专题13分子动理论气体及热力学定律解析版

1、第六部分选修系列专题13分子动理论气体及热力学定律【讲】讲核心素养一、素养呈现1物理观念：布朗运动、内能、分子力、晶体、饱和汽、未饱和汽、相对湿度2.科学思维：分子动理论“汕膜法放大法“图象法“控制变量法“临界法”、气体实验左理、理想气体状态方程、 热力学泄律。3科学态度与责任：热机在生产、生活中的应用。二、素养落实1分子动理论2从微观角度分析固体、液体和气体的性质3气体实验三泄律及理想气体状态方程4热力学泄律讲考纲髙考命题点命题轨迹情境图分子动理论与气体实验定律的组合20152卷33AB20171卷3320172 卷 33,3卷33活塞16(3)33 题1733题20181 卷 33,3卷3

2、317(3)33 题18(1)33 题热学基本规律与气体实验泄 律的组合19(2)33 ®1 卷 33,20192卷3320103卷33讲考点考点一分子动理论内能【考点诠释】一、突破三个重点1. 微观量的估算V(1) 油膜法估算分子直径：d=M/为纯油酸体积，S为单分子油膜而积。7WV分子总数：N= nN入=忑严=币z注意对气体而言，N总。(3)两种模型：4球模型：7=苏疋(适用于估算液体、固体分子直径)立方体模型：7=R(适用于估算气体分子间距)2. 分子热运动的实验基础：扩散现象和布朗运动现象扩散现象布朗运动热运动活动主体分子微小固体颗粒分子区别分子的运动，发生在固体、液体、气体

3、之间比分子大得多的微粒的运动，只能在液体、气体中发生分子的运动，不能通过光学显微镜直接观察到共同点匚都是无规则运动：匚都随温度的升高而更加激烈联系扩散现象、布朗运动都反映无规则的热运动3物体的内能(1) 等于物体中所有分子的热运动动能与分子势能的总和，是状态量。(2) 对于给左的物体，英内能大小由物体的温度和体积决定。(3) 物体的内能与物体的位置高低、运动速度大小无关。二、掌握两个关系(1) 分子力与分子间距的关系、分子势能与分子间距的关系。(2) 分子力做功与分子势能变化的关系。阿伏加徳罗常数是联系宏观与微观的桥梁，掌握宏观与微观的联系。【典例分析1】(2020-济宁质检)物体的体积变化时

4、，分子间距离会随之变化，分子势能也会发生变化。已知两 分子间的斥力和引力的合力F与分子间距离7的关系如图中曲线所示，设有、B两个分子，分子固泄在O 点，m为英平衡位巻，现使分子由静止释放，并在分子力的作用下由距/分子0.5m处开始沿'轴正方向运动 到无穷远处，则E分子的加速度如何变化：°分子力对B做功情况如何：。分子势能如何变化：e【题眼点拨】 二B分子由“静止释放”说明 二B分子由距2分子“0.5用处运动到无穷远，给岀B分子与/分子之间的距离与m的关系，进一步可以确定分 子力是斥力还是引力。【答案】B分子的加速度先变小再反向变大，再变小分子力先做正功再做负功分子势能先减小后

5、增大【解析】由图象可知，曲线与厂轴交点的横坐标为心，E分子受到的分子力先变小，位于平衡位宜时，分子力 为零，过平衡位宜后，分子力先变大再变小，故E分子的加速度先变小再反向变大，再变小。当小于小时, 分子间的作用力表现为斥力，F做正功，分子动能增大，分子势能减小：当厂等于小时，分子动能最大，分子 势能最小；当厂大于小时，分子间的作用力表现为引力，分子力做负功，分子动能减小，分子势能增大，故分 子力先做正功再做负功，分子势能先减小后增大。【规律总结】分子力与分子势能的图象比较分子力F分子势能Ep图象JLI引力随分子间距离的变化情况F随厂增大而减小，表现为斥力?增大，F做正功，坊减小r>ro厂

6、增大，F先增大后减小，表现为引 力7增大，F做负功，坊增大r=zioF从=F附F=Q耳,最小，但不为零?->10ro引力和斥力都很微弱，F=QEP=0考点二固体液体气体分子的运动特点【考点诠释】1 固体和液体晶体和非晶体。比较晶体非晶体单晶体多晶体形状规则不规则不规则熔点固定固定不固定特性各向异性各向同性各向同性(2) 液晶是一种特殊的物质状态，所处的状态介于创态和液态之间。液晶具有流动性，在光学、电学物理性质上 表现出各向异性。(3) 液体的表面张力使液体表面具有收缩到最小的趋势，表而张力的方向跟液而相切。2. 气体分子运动特点3. 对气体压强的理解(1) 气体对容器壁的压强是气体分子

