【物理】2018届一轮复习人教版第33讲固体、液体、气体的性质热力学定律学案 21页

第 33 讲　固体、液体、气体的性质　热力学定律  教材知识梳理 一、固体和液体 1．固体可以分为晶体和________两种，晶体又分为单晶体和________． 2．晶体的微观结构：晶体的形状和物理性质与非晶体不同，晶体中原子(或分子、离子) 按照一定的规则排列，具有空间上的________性． 3．液体的表面张力：液体的表面张力使液面具有________的趋势，表面张力跟液面相切， 跟这部分液面的分界线垂直． 4．液晶：具有液体的________性，具有晶体的光学各向________性． 二、气体 1．气体的状态参量 (1)压强：气体压强是大量分子对器壁撞击的宏观表现，其决定因素有________和单位体 积内的________数． (2)体积：气体分子所能达到空间的体积，即气体所充满的容器的容积． (3)温度：宏观上温度表示物体的冷热程度，微观上温度是________的标志，热力学温度 与摄氏温度的关系为 T＝t＋________K. 2．气体分子运动的特点 (1)气体分子之间的距离大约是分子直径的________倍，气体分子之间的相互作用力十分 微弱，可忽略不计． (2)大量分子的热运动速率分布表现为“________________”的统计规律． (3)温度一定时，某种气体分子速率分布是确定的，平均速率是确定的．温度升高时，气 体分子的________增大，但并非每个分子的速率都增大． 3．气体实验定律 　　定律 项目　　 玻意耳定律 查理定律 盖—吕萨克定律 内容 　一定质量的某种气 体，在温度不变的情 况下，压强与体积成 ________比 　一定质量的某种气 体，在体积不变的情 况下，压强与热力学 温度成________比 　一定质量的某种气 体，在压强不变的情 况下，体积与热力学 温度成________比 表达式 ________ ________ ________ 图像 4.理想气体状态方程 (1)理想气体：把在任何温度、任何压强下都遵从________________的气体称为理想气 体．在压强不太大、温度不太低时，实际气体可以看作理想气体．理想气体的分子间除碰撞 外不考虑其他作用，一定质量的某种理想气体的内能仅由________决定． (2)理想气体状态方程：________________(质量一定的理想气体)． 三、热力学定律 1．热力学第一定律：一般情况下，如果物体跟外界同时发生做功和热传递的过程，那么 外界对物体所做的功 W 加上物体从外界吸收的热量 Q 等于物体________的增加．表达式为 ΔU＝________． 2．热力学第二定律 (1)内容：不可能使热量由________温物体传递到________温物体，而不引起其他变化； 不可能从________热源吸收热量并把它全部用来对外________，而不引起其他变化． (2)微观意义：一切自发过程总是沿着分子热运动的无序性________的方向进行． 3．热力学第三定律：热力学零度不可能达到． 四、物体的内能 1．能量守恒定律：能量既不会________，也不会________，它只能从一种形式转化为另 一 种 形 式 ， 或 者 从 ________ 转 移 到 ________ ， 在 转 化 或 转 移 的 过 程 中 ， 能 量 的 总 量 ________． 2．永动机：第一类永动机是不可能制成的，因为它违反了________________；第二类永 动机也是不可能制成的，因为它违反了________________． 【思维辨析】 (1)大块塑料粉碎成形状相同的颗粒，每个颗粒即为一个单晶体．(　　) (2)单晶体的所有物理性质都是各向异性的．(　　) (3)晶体有天然规则的几何形状，是因为物质微粒是规则排列的．(　　) (4)液晶是液体和晶体的混合物．(　　) (5)水蒸气达到饱和时，水蒸气的压强不再变化，这时水不再蒸发和凝结．(　　) (6)压强极大的气体不遵从气体实验定律．