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- 2021-06-01 发布
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第2节 固体、液体和气体
知识点1 固体和液体
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向的物理性质都是一样的,这叫做各向同性.
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10-10 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,浸润与不浸润也是表面张力的表现.
3.液晶
液晶是一种特殊的物质,它既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.
知识点2 气体分子动理论和气体压强
1.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.
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.气体分子向各个方向运动的机会均等.
4.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.
5.气体压强
(1)产生的原因
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)决定气体压强大小的因素
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数密度.
知识点3 气体实验定律和理想气体状态方程
1.气体实验定律
(1)等温变化——玻意耳定律:
①内容:一定质量的某种气体,在温度不变的情况下,压强与体积成反比.
②公式:p1V1=p2V2或pV=C(常量).
(2)等容变化——查理定律:①内容: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正比.
②公式:=或=C(常数).
(3)等压变化——盖—吕萨克定律:
①内容:一定质量的某种气体,在压强不变的情况下,其体积与热力学温度成正比.
②公式:=或=C(常数).
2.理想气体及其状态方程
(1)理想气体:
①宏观上讲,理想气体是指在任何条件下始终遵守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,分子本身没有体积,即它所占据的空间认为都是可以被压缩的空间.
(2)状态方程:=或=C(常数).
[核心精讲]
1.晶体和非晶体
(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.
2.液体表面张力
(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)表面特性:表面层分子间的引力使液面产生了表面张力,使液体表面好像一层绷紧的弹性薄膜.
(3)表面张力的方向:和液面相切,垂直于液面上的各条分界线.
(4)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.
[题组通关]
1.(多选)(2015·江苏高考)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
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
AD
晶体在熔化过程中温度保持不变,食盐具有这样的特点,则说明食盐是晶体,选项A正确;蜂蜡的导热特点是各向同性的,烧热的针尖使蜂蜡熔化后呈椭圆形,说明云母片的导热特点是各向异性的,故云母片是晶体,选项B错误;天然石英表现为各向异性,则该物质微粒在空间的排列是规则的,选项C错误;石墨与金刚石皆由碳原子组成,但它们的物质微粒排列结构是不同的,选项D正确.
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的缘故
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
ACD 水的表面张力托起针,A正确;水在油脂上不浸润,在干净的玻璃上浸润,B错误,C、D正确.
[名师微博]
晶体理解的四点提醒
1.单晶体的各向异性是指晶体的某些物理性质显示各向异性.
2.不能从形状上区分晶体与非晶体.
3.晶体与非晶体在一定条件下可以相互转化.
4.液晶既不是晶体也不是液体.
[师生共研]
●考向1 气体实验定律的应用
(2015·全国卷Ⅱ)如图1121所示,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.
图1121
(1)求放出部分水银后A侧空气柱的长度;
(2)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.
【解题关键】
关键信息
信息解读
两侧水银面的高度差为h1=10.0 cm
B侧水银面比A侧的低10.0 cm
在B侧注入水银两侧水银面同高
A侧内部气体压强为p0
【规范解答】 (1)以cmHg为压强单位.设A侧空气柱长度l=10.0 cm时的压强为p;当两侧水银面的高度差为h1=10.0 cm时,空气柱的长度为l1,压强为p1.由玻意耳定律得pl=p1l1 ①
由力学平衡条件得
p=p0+h ②
打开开关K放出水银的过程中,B侧水银面处的压强始终为p0,而A侧水银面处的压强随空气柱长度的增加逐渐减小,B、A两侧水银面的高度差也随之减小,直至B侧水银面低于A侧水银面h1为止.由力学平衡条件有
p1=p0-h1 ③
联立①②③式,并代入题给数据得
l1=12.0 cm. ④
(2)当A、B两侧的水银面达到同一高度时,设A侧空气柱的长度为l2,压强为p2.由玻意耳定律得
pl=p2l2 ⑤
由力学平衡条件有
p2=p0 ⑥
联立②⑤⑥式,并代入题给数据得
l2=10.4 cm ⑦
设注入的水银在管内的长度为Δh,依题意得
Δh=2(l1-l2)+h1 ⑧
联立④⑦⑧式,并代入题给数据得
Δh=13.2 cm.
【答案】 (1)12.0 cm (2)13.2 cm
●考向2 理想气体状态方程的应用
如图1122所示,有两个不计质量的活塞M、N将两部分理想气体封闭在绝热汽缸内,温度均是27 ℃.M活塞是导热的,N活塞是绝热的,均可沿汽缸无摩擦地滑动,已知活塞的横截面积均为S=2 cm2,初始时M活塞相对于底部的高度为H=27 cm,N活塞相对于底部的高度为h=18 cm.现将一质量为m=400 g的小物体放在M活塞的上表面上,活塞下降.已知大气压强为p0=1.0×105 Pa,
图1122
(1)求下部分气体的压强多大;
(2)现通过加热丝对下部分气体进行缓慢加热,使下部分气体的温度变为127 ℃,求稳定后活塞M、N距离底部的高度.
