分子动理论气体及热力学定律

分子动理论气体及热力学定律第1页，共67页，2023年，2月20日，星期三第12讲分子动理论气体及热力学定律第2页，共67页，2023年，2月20日，星期三1．(2013·新课标全国卷Ⅰ·33)(1)两个相距较远的分子仅在分子力作用下由静止开始运动，直至不再靠近．在此过程中，下列说法正确的是________．

A．分子力先增大，后一直减小

B．分子力先做正功，后做负功

C．分子动能先增大，后减小

D．分子势能先增大，后减小

E．分子势能和动能之和不变第3页，共67页，2023年，2月20日，星期三(2)如图6－12－1，两个侧壁绝热、顶部和底部都导热的相同气缸直立放置，气缸底部和顶部均有细管连通，顶部的细管带有阀门K.两气缸的容积均为V0，气缸中各有一个绝热活塞(质量不同，厚度可忽略)．开始时K关闭，两活塞下方和右活塞上方充有气体(可视为理想气体)，压强分别为p0和p0/3；左活塞在气缸正中间，其上方为真空；

图6－12－1第4页，共67页，2023年，2月20日，星期三右活塞上方气体体积为V0/4.现使气缸底与一恒温热源接触，平衡后左活塞升至气缸顶部，且与顶部刚好没有接触；然后打开K，经过一段时间，重新达到平衡．已知外界温度为T0，不计活塞与气缸壁间的摩擦．求：(i)恒温热源的温度T；(ii)重新达到平衡后，左气缸中活塞上方气体的体积Vx.第5页，共67页，2023年，2月20日，星期三解析

(1)由分子动理论的知识，当两个分子相互靠近，直至不能靠近的过程中，分子力先是表现为引力且先增大后减小，之后表现为分子斥力，一直增大，所以A选项错误；分子引力先做正功，然后分子斥力做负功，分子势能先减小再增大，分子动能先增大后减小，所以B、C正确，D错误．因为只有分子力做功，所以分子势能和分子动能的总和保持不变，E选项正确．第6页，共67页，2023年，2月20日，星期三第7页，共67页，2023年，2月20日，星期三第8页，共67页，2023年，2月20日，星期三第9页，共67页，2023年，2月20日，星期三2．(2013·新课标全国卷Ⅱ·33)(1)关于一定量的气体，下列说法正确的是________．

A．气体的体积指的是该气体的分子所能到达的空间的体 积，而不是该气体所有分子体积之和

B．只要能减弱气体分子热运动的剧烈程度，气体的温度就 可以降低

图6－12－2第10页，共67页，2023年，2月20日，星期三

C．在完全失重的情况下，气体对容器壁的压强为零

D．气体从外界吸收热量，其内能一定增加

E．气体在等压膨胀过程中温度一定升高第11页，共67页，2023年，2月20日，星期三(2)如图6－12－2，一上端开口、下端封闭的细长玻璃管竖直放置．玻璃管的下部封有长l1＝25.0cm的空气柱，中间有一段长为l2＝25.0cm的水银柱，上部空气柱的长度l3＝40.0cm.已知大气压强为p0＝75.0cmHg.现将一活塞(图中未画出)从玻璃管开口处缓缓往下推，使管下部空气柱长度变为l1′＝20.0cm.假设活塞下推过程中没有漏气，求活塞下推的距离．第12页，共67页，2023年，2月20日，星期三解析

(2)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＋p2 ①设活塞下推后，下部空气柱的压强为p1′，由玻意耳定律得p1l1＝p1′l1′ ②第13页，共67页，2023年，2月20日，星期三如图，设活塞下推距离为Δl，则此时玻璃管上部空气柱的长度为l3′＝l3＋l1－l1′－Δl ③设此时玻璃管上部空气柱的压强为p2′，则p2′＝p1′－p2④由玻意耳定律得p0l3＝p2′l3′ ⑤由①至⑤式及题给数据解得Δl＝15.0cm答案

(1)ABE

(2)15.0cm第14页，共67页，2023年，2月20日，星期三近三年新课标全国卷的试题都是由一小一大组成的，小题是选择题的形式，其分值为6分．大题是计算题的形式，其分值为9分．2011年小题是对气体的压强、内能变化及热力学第一定律的理解．大题是气体压强的计算及玻意耳定律的应用．2012年小题是热力学第一、二定律的理解．大题是玻意耳定律、查理定律的应用．2013年新课标全国卷Ⅰ小题考查的是分子力、分子力做功、分子势能．大题考查的是盖·吕萨克定律和玻意耳定律的应用．第15页，共67页，2023年，2月20日，星期三热点聚焦