7、频繁碰撞的结果，温度越高，气体分子数密度越大，气体对容器壁因碰撞而 产生的压强就越大。(2) 地球表而大气压强可认为是由于大气重力产生的。【典例分析21(2020-山东名校联考信息卷)玻璃器皿的制造过程中玻璃液的形成是重要环当温度达到1 200二 时，大量的气泡分布在玻璃液中，经过一系列工艺后获得澄淸的玻璃液，之后可以通过降温到合适温度，然后 选择合适大小的玻璃液进行吹泡(即往玻璃液中吹气)制造玻璃器皿，下列与玻璃有关的物理学问题的说法正确 的是()A. 因为分子间存在着斥力，所以破碎的玻璃不能简单地拼接在一起B. 玻璃从开始熔化到形成玻璃液的过程中，温度不固立C. 玻璃内部的原子是无序分布的

8、，具有各向异性的特点D. 使1 200二的玻璃液继续升温，可能使英中的气泡减少E. 在頁空和髙温条件下，可以利用分子扩散在半导体材料中掺入苴他元素表而特性表面层分子间的引力使液而产生了表而张力使液体表而好像一层绷紧的弹性薄膜表而张力的方向和液而相切，垂直于液面上的各条分界线表而张力的效果表而张力使液体表而具有收缩趋势，使液体表而枳趋于最小，而在体枳相同的条件下， 球形的表面积最小典型现象球形液滴、肥皂泡、涟波、毛细现象，浸润和不浸润考点三热力学定律【考点诠释】1.对热力学左律的理解(1) 对热力学第一定律"=0+炉的理解二仅由温度决泄，升温时为正，降温时为负；二W仅由体枳决左，压缩时

9、为正，膨胀时为负：二0由和炉共同决泄。(2) 对热力学第二定律的理解热量可以由低温物体传递到高温物体，也可以从单一热源吸收热量全部转化为功，但不引尼其他变化是不可能 的。2. 对热力学第一左律的考査有定性判断和左量计算两种方式(1) 建性判断利用题中的条件和符号法则对炉、Q、中的英中两个量做出准确的符号判断，然后利用厶U=W+O对第三 个量做出判断。(2) 定量计算一般计算等压变化过程的功，即w=p-v,然后结合其他条件，利用 UW+O进行相关计算。3. 能量守恒泄律(1)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

10、的过程中，能量的总量保持不变。(2) 条件性：能量守恒迫律是自然界的普遍规律，某一种形式的能量是否守恒是有条件的。(3) 第一类永动机是不可能制成的，它违背了能量守恒定律。【典例分析4】(2019-全国卷二T33(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。【答案】低于大于【解析】容器与活塞绝热性能良好，容器中空气与外界不

11、发生热交换(0=0),活塞移动的过程中，容器中空气 压强减小，则容器中空气正在膨胀，体积增大，对外界做功，即矽V)。根据热力学第一泄律 U=O+W可知： 容器中空气内能减小，温度降低，容器中空气的温度低于外界温度。根据理想气体状态方程有普=C,又令， 联立解得：卩=帶对容器外与容器内质量均为加的气体，因容器中空气压强和容器外空气压强相同，容器内 温度低于外界温度，则容器中空气的密度大于外界空气的密度。【规律总结】热力学第一定律的三种特殊情况(1) 若过程是绝热的，则0=0, W=AU,外界对物体做的功等于物体内能的增加量，或物体对外界做的功 等于物体内能的减少量。(2) 若过程中不做功，则W=

12、0, Q=、U,物体吸收的热量等于物体内能的增加虽:，或物体放出的热量等于 物体内能的减少呈:。(3) 二若过程的始、末状态物体的内能不变，则W+O=0,即物体吸收的热疑全部用来对外做功，或外界对 物体做的功等于物体放岀的热量。二做功和热传递都可以改变物体的内能，如果两个过程同时发生，则内能的 改变可由热力学第一泄律U=W+O确左。考点四气体实验定律和理想气体的状态方程【考点诠释】1. 气体压强的计算(1)力平衡法：选取与气体接触的液柱(或活塞)为研究对象进行受力分析，得到液柱(或活塞)的受力平衡方程，求 得气体的压强。(2)等压而法：在连通器中，同一种液体(中间不间断)同一深度处压强相等，液