【规范解答】 (1)对两个活塞和重物作为整体进行受力分析得:pS=mg+p0S
解得p=1.2×105 Pa.
(2)对下部分气体进行分析,由理想气体状态方程可得:
=
得:h2=20 cm,故活塞N距离底部的距离为h2=20 cm
对上部分气体进行分析,根据玻意耳定律可得:p0(H-h)S=pLS
得:L=7.5 cm
故此时活塞M距离底端的距离为
H2=20+7.5=27.5 cm.
【答案】 (1)1.2×105 Pa
(2)27.5 cm 20 cm
利用气体实验定律及气态方程解决问题的基本思路
[题组通关]
3.(2016·全国甲卷)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.【导学号:96622191】
【解析】 设氧气开始时的压强为p1,体积为V1,压强变为p2(2个大气压)时,体积为V2.根据玻意耳定律得
p1V1=p2V2 ①
重新充气前,用去的氧气在p2压强下的体积为
V3=V2-V1 ②
设用去的氧气在p0(1个大气压)压强下的体积为V0
则有
p2V3=p0V0 ③
设实验室每天用去的氧气在p0下的体积为ΔV,则氧气可用的天数为
N=V0/ΔV ④
联立①②③④式,并代入数据得
N=4(天). ⑤
【答案】 4天
4.如图1123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.
图1123
【解析】 设初状态时两部分气体体积均为V0
对下部分气体,等温变化
p0V0=pV
V=V0
解得p=1×105 Pa
对上部分气体,初态p1=p0-=1×105 Pa
末态p2=p-=0.75×105 Pa
根据理想气体状态方程,有
=
解得T=281.25 K.
【答案】 281.25 K
[核心精讲]
一定质量气体状态变化图象对比
图线
特点
举例
pV
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
pT
p=T,斜率k=,即斜率越大,体积越小
VT
V=T,斜率k=,即斜率越大,压强越小
[师生共研]
图1124甲是一定质量的气体由状态A经过状态B变为状态C的VT图象.已知气体在状态A时的压强是1.5×105 Pa.
图1124
(1)说出A→B过程中压强变化的情形,并根据图象提供的信息,计算图甲中TA的温度值;
(2)请在图乙坐标系中,作出该气体由状态A经过状态B变为状态C的pT图象,并在图线相应位置上标出字母A、B、C.如果需要计算才能确定的有关坐标值,请写出计算过程.
【规范解答】 (1)从题图甲可以看出,A与B连线的延长线过原点,所以A→B是一个等压变化,即pA=pB
根据盖—吕萨克定律可得=
所以TA=TB=×300 K=200 K.
(2)由题图甲可知,由B→C是等容变化,根据查理定律得=
所以pC=pB=pB=pB=×1.5×105 Pa=2.0×105 Pa
则可画出由状态A→B→C的pT图象如图所示.
【答案】 见解析
1.要清楚等温、等压、等容变化在p V图象、p T图象、V T图象中的特点.
2.若题中给出了图象,则从中提取相关的信息,如物态变化的特点、已知量、待求量等.
3.若需作出图象,则分析物态变化特点,在特殊点处,依据题给已知量、解得待求量,按要求作图象.若从已知图象作相同坐标系的新图象,则在计算后也可以应用“平移法”.
[题组通关]
5.(多选)(2016·全国甲卷)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pT图象如图1125所示,其中对角线ac的延长线过原点O.下列判断正确的是( ) 【导学号:96622192】
图1125
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
ABE 由ac的延长线过原点O知,直线Oca为一条等容线,气体在a、c两状态的体积相等,选项A正确;理想气体的内能由其温度决定,故在状态a时的内能大于在状态c时的内能,选项B正确;过程cd是等温变化,气体内能不变,由热力学第一定律知,气体对外放出的热量等于外界对气体做的功,选项C错误;过程da气体内能增大,从外界吸收的热量大于气体对外界做的功,选项D错误;由理想气体状态方程知:
====C,即
paVa=CTa,pbVb=CTb,pcVc=CTc,pdVd=CTd.
设过程bc中压强为p0=pb=pc,
过程da中压强为p′0=pd=pa.
由外界对气体做功W=p·ΔV知,
过程bc中外界对气体做的功Wbc=P0(Vb-Vc)=C(Tb-Tc),过程da中气体对外界做的功Wda=P′0(Va-Vd)=C(Ta-Td),Ta=Tb,Tc=Td,故Wbc=Wda,选项E正确(此选项也可用排徐法直接判断更快捷).
6.(2014·福建高考)图1126为一定质量理想气体的压强p与体积V关系图象,它由状态A经等容过程到状态B,再经等压过程到状态C.设A、B、C状态对应的温度分别为TA、TB、TC,则下列关系式中正确的是________.(填选项前的字母)
图1126
A.TATB,TB=TC
C.TA>TB,TBTC
C 根据气体实验定律比较.
由题中图象可知,气体由A到B过程为等容变化,由查理定律得=,pA>pB,故TA>TB;由B到C过程为等压变化,由盖·吕萨克定律得=,VB