(　　) (7)做功和热传递的实质是相同的．(　　) (8)绝热过程中，外界压缩气体做功 20 J，气体的内能一定减少．(　　) (9)物体吸收热量，同时对外做功，内能可能不变．(　　) (10)在给自行车打气时，会发现打气筒的温度升高，这是因为外界对气体做功．(　　) (11)自由摆动的秋千摆动幅度越来越小，能量正在消失．(　　) (12)热机中，燃气的内能可以全部变为机械能而不引起其他变化．(　　) 【思维拓展】 试推导理想气体压强公式，并说明影响气体压强的因素． 假设有一个容积为 V 的容器，容器内所装气体分子的总数为 N，容器内单位体积内分子 数为 n，其中 n＝ N V，每个气体分子质量为 m，我们在这个容器的内壁附近作一个小的正立方 体，见下图．小立方体与容器内壁相接触的底面积为 S，令小立方体的边长为 l＝vΔt，其中 v 为气体分子平均速率，Δt 是我们所取的一小段考查的时间间隔．小立方体内气体分子的总 数为 N′，N′＝nSl＝nSvΔt，在Δt 内，这个小立方体内的气体分子有六分之一都将与接触面 S 发生碰撞． 图 13­33­1 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　  考点互动探究 　考点一　固体和液体的性质 考向一　固体的性质 1 (多选)[2015·全国卷Ⅰ] 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，某些晶体可以转变为非晶体，某些非晶体也可以转变为晶体 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 ■ 规律总结 (1)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． (2)只要是具有各向异性的物体必定是晶体，且是单晶体． (3)只要是具有确定熔点的物体必定是晶体，反之，必是非晶体． (4)晶体和非晶体在一定条件下可以相互转化． 考向二　液体的性质 2 (多选)下列说法正确的是(　　) A．把一枚针轻放在水面上，它会浮在水面．这是由于水表面存在表面张力的缘故 B．水在涂有油脂的玻璃板上能形成水珠，而在干净的玻璃板上却不能，这是因为油脂 使水的表面张力增大 C．在围绕地球飞行的宇宙飞船中，自由飘浮的水滴呈球形，这是表面张力作用的结果 D．在毛细现象中，毛细管中的液面有的升高，有的降低，这与液体的种类和毛细管的 材质有关 E．当两薄玻璃板间夹有一层水膜时，在垂直于玻璃板的方向很难将玻璃板拉开，这是 由于水膜具有表面张力的缘故 ■ 规律总结 (1)形成原因：表面层中分子间的距离比液体内部分子间的距离大，分子间的相互作用力 表现为引力． (2)表面张力的方向：和液面相切，垂直于这部分液面的分界线． (3)表面张力的效果：表面张力使液体表面具有收缩趋势，使液体表面积趋于最小，而在 体积相同的条件下，球形的表面积最小． 考向三　饱和汽和湿度的理解 3 (多选)关于饱和汽压和相对湿度，下列说法中正确的是(　　) A．温度相同的不同饱和汽的饱和汽压都相同 B．温度升高时，饱和汽压增大 C．在相对湿度相同的情况下，夏天比冬天的绝对湿度大 D．饱和汽压和相对湿度都与体积无关 E．水蒸气的实际压强越大，人感觉越潮湿 ■ 规律总结 (1)饱和汽压跟液体的种类有关，在相同的温度下，不同液体的饱和汽压一般是不同 的． (2)饱和汽压跟温度有关，饱和汽压随温度的升高而增大． (3)饱和汽压跟体积无关，在温度不变的情况下，饱和汽压不随体积而变化． 　考点二　气体实验定律和气体压强的微观解释 利用气体实验定律解决问题的基本思路 考向一　活塞封闭气体问题 4 [2015·全国卷Ⅰ] 如图 13­33­2 所示，一固定的竖直气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，间距保持 为 l＝40.0 cm，气缸外大气的压强为 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 l 2，两活塞间封闭气体的温度为 T1＝495 K．