(1)分子动理论、物体的内能

(2)晶体与非晶体

(3)气体压强的计算

(4)气体实验定律的应用

(5)热力学定律的理解及应用命题趋势

2014年高考对本专题内容的考查仍将以分子动理论和热力学定律及气体状态方程应用为重点，以组合题形式出现．第16页，共67页，2023年，2月20日，星期三考向一分子动理论与气体实验定律的组合图6－12－3第17页，共67页，2023年，2月20日，星期三第18页，共67页，2023年，2月20日，星期三第19页，共67页，2023年，2月20日，星期三(2)如图6－12－4所示，两端开口的U形玻璃管两边粗细不同，粗管横截面积是细管的2倍．管中装入水银，两管中水银面与管口距离均为12cm，大气压强为p0＝75cmHg.现将粗管管口封闭，然后将细管管口用一活塞封闭并将活塞缓慢推入管中，直到两管中水银面高度差达6cm为止，求活塞下移的距离(假设环境温度不变)．图6－12－4第20页，共67页，2023年，2月20日，星期三解析(1)选项A中的物质不明确状态，若是气体，要考虑分子间距，则选项A错误；布朗运动观察到的是悬浮颗粒的无规则运动，不是液体分子的无规则运动，则选项B错误；温度是分子平均动能的标志，则选项C正确；两分子间距增大，分子力可能增大，也可能减小，则选项D错误．第21页，共67页，2023年，2月20日，星期三(2)设粗管中气体为气体1，细管中气体为气体2.对粗管中气体1：有p0L1＝p1L1′右侧液面上升h1，左侧液面下降h2，有S1h1＝S2h2，h1＋h2＝6cm，得h1＝2cm，h2＝4cm，L1′＝L1－h1解得：p1＝90cmHg对细管中气体2：有p0L1＝p2L2′，p2＝p1＋Δh解得：L2′＝9.375cm因为h＝L1＋h2－L2′，解得：h＝6.625cm答案(1)C(2)6.625cm第22页，共67页，2023年，2月20日，星期三应用气体实验定律的解题思路(1)选择对象——即某一定质量的理想气体；(2)找出参量——气体在始末状态的参量p1、V1、T1及p2、V2、T2；(3)认识过程——认清变化过程是正确选用物理规律的前提；(4)列出方程——选用某一实验定律或气态方程，代入具体数值求解，并讨论结果的合理性．

第23页，共67页，2023年，2月20日，星期三【预测1】

(1)两分子间的斥力和引力的合力F与分子间距离r的关系如图6－12－5中曲线所示，曲线与r轴交点的横坐标为r0.相距很远的两分子在分子力作用下，由静止开始相互接近．若两分子相距无穷远时分子势能为零，下列说法正确的是(

)．图6－12－5第24页，共67页，2023年，2月20日，星期三A．在r>r0阶段，F做正功，分子动能增加，势能减小B．在r<r0阶段，F做负功，分子动能减小，势能也减小C．在r＝r0时，分子势能最小，动能最大D．在r＝r0时，分子势能为零E．分子动能和势能之和在整个过程中不变第25页，共67页，2023年，2月20日，星期三(2)某学校科技兴趣小组利用废旧物品制作了一个简易气温计：在一个空葡萄酒瓶中插入一根两端开口的玻璃管，玻璃管内有一段长度可忽略的水银柱，接口处用蜡密封，将酒瓶水平放置，如图6－12－6所示，已知该装置密封气体的体积为480cm3，玻璃管内部横截面积为0.4cm2，瓶口外的有效长度为48cm.当气温为7℃时，水银柱刚好处在瓶口位置．图6－12－6第26页，共67页，2023年，2月20日，星期三①求该气温计能测量的最高气温．②假设水银柱从瓶口处缓慢移动到最右端的过程中，密封气体从外界吸收3J热量，问在这一过程中该气体的内能如何变化？变化了多少？(已知大气压为1×105Pa)第27页，共67页，2023年，2月20日，星期三解析(1)在r>r0时，分子间作用力表现为引力，在两分子靠近时，引力做正功，分子势能减小，分子动能增大，选项A正确；在r<r0时，分子间作用力表现为斥力，在两分子靠近时，斥力做负功，分子势能增大，分子动能减小，选项B错误；在r＝r0时，引力和斥力相等，分子力为零，分子势能最小但不为零，分子动能最大，选项C正确，D错误；只有分子力做功，分子势能和分子动能之和保持不变，选项E正确．第28页，共67页，2023年，2月20日，星期三第29页，共67页，2023年，2月20日，星期三【预测2】

