（课标版 5年高考3年模拟A版）2020年物理总复习 专题十五 热学课件

1、专题十五热学 高考物理（课标专用）高考物理（课标专用） 考点一分子动理论考点一分子动理论 考点考点清单清单 考向基础考向基础 一、物体是由大量分子组成的一、物体是由大量分子组成的 1.分子的大小分子的大小极小极小 分子直径的数量级:10-10 m。 分子直径可用油膜法估测。 2.分子的质量很小分子的质量很小,一般物质分子质量的数量级是一般物质分子质量的数量级是:10-26 kg。 3.阿伏加德罗常数阿伏加德罗常数 定义:1 mol的任何物质中含有相同的微粒个数,用符号NA表示,NA= 6.021023 mol-1 。 阿伏加德罗常数是联系宏观和微观的桥梁。 4.分子的两种理想模型分子的两种理想

2、模型 球模型:V=d3。 立方体模型:V=d3。 5.微观量与宏观量微观量与宏观量 (1)已知固体和液体的摩尔体积Vmol和一个分子的体积V0,求NA,则NA= Vmol/V0;知NA和Vmol亦可估算分子的大小。 (2)已知物质的摩尔质量M和一个分子的质量m0,求NA,则NA=M/m0;知NA 和M亦可估算分子的质量。 (3)已知物体的体积V和摩尔体积Vmol,求物体的分子数n,则n=NAV/Vmol。 (4)已知物体的质量m和摩尔质量M,求物体的分子数n,则n=NAm/M。 1 6 注意注意 对固体和液体,可以认为分子是一个个紧密排列在一起的小球, 对气体,由于分子间距离较大,可以利用立方

3、体模型计算分子间的距 离。 二、分子永不停息地做无规则热运动二、分子永不停息地做无规则热运动 扩散现象和布朗运动都说明分子做无规则热运动。运动的剧烈程度与 温度有关。 1.扩散现象扩散现象:相互接触的物体互相进入对方的现象。温度越高 ,扩 散越快。 2.布朗运动布朗运动 产生的原因:各个方向的液体分子对颗粒碰撞的不平衡 。 布朗运动的特点: 布朗颗粒:布朗颗粒用肉眼直接看不到,但在显微镜下能看到,因此用肉 眼看到的颗粒所做的运动,不能叫布朗运动。布朗颗粒直径约为10-6 m (包含约1021个分子),而分子直径约为10-10 m,布朗颗粒的运动是 分子运动 的间接反映。 , , 永不停息、无规

4、则运动。 颗粒越小 运动越剧烈。 温度越高 运动越剧烈。 运动轨迹不确定。 布朗运动热运动 共同点都是无规则运动,都随温度的升高而变得更加剧烈 不同点运动物体小颗粒分子 环境对象液体或气体之中任何物体 运动类型机械运动,是热运动的反映热运动 联系布朗运动是由于小颗粒受到周围分子热运动的撞击力不平衡而引起 的,它是分子做无规则热运动的间接反映 3.布朗运动和热运动的比较布朗运动和热运动的比较 三、分子间存在着相互作用力三、分子间存在着相互作用力 1.分子间同时存在相互作用的引力和斥力。 2.分子力分子力:引力和斥力的合力。 3.r0为分子间引力和斥力大小相等时的距离,其数量级为10-10 m。

5、4.如图所示,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,但引力不如斥力变化快。 r=r0时,F引=F斥,分子力F=0。 rr0时,F引r0时,F引F斥,分子力F为引力。 r10r0时,F引、F斥迅速减弱,几乎为零,分子力F0。 四、物体的内能四、物体的内能 1.分子平均动能分子平均动能 物体内所有分子动能的平均值叫做分子的平均动能。温度 是分 子的平均动能大小的标志,温度 越高,分子的平均动能越大。 2.分子势能分子势能 (1)概念:由分子间的相对位置和相互作用 决定的能量。 (2)分子势能大小的相关因素 微观上:分子势能的大小与分子间距离有关。 当分子间距

6、离rr0时,分子势能随分子间距离的增大 而增大; 当rr0时,分子间表现为引力,分子间距离增大时,分子力做负功,分子 势能增大,反之减小。 (2)当rr0时,分子间表现为斥力,分子间距离减小时,分子力做负功,分子 势能增大,反之减小。 (3)当r=r0时,分子力为零,分子势能最小,但不一定为零(这与零势能面的 选取有关)。 (4)分子势能曲线(设r处势能为零)如图所示。 说明说明分子势能的变化与分子力做功的关系,可用做功与能量变化的关 系来分析。由于势能具有相对性,所以分子势能的大小、正负与零势能 面的选取有关,一般选取无限远处为零势能面。因分子间的引力和斥力 同时存在,且都随着间距变化,所以