现气缸内气体温度缓慢下降，活塞 缓慢下移．忽略两活塞与气缸壁之间的摩擦，重力加速度大小 g 取 10 m/s2.求： (1)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； (2)缸内封闭的气体与缸外大气处于热平衡时，缸内封闭气体的压强． 图 13­33­2 考向二　水银封闭气体问题 5 [2016·全国卷Ⅲ] 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 13­33­3 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． 图 13­33­3 考向三　水中封闭气体 6 [2016·全国卷Ⅰ] 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Δ p 与气泡半径 r 之间的关系为Δp＝ 2σ r ，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 ρ＝1.0×103 kg/m3，重力加速 度大小 g 取 10 m/s2. (1)求在水下 10 m 处气泡内外的压强差； (2)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． 　考点三　气体实验定律的图像问题 1.利用垂直于坐标轴的线作辅助线去分析同质量．不同温度的两条等温线，不同体积的 两条等容线，不同压强的两条等压线的关系． 例如：在图 13­33­4 甲中，V1 对应虚线为等容线，A、B 分别是虚线与 T2、T1 两线的交点， 可以认为从 B 状态通过等容升压到 A 状态，温度必然升高，所以 T2>T1. 又如图乙所示，A、B 两点的温度相等，从 B 状态到 A 状态压强增大，体积一定减小， 所以 V2Tc，故 Ea>Ec，选项 B 正确；cd 过程为等温加压过程，外界对系统做正功，但 系统内能不变，故系统要对外放热，放出热量 Q＝W 外，选项 C 错误；da 过程为等压升温过 程，体积增加，对外界做功，系统内能增加，故系统要从外界吸热，且吸收热量 Q＝W 外＋Δ E 内>W 外，选项 D 错误；bc 过程为等压降温过程，由 V1 T1＝ V2 T2可知，气体体积会减小，W＝pΔ V＝CΔTbc；同理 da 过程中，W′＝p′ΔV′＝CΔTda，因为|ΔTbc|＝|ΔTda|，故|W|＝|W′|， 选项 E 正确． 考点七 例 12　BDE　[解析] 根据热力学第二定律，不可能从单一热源吸收热量，并把它全部用 来做功而不引起其他变化，如果可以引起其他变化，那么完全用来做功就是有可能的，故选 项 A 错误，B 正确；根据热力学第二定律，可以使热量自发地从低温物体传向高温物体，但 要引起其他变化，比如电冰箱要耗电，故选项 C 错误；根据热力学第二定律，机械能转变为 内能的实际宏观过程是不可逆过程，故选项 D 正确；与热学有关的变化过程都具有方向性， 选项 E 正确． 例 13　ADE　[解析] 第二类永动机是违反能量转化的方向性，但不违反能量守恒定律的 机器． 【教师备用习题】 1．(多选)下列说法中正确的是(　　) A．蔗糖受潮后会粘在一起，没有固定的几何形状，它是非晶体 B．单晶体的某些性质具有各向异性的特点 C．液晶对不同颜色的光的吸收强度随电场强度的变化而变化 D．液体的表面层就像张紧的橡皮膜而表现出表面张力，是因为表面层的分子分布比液 体内部稀疏 E．液晶是液体和晶体的混合物 [解析] BCD　蔗糖有确定的熔点，是晶体，选项 A 错误；单晶体的某些物理性质具有各 向异性的特点，多晶体的物理性质是各向同性，选项 B 正确；液晶具有晶体的光学各向异性 的特点，对不同颜色的光的吸收强度随电场强度的变化而变化，该性质被广泛应用在显示屏 技术中，选项 C 正确；当液体与大气相接触时，表面层的分子分布比液体内部稀疏，分子之 间的作用力表现为引力，表面层内的分子所受其他分子作用力的合力表现出表面张力，选项 D 正确；液晶是物质存在的一种状态，而不是液体和晶体的混合物，选项 E 错误． 