互吸引力增大.于是，靠近器壁的气体分子受到指向气体内部的引力，使分子对器壁的压力减小，因而气体对器壁的压强比不存在分子引力时的压强要小，因此，当压强很大时，实际气体的实测PV值比由玻意耳定律计算出来的理论值偏小.‎ 探究结论：当压强太大时不能很好地遵守实验定律.‎ 教材链接 教材P64《讨论与交流》‎ 把一张硬纸片轻轻地盖在一个空杯子的杯口上（图‎4-2-1‎）.被封闭在杯内的空气质量比杯外空气的质量小得多，杯内空气的压强与外界大气压强是否相等？为什么？请与同学讨论交流.‎ 图‎4-2-1‎ 杯内外气压的比较 答：相等.气体的压强与单位体积内的分子数和分子的平均动能有关.杯内空气和杯外空气的密度相同，温度相同，分子的平均动能相同，所以杯内外空气的压强相等.‎