7、分析分子力做功时,应先明确分子力 表现为什么力,在间距变化过程中做什么功,再根据分子力做功情况判 断分子势能的变化情况。 例例3下列四幅图中,能正确反映分子间作用力f和分子势能Ep随分子间 距离r变化关系的图线是 () 解析解析分子间作用力f的特点是:rr0时f为引力; 分子势能Ep的特点是r=r0时Ep最小,因此只有B项正确。 答案答案B 考点二固体、液体、气体考点二固体、液体、气体 考向基础考向基础 一、固体一、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

8、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 。 注意注意 金属是多晶体,所以它是各向同性的。 二、液体二、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,浸润与不浸润也是分子力的 表现。 3.液晶液晶

9、液晶是一种特殊的物质,它既具有液体的流动性 ,又具有某些晶 体的各向异性 ,液晶在显示器方面具有广泛的应用。 三、气体分子运动的特点三、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10倍,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。 四、描述气体的状态参量四、描述气体的状态参量 1.温度温度(T或或t) (1)物理意义:宏观上表示物

10、体的冷热程度;微观上标志物体分子热运动 的激烈程度,它是物体分子平均动能 的标志。 (2)两种温标 a.摄氏温标(t):单位。在1个标准大气压下,冰的熔点为0 ,水的沸点 为100 。 b.热力学温标(T):单位K。把-273 作为0 K。绝对零度(0 K)是低温的 极限,只能接近不能达到。 c.两种温标的关系:就每分度表示的冷热差别来说,两种温标是相同的, 只是零值的起点不同,所以二者关系为T=t+273 K,T=t。 2.体积体积(V) (1)意义:气体分子所占据的空间,也就是气体所充满的容器的容积。 (2)单位:m3,1 m3=103 L=106 mL。 3.压强压强(p) (1)产生的

11、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 a.宏观上:决定于气体的温度、体积和物质的量。 b.微观上:决定于分子的平均动能和单位体积的分子数。 (3)常用单位及换算关系 帕斯卡(Pa):1 Pa=1 N/m2 1 atm=1.013105 Pa 4.气体的状态及变化气体的状态及变化 (1)对于一定质量的气体,如果温度、体积、压强这三个量都不变,我们 就说气体处于一定的状态。 (2)一定质量的气体,p与T、V有关。三个参量中不可能只有一个参量发 生变化,至少有两个或三个同时改变。 考向突破

12、考向突破 考向考向气体实验定律、理想气体状态方程气体实验定律、理想气体状态方程 1.理想气体理想气体 (1)在任何温度、任何压强下都遵从气体实验定律的气体叫理想气体。 (2)实际气体在温度不太低、压强不太大时可当做理想气体处理。 注意注意 理想气体是不存在的,它是实际气体在一定程度上的近似,是一 种理想化的物理模型,一些不易液化的气体如氢气、氧气、氮气、氦气 等,在通常温度、压强条件下,它们的性质近似于理想气体,可按理想气 体处理。 2.两种气体压强的辨别两种气体压强的辨别 (1)大气压强 大气压强是由于空气受重力作用紧紧包围地球而对浸在它里面的物 体产生的压强。 地面大气压的值与地球表面积的

13、乘积,近似等于地球大气层所受的重 力值。 (2)气体压强 因密闭容器中的气体质量一般很小,由气体自身重力产生的压强极 小,可忽略不计。 气体压强是由气体分子频繁碰撞器壁产生的。 气体压强由气体的体积、温度和物质的量决定。 密闭容器中气体对器壁的压强处处相等。 例例1关于压强下列说法中正确的是() A.大气压强是由于地球对大气的吸引而产生的 B.密封容器中气体的压强是由气体受到的重力产生的 C.大气压强在一定海拔内随高度的增加而减小 D.装有气体的密封容器自由下落时压强将减为零 解析解析因密闭容器中的气体质量一般很小,由气体自身重力产生的压强极 小,可以忽略不计,故气体压强由气体分子碰撞器壁产生

14、,与重力无关。密闭 容器中的气体对器壁的压强处处相等,与容器所处的状态无关。 大气压是由于空气受到重力作用紧紧包围地球而对浸在它里面的物体产 生的压强。由于地球的引力作用,大气层分子密度上方小、下方大,从而使 得大气压的值在一定海拔内随高度增加而减小。 答案答案AC 3.玻意耳定律玻意耳定律 (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:pV=C或p1V1=p2V2。 (3)条件:气体的质量一定,温度不变。 (4)图像:一定质量的气体在p-V图上的等温线是一条双曲线,如图所示, T1T2。 4.查理定律查理定律 (1)内容:一定质量的某种气体,在体积不变