2．(多选)下列有关物体内能改变的判断中，正确的是(　　) A．外界对物体做功，物体的内能一定增加 B．外界对物体传递热量，物体的内能可能增加 C．物体对外界做功，物体的内能可能增加 D．物体向外界放热，物体的内能可能增加 E．绝热过程中，气体向外界膨胀则内能增加 [解析] BCD　做功和热传递都能改变物体的内能，根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W 知， 外界对物体做功，物体的内能不一定增加，外界对物体传递热量，物体的内能可能增加，选 项 A 错误，选项 B 正确；由ΔU＝Q＋W 可知，若物体对外界做功，物体的内能可能增加， 同理物体向外界放热，物体的内能可能增加，选项 C、D 正确；绝热过程不发生热传递，气 体向外界膨胀过程对外做功，由ΔU＝Q＋W 可知，气体内能减小，选项 E 错误． 3．(多选)对于一定量的理想气体，下列说法正确的是(　　) A．若气体的压强和体积都不变，其内能也一定不变 B．若气体的内能不变，其状态也一定不变 C．若气体的温度随时间不断升高，其压强也一定不断增大 D．当气体温度升高时，气体的内能一定增大 E．保持气体的体积不变，当温度升高时，每秒撞击单位面积器壁的气体分子数增多 [解析] ADE　理想气体的内能是由温度决定的，根据理想气体状态方程 pV T ＝C(C 为恒量) 可知，当体积和压强都不变时，其温度也一定不发生变化，因此内能不变，选项 A 正确；而 反过来，内能不变只能说明温度不变，可能发生等温变化，也就是气体状态可能发生变化， 选项 B 错误；根据理想气体状态方程，温度升高，压强可能增加也可能减小，选项 C 错误； 一定质量理想气体的内能只由温度决定的，当温度升高时，内能一定增加，选项 D 正确；气 体的体积不变，当温度升高时，分子平均速率增大，每秒撞击单位面积器壁的气体分子数增 多，选项 E 正确． 4．(多选)[2016·广东梅州质检改编] 关于永动机和热力学定律的讨论，下列叙述正确的 是(　　) A．第二类永动机违反能量守恒定律 B．机械能全部转化为内能的宏观过程是不可逆过程 C．保持气体的质量和体积不变，当温度升高时，每秒撞击单位面积器壁的气体分子数 增多 D．做功和热传递都可以改变物体的内能，但从能量转化或转移的观点来看，这两种改 变方式是有区别的 E．不可能使热量由低温物体传递到高温物体 [解析] BCD　第二类永动机违反了热力学第二定律，选项 A 错误；根据热力学第二定律， 所有与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的，选项 B 正确；保持气体的质量和体积不变， 当温度升高时，分子平均速率增大，每秒撞击单位面积器壁的气体分子数增多，选项 C 正确； 做功和热传递都可以改变物体的内能，但从能量转化或转移的观点来看，这两种改变方式是 有区别的，选项 D 正确；由热力学第二定律可知，不可能使热量从低温物体传向高温物体而 不产生其他影响，但在外力做功的情况下可以使热量由低温物体传递到高温物体，如空调制 冷现象，选项 E 错误． 5．[2016·豫东、豫北十校联考] 如图所示，一定质量的理想气体，处在状态 A 时，其温 度 TA＝300 K，让该气体沿图中线段 AB 所示缓慢地从状态 A 变化到状态 B，求： (1)气体处于状态 B 时的温度； (2)从 A 到 B 的过程中气体的最高温度． [答案] (1)300 K　(2)400 K [解析] (1)对 A、B 两个状态，压强和体积可以从图中读出，根据理想气体状态方程有 pAVA TA ＝ pBVB TB 解得 TB＝300 K. (2)根据图像可知，体积为 Vx 时的气体压强可表示为 px＝4－ 1 2Vx(单位：atm) 根据理想气体状态方程有 pAVA TA ＝ pxVx Tx ＝ 4－1 2VxVx Tx 由上式可得，当 Vx＝4 L 时，Tx 最大 解得 Tmax＝400 K. 6．