13、体内深刀处的总压强p=pgh, 少为液而上方的大气压强。说明：固体密封的气体一般用力平衡法，液柱密封的气体一般用等压面法。2. 气体实验泄律玻意耳立律：P1V1=P2V 2査理左律：計唆或斜辛盖一吕萨克定律：¥=余或長3. 理想气体的状态方程(1) 理想气体是指在任何条件下始终遵守气体实验左律的气体，一泄质疑的理想气体的内能只和温度有关。(2) 状态方程：号或学=C。4. 应用气体实验左律的三个重点环节(1) 正确选择研究对象：对于变质量问题要研究质量不变的部分；对于多部分气体问题，要对各部分独立研究, 各部分之间一般通过压强(液柱或活塞的受力)找联系。(2) 列出各状态的参疑：气体

14、在初、末状态，往往会有两个(或三个)参疑发生变化，把这些状态参疑罗列岀来能 够比较准确、快速的找到规律。(3) 认淸变化过程：准确分析变化过程以便正确选用气体实验左律。【典例分析5】.(2020山东学业水平等级考试T中医拔罐的物理原理是利用玻璃罐内外的气压差使罐吸附在 人体穴位上，进而治疗某些疾病。常见拔罐有两种，如图所示，左侧为火罐，下端开口：右侧为抽气拔罐，下 端开口，上端留有抽气阀门。使用火罐时，先加热罐中气体，然后迅速按到皮肤上，自然降温后火罐内部气压 低于外部大气压，使火罐紧紧吸附在皮肤上。抽气拔罐是先把罐体按在皮肤上，再通过抽气降低罐内气体压强。 某次使用火罐时，罐内气体初始压强与

15、外部大气压相同，温度为450 K,最终降到300 K,因皮肤凸起，内部气 20?n体体积变为罐容积的寺。若换用抽气拔罐，抽气后罐内剩余气体体积变为抽气拔罐容积的务，罐内气压与火罐 降温后的内部气压相同。罐内气体均可视为理想气体，忽略抽气过程中气体温度的变化。求应抽岀气体的质量 与抽气前罐内气体质量的比值。【答案】I【解析】设火罐内气体初始状态参量分别为pi. Ti. Ki,温度降低后状态参量分别为T2. V2,罐的容积为%,由题意知 pi=po、Ti=450 K. " = %、T> = 300K.儿=晋由理想气体状态方程得20rTi Ti代入数据得P2=o.?po对于抽气罐，设

16、初态气体状态参量分别为丹、兀，末态气体状态参量分别为P4. J 罐的容积为只0,由题意知P3=P0、5=00、P4=P2由玻意耳定律得PqVq=piV联立二二式，代入数据得r4=yr0设抽出的气体的体积为?,由题总知20?=必一立久 故应抽出气体的质量与抽气前罐内气体质量的比值为A/nAK一mVa一联立二二二式，代入数据得A?»1_V=3°-【典例分析6】.(2020-潍坊模拟)如图所示在绝热汽缸内，有一绝热轻活塞封闭一上质疑的气体，开始时缸内气 体温度为27 Z,封闭气柱长9 cm,活塞横截而积S=50 cm2。现通过汽缸底部电阻丝给气体加热一段时间。此 过程中气体吸热2

17、2 J,稳左后气体温度变为127 Oo已知大气压强等于105 Pa,求：(1) 加热后活塞到汽缸底端的距离；(2) 此过程中气体内能改变了多少。【答案】(1)12 cm (2)7 J【解析】(1)取被封闭的气体为研究的对象。开始时气体的体积为Z1S,温度为：C=(273+27)K=300K,末状态的体积为LiS,温度为：T2=(273 + 127)K=400K气体做等压变化，则第理代入数据得：Z2=12cmo(2)在该过程中，气体对外做功：FF=F AZ=po(Z2-Ii) = lO5x5OxlO 4x(129)x10 2J=15 J,由热力学第一宦律：山7=。一炉=22 J 15J=7J。【

18、规律总结】求解气体实验左律与热力学怎律的综合问题的通用思路考点五热力学第一定律与图象的综合应用【考点诠释】【典例分析7 （2020-湖北武汉市四月调研）如图所示，一泄质疑的理想气体从状态变化到状态再由状态B 变化到状态C,最后由状态C变化到状态丄气体完成这个循环，内能的变化，对外做功皿=，气体从外界吸收的热.（用图中已知量表示）O 仏 2% V【答案】（i）o poro尹【解析】（1）气体完成一个循环过程，温度的变化虽为零，则内能的变化!/=（）：对外做功等于图中三角形 -1SC的而枳，即"=茲卩。:根据热力学第一宦律可知，气体吸热：O=W=pQVQ.【典例分析8 （2020-辽宁葫