15、的情况下,压强与热力学温度 成正比。 (2)公式:=C或=。 (3)条件:气体的质量一定,体积不变。 (4)图像:一定质量的某种气体在p-T图上的等容线是一条过原点的直线, p T 1 1 p T 2 2 p T p-t图中等容线在t轴上的截距是-273 ,如图所示,V1V2。 5.盖盖-吕萨克定律吕萨克定律 (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:=C或=。 (3)条件:气体的质量一定,压强不变。 (4)图像:一定质量的某种气体在V-T图上的等压线是一条过原点的直 线,如图所示,p10 物体对外界做功W0 物体向外界放出热量Q0 物体内能

16、减小U0 2.热力学第二定律的两种表述热力学第二定律的两种表述 (1)热量不能自发地从低温 物体传到高温 物体。 (2)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。 二、能量守恒定律二、能量守恒定律 1.能量守恒定律的内容能量守恒定律的内容: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,或者是从一个物体转移 到 别的物体,在转化或转移的过程中其总量保持不变。 2.条件性条件性:能量守恒定律是自然界的普遍规律,某一种形式的能是否守恒 是有条件的,例如,机械能守恒定律具有适用条件,而能量守恒定律是无 条件的,是一切自然现象都遵守的基本规律。 3.两类永动

17、机两类永动机 (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:从单一热库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。 三、物体内能和机械能的区别三、物体内能和机械能的区别 能量定义决定量值测量转化 内能物体内所有分子的动 能和势能的总和 由物体内部分子微观运 动状态决定,与物体整体 运动情况无关 任何物体都具有内 能,不为零 无法测量。其变化量 可由做功和热传递来 量度 在一定条件下可相互 转化 机械能物体的动能及重力势 能和弹性势能的总和 与物体宏观运动状态、 参考系

18、和零势能面选取 有关,和物体内部分子运 动情况无关 可以为零可以测量 考向突破考向突破 考向考向热力学第一定律热力学第一定律 一、做功和热传递是如何改变内能的一、做功和热传递是如何改变内能的 做功和热传递在改变物体内能上是等效的,但有本质的区别。 本质的区别:做功使物体的内能改变,是其他形式的能和内能之间的转 化。例如摩擦生热就是机械能转化成内能。热传递改变物体的内能是 物体间内能的转移,如太阳照射冰,使冰化成水,就是太阳的内能通过辐 射这一热传递的方式转移到冰,使冰的内能增加。 热量和功,都是系统内能变化的量度,都是过程量。一定量的热量还和 一定量的功相当,热量可以通过系统转化为功,功也可以

19、通过系统转化 为热量,但它们之间有着本质的区别。 用做功来改变系统的内能,是系统内分子随整体的有序运动,转化为另 一系统的分子的无规则运动的过程,是机械能或其他形式的能和内能之 间的转化过程。 用热传递来改变系统的内能,是通过传导、对流、辐射来完成的,它将 分子的无规则运动,从一个系统转移到另一个系统,这种转移也就是系 统间的内能转换的过程。功是在没有热传递的过程中,系统能量变化的 量度;热量是在没有做功的过程中,系统能量变化的量度。 二、热力学第一定律的应用二、热力学第一定律的应用 在运用热力学第一定律的表达式U=W+Q来分析问题时,必须理解它 的物理意义,掌握它的符号法则。做功和热传递都可

20、以使物体的内能发 生变化。如果物体跟外界同时发生做功和热传递,那么,外界对物体所 做的功与物体从外界吸收的热量之和等于物体内能的增加。 按照符号法则将“+”“-”号代入U=W+Q计算或分析问题,如果事 先不便确定其正负,可以先假定它为正,在计算出结果以后再作判断。 若结果为正,说明与原假设一致,若结果为负,则说明与原假设相反。 例例 2014课标,33(1),6分一定量的理想气体从状态a开始,经历三个 过程ab、bc、ca回到原状态,其p-T图像如图所示。下列判断正确的是 。 A.过程ab中气体一定吸热 B.过程bc中气体既不吸热也不放热 C.过程ca中外界对气体所做的功等于气体所放的热 D.