[2016·济南二模] 如图所示，导热气缸平放在水平地面上，用横截面积为 S＝0.1×10－ 2 m2 的不计厚度的光滑活塞 A 和 B 封闭两部分理想气体Ⅰ和Ⅱ，活塞 A、B 的质量分别为 mA ＝2 kg，mB＝4 kg，活塞 A、B 到气缸底部的距离分别为 20 cm 和 8 cm.现将气缸转至开口向 上，环境温度不变，外界大气压强 p0＝1.0×105 Pa.待状态稳定时，求活塞 A 移动的距离．(g 取 10 m/s2) [答案] 5 cm [解析] 对理想气体Ⅰ，由玻意耳定律有 p0L1S＝p1L′1S 其中 p1＝p0＋ mAg S 代入数据解得 L′1＝10 cm. 对理想气体Ⅱ，由玻意耳定律有 p0L2S＝p2L′2S 其中 p2＝p1＋ mBg S 代入数据解得 L′2＝5 cm. 活塞 A 移动的距离 d＝(L1＋L2)－(L′1＋L′2)＝5 cm. 7．[2016·烟台二模] 如图所示，一气缸质量为 M＝60 kg，气缸的厚度忽略不计且导热性 良好，开口向上放在水平面上，气缸中有横截面积为 S＝100 cm2 的光滑活塞，活塞质量 m＝ 10 kg.气缸内封闭了一定质量的理想气体，此时气柱长度为 L1＝0.4 m．已知大气压强为 p0＝ 1×105 Pa.现用力缓慢向上拉动活塞，若使气缸能离开地面，气柱的长度至少是多少？(重力 加速度 g 取 10 m/s2) [答案] 1.1 m [解析] 对缸内气体，初状态：p1＝p0＋ mg S ＝1.1×105 Pa V1＝L1S 末状态：气缸恰能脱离地面时有 F＝mg＋Mg＝700 N p2＝p0＋ mg S － F S＝0.4×105 Pa，V2＝L2S 由玻意耳定律得 p1V1＝p2V2 解得 L2＝1.1 m．即气柱的长度至少是 1.1 m. 8．[2016·大庆三模] 如图所示，蹦蹦球是一种儿童健身玩具，某同学在 17 ℃的室内对 蹦蹦球充气，已知充气前球的总体积为 2 L，压强为 1 atm，充气筒每次充入 0.2 L 压强为 1 atm 的气体，忽略蹦蹦球体积变化及充气过程中气体温度的变化． (1)充气多少次可以让气体压强增大至 3 atm? (2)将充气后的蹦蹦球拿到温度为－13 ℃的室外后，压强将变为多少？(结果保留 2 位有 效数字) [答案] (1)20 次　(2)2.7 atm [解析] (1)设充气 n 次可以让气体压强增大至 3 atm.充气过程中气体发生等温变化， 以蹦蹦球内原来的气体和所充的气体整体为研究对象，由玻意耳定律得 p1(V＋nΔV)＝p2V 代入数据解得 n＝20. (2)当温度变化时气体发生等容变化 由查理定律得 p2 T2＝ p3 T3 解得 p3＝ T3 T2p2＝ －13＋273 17＋273 ×3 atm≈2.7 atm. 9．[2016·山东德州模拟] 如图所示，导热良好的薄壁气缸平放在光滑水平面上，用横截 面积为 S＝1.0×10－2 m2 的带一轻杆的光滑活塞将一定质量的理想气体封闭在气缸内，活塞 杆的另一端固定在墙上．外界大气压强 p0＝1.0×105 Pa.当环境温度为 27 ℃时，密闭气体的 体积为 2.0×10－3 m3. (1)当环境温度缓慢升高到 87 ℃时，气缸移动的距离是多少？ (2)在上述过程中封闭气体________(选填“吸热”或“放热”)，传递的热量________(选 填“大于”或“小于”)气体对外界所做的功． [答案] (1)0.04 m　(2)吸热　大于 [解析] (1)气体做等压变化，根据盖—吕萨克定律有 V1 T1＝ V2 T2 解得 V2＝ T2V1 T1 ＝ 360 300×2.0×10－3 m3＝2.4×10－3 m3 气缸移动的距离Δl＝ V2－V1 S ＝0.04 m. (2)环境温度升高，封闭气体内能增大，气体体积增大，对外做功，由热力学第一定律可 知，气体吸热，且吸收的热量大于气体对外界所做的功．