19、芦岛市第一次模拟）回热式制冷机是一种深低温设备，制冷极限约50 K.某台回热 式制冷机工作时，一泄量的氢气（可视为理想气体）缓慢经历如图所示的四个过程：已知状态J和B的温度均为 27二，状态C和D的温度均为一 133二，下列判断正确的是A. 气体由状态d到B过程，温度先升高后降低B. 气体由状态2到C过程，内能保持不变C. 气体由状态C到D过程，分子间的平均间距减小D. 气体由状态C到D过程，气体对外做功E. 气体由状态D到/过程，英热力学温度与压强成正比【答案】（l）ADE【解析】（1）状态2和B的温度相等，根据学=C,经过、B的等温线应是过、B的双曲线的一部分，沿 直线由2到D p?先增大

20、后减小，所以温度先升高后降低，故A正确：气体由状态B到C过程，体积不变, 根抵学=G压强减小，温度降低，内能减小，故B错误：气体由状态C到D过程，体积增大，分子间的平均 间距增大，故C错误；气体由状态C到Z）过程，体积增大，气体对外做功，故D正确：气体由状态D到丿过 程，体枳不变，根畔=C,瓦热力学温度与压强成正比，故E正确.【典例分析9】（2020-宿州市一质检）-左量的理想气体的压强p与热力学温度T的变化图象如图所示。下列说 法正确的是（）TA，一B的过程中，气体对外界做功，气体内能增加B. A-B的过程中，气体从外界吸收的热量等于其内能的增加量C. B-C的过程中，气体体积增大，对外做功

21、DB-C的过程中，气体对外界放热，内能不变E. B-C的过程中，气体分子与容器壁每秒碰撞的次数增加【答案】BDE【解析】从川到E的过程，是等容升温过程，气体不对外做功，气体从外界吸收热量，使得气体内能增加，故 A错误，B正确：从B到C的过程是等温压缩过程，压强增大，体枳减小，外界对气体做功，气体放出热量, 内能不变，因体枳减小，分子数密度增大，故气体分子与容器壁每秒碰撞的次数增加，故C错误，D. E正确。【规律总结】判断理想气体内能变化的两种方法(1) 一立质量的理想气体，内能的变化完全由温度变化决泄，温度升髙，内能增大。(2) 若吸、放热和做功情况已知，可由热力学第一左律 U=W+O来确定。

22、考点六实验：用油膜法估测分子的大小【考点诠释】1. 实验原理利用油酸酒精溶液在平静的水而上形成单分子汕膜(如图所示),将油酸分子看作球形，测出一定体积油酸洒精V溶液在水而上形成的油膜而积，用d=令讣算岀油膜的厚度，英中7为一滴油酸洒精溶液中纯油酸的体积，S为 油膜面积。这个厚度就近似等于油酸分子的直径。2. 实验器材已稀释的油酸若干亳升、量筒1个、浅盘1只(30cmx40 cm).纯净水、注射器(或滴管)1支、透明玻璃板一块、 坐标纸、彩色水笔1支、赚子粉或石膏粉(带纱网或粉扑)。3. 实验步骤取1 niL(l cm的油酸溶于酒精中，制成200 mL的油酸酒精溶液。(2) 往边长约为3040

23、cm的浅盘中倒入约2 cm深的水，然后将赚子粉或石膏粉均匀地撒在水而上。(3) 用滴管(或注射器)向量简中滴入“滴配制好的油酸洒精溶液，使这些溶液的体积恰好为1 mL,算岀每滴油酸 洒精溶液的体积坯=中mL.(4) 用滴管(或注射器)向水面上滴入一滴配制好的油酸洒精溶液，油酸就在水而上慢慢散开，形成单分子汕膜。(5) 待油酸薄膜形状稳宦后,将一块较大的玻璃板盖在浅盘上，用彩笔将油酸薄膜的形状画在玻璃板上。(6) 将画有汕酸薄膜轮廓的玻璃板放在坐标纸上，算出油酸薄膜的面积。(7) 根据油酸酒精溶液的浓度，算出一滴溶液中纯汕酸的体积只根据纯油酸的体积7和薄膜的而积S,算出汕V酸薄膜的厚度d=F即为油酸分子的直径。比较算出的分子直径.看其数量级(单位为m)是否为10 10,若不是10】。需重做实验。【典例分析10】在“用油膜法估测分子的大小“的实验中，用務液管量取0.25 mL油酸，倒入标注250 mL的 容量瓶中，再加入洒精后得到250 niL的溶液：然后用滴管吸取这种溶液，向小量简中