21、a、b和c三个状态中,状态a分子的平均动能最小 E.b和c两个状态中,容器壁单位面积单位时间内受到气体分子撞击的次数不同 解析解析对封闭气体,由题图可知ab过程,气体体积V不变,没有做功,而 温度T升高,则为吸热过程,A项正确。bc过程为等温变化,压强减小,体 积增大,对外做功,则为吸热过程,B项错。ca过程为等压变化,温度T降 低,内能减少,体积V减小,外界对气体做功,依据W+Q=U,外界对气体所 做的功小于气体所放的热,C项错。温度是分子平均动能的标志,Tapc,显然E项正确。 答案答案ADE 方法方法1 1 微观量的估算方法微观量的估算方法 1.微观物理量微观物理量:分子的质量m0,分子

22、体积V0,分子直径d。 2.宏观物理量宏观物理量:物质的质量m,体积V,密度,摩尔质量M,摩尔体积VA。 3.阿伏加德罗常数是联系宏观物理量与微观物理量的桥梁,根据油膜法 测出分子的直径,可算出阿伏加德罗常数;反过来,已知阿伏加德罗常数, 根据摩尔质量(或摩尔体积)就可以算出一个分子的质量(或一个分子的 体积)。 (1)分子的质量:m0=。 M N A V N A A 方法技巧方法技巧 (2)分子的体积:V0=。 对于气体,由于分子间空隙很大,用上式估算出的是一个分子所占据的 体积(活动的空间)。 (3)分子的大小:球模型直径d=,立方体模型边长为d=。 (4)物质所含的分子数:N=nNA=N

23、A=NA,NA=。 V N A A M NA 0 3 6V 3 0 V m M V VA 0 V m A 0 M V 例例1已知汞的摩尔质量为M=200.510-3 kg/mol,密度为=13.6103 kg/m3, 阿伏加德罗常数NA=6.01023 mol-1。求: (1)一个汞原子的质量(用相应的字母表示即可); (2)一个汞原子的体积(结果保留一位有效数字); (3)体积为1 cm3的汞中汞原子的个数(结果保留一位有效数字)。 解题导引解题导引 解析解析(1)一个汞原子的质量为m0=。 (2)一个汞原子的体积为 V0= = m3210-29 m3。 (3)1 cm3的汞中含汞原子个数

24、n= =41022。 M N A V N A A M NA 3 323 200.5 10 13.6 106.0 10 VN M A 3623 3 13.6 101 106.0 10 200.5 10 答案答案(1)(2)210-29 m3(3)41022 M N A 方法方法2 2 液柱或活塞移动问题的分析方法液柱或活塞移动问题的分析方法 用液柱或活塞隔开两部分气体,当气体温度变化时,液柱或活塞是否移 动?如何移动? 此类问题的特点是气体的状态参量p、V、T都发生了变化,直接判断液 柱或活塞的移动方向比较困难,通常先进行气体状态的假设,然后应用 查理定律可以简单地求解。其一般思路为: 1.先假

25、设液柱或活塞不发生移动,两部分气体均做等容变化。 2.对两部分气体分别应用查理定律的分比形式p=p,求出每部分气 体压强的变化量p,并加以比较。 如果液柱或活塞两端的横截面积相等,则若p均大于零,意味着两部 分气体的压强均增大,则液柱或活塞向p值较小的一方移动;若p均小 T T 于零,意味着两部分气体的压强均减小,则液柱或活塞向压强减小量较 大的一方(即|p|较大的一方)移动;若p相等,则液柱或活塞不移动。 如果液柱或活塞两端的横截面积不相等,则应考虑液柱或活塞两端的 受力变化(pS),若p均大于零,则液柱或活塞向pS较小的一方移动;若 p均小于零,则液柱或活塞向|pS|值较大的一方移动;若p

26、S相等,则液 柱或活塞不移动。 说明说明 要判断液柱或活塞的移动方向,则需要选择好研究对象,进行受 力分析,综合应用玻意耳定律、查理定律和力学规律进行推理和判断。 例例2如图,一上端开口、下端封闭的细长玻璃管竖直放置。玻璃管的 下部封有长l1=25.0 cm的空气柱,中间有一段长l2=25.0 cm的水银柱,上部 空气柱的长度l3=40.0 cm。已知大气压强为p0=75.0 cmHg。现将一活塞 (图中未画出)从玻璃管开口处缓慢往下推,使管下部空气柱长度变为l1= 20.0 cm。假设活塞下推过程中没有漏气,求活塞下推的距离。 解析解析以cmHg为压强单位。在活塞下推前,玻璃管下部空气柱的压强 为 p1=p0+l2 设活塞下推后,下部空气柱的压强为p1,由玻意耳定律得 p1l1=p1l1 如图,设活塞下推距离为l,则此时玻璃管上部空气柱的长度为 l3=l3+l1-l1-l 设此时玻璃管上部空气柱的压强为p3,则 p3=p1-l2 由玻意耳定律得 p0l3=p3l3 由式及题给数据解得 l