(1)根据分子动理论，对下列现象解释正确的是________．(填入正确选项前的字母) A．花香袭人，说明分子永不停息地做无规则运动

B．海绵容易压缩，说明分子间存在引力

C．滴进水中的红墨水迅速散开，说明分子间存在斥力

D．浑浊液静置后变澄清，说明分子间既有引力又有斥力第30页，共67页，2023年，2月20日，星期三图6－12－7第31页，共67页，2023年，2月20日，星期三(3)现在轿车已进入普通家庭，为保证驾乘人员人身安全，汽车增设了安全气囊，它会在汽车发生一定强度的碰撞时，利用叠氮化钠(NaN3)爆炸时产生气体(假设都是N2)充入气囊，以保护驾乘人员．若已知爆炸瞬间气囊容量为70L，氮气的密度ρ＝1.25×102kg/m3，氮气的平均摩尔质量M＝0.028kg/mol，阿伏加德罗常数NA＝6.02×1023mol－1，试估算爆炸瞬间气囊中N2分子的总个数N(结果保留一位有效数字)．第32页，共67页，2023年，2月20日，星期三第33页，共67页，2023年，2月20日，星期三第34页，共67页，2023年，2月20日，星期三考向二热力学定律、内能与气体实验定律的组合1.热力学第一定律：ΔU＝Q＋W2．在热力学第二定律的表述中，“自发地”、“不产生其他影响”的涵义．

(1)“自发地”指明了热传递等热力学宏观现象的方向性，不需要借助外界提供能量的帮助．

(2)“不产生其他影响”的涵义是发生的热力学宏观过程只在本系统内完成，对周围环境不产生热力学方面的影响，如吸热、放热、做功等．第35页，共67页，2023年，2月20日，星期三1.热力学第一定律：ΔU＝Q＋W2．在热力学第二定律的表述中，“自发地”、“不产生其他影响”的涵义．(1)“自发地”指明了热传递等热力学宏观现象的方向性，不需要借助外界提供能量的帮助．(2)“不产生其他影响”的涵义是发生的热力学宏观过程只在本系统内完成，对周围环境不产生热力学方面的影响，如吸热、放热、做功等．第36页，共67页，2023年，2月20日，星期三第37页，共67页，2023年，2月20日，星期三【典例2】

(2013·江苏卷，12A)如图6－12－8所示，一定质量的理想气体从状态A依次经过状态B、C和D后再回到状态A.其中，A―→B和C―→D为等温过程，B―→C和D―→A为绝热过程(气体与外界无热量交换)．这就是著名的“卡诺循环”．图6－12－8第38页，共67页，2023年，2月20日，星期三(1)该循环过程中，下列说法正确的是________．A．A―→B过程中，外界对气体做功B．B―→C过程中，气体分子的平均动能增大C．C―→D过程中，单位时间内碰撞单位面积器壁的分子数增多D．D―→A过程中，气体分子的速率分布曲线不发生变化第39页，共67页，2023年，2月20日，星期三第40页，共67页，2023年，2月20日，星期三解析(1)由理想气体状态方程和热力学第一定律分析，A―→B为等温过程，内能不变，气体的体积增大，气体对外做功，A错；B―→C过程为绝热过程，体积增大对外做功，因此内能减小，气体分子的平均动能减小，B错；C―→D为等温过程，体积减小，分子数密度增大，单位时间内碰撞单位面积的分子数增多，C项正确；D―→A为绝热过程，体积减小，外界对气体做功内能增大，温度升高，因此气体分子的速率分布曲线变化，D错．第41页，共67页，2023年，2月20日，星期三第42页，共67页，2023年，2月20日，星期三牢记以下的几个结论：(1)热量不能自发地由低温物体传递给高温物体；(2)气体压强是由气体分子频繁地碰撞器壁产生的，压强大小与分子热运动的剧烈程度和分子密度有关；(3)做功和热传递都可以改变物体的内能，理想气体的内能只与温度有关；(4)温度变化时，意味着物体内分子的平均动能随之变化，并非物体内每个分子的动能都随之发生同样的变化．

第43页，共67页，2023年，2月20日，星期三【预测3】

(1)在研究性学习的过程中，针对能源问题、大气污染问题同学们提出了如下四个活动方案，从理论上讲可行的是(

)．

A．利用浅层海水和深层海水之间的温度差制造一种热机，将 海水的全部内能转化为机械能是可能的

B．制作一种制冷设备，使温度降至绝对零度以下

C．将房屋顶盖上太阳能板，可直接用太阳能来解决照明和热 水问题

D．汽车尾气中各类有害气体排入大气后严重污染了空气，想 办法使它们自发地分离，既清洁了空气，又变废为宝第44页，共67页，2023年，2月20日，星期三(2)如图6－12－9所示，汽缸放置在水平平台上，活塞质量10kg，横截面积50cm2，厚度1cm，汽缸全长21cm，汽缸质量20kg，大气压强为1×105Pa，当温度为7℃时，活塞封闭的气柱长10cm，若将汽缸倒过来放置时，活塞下方的空气能通过平台上的缺口与大气相通．g取10m/s2，求：①汽缸倒置时，活塞封闭的气柱多长；②当温度多高时，活塞刚好接触平台．图6－12－9第45页，共67页，2023年，2月20日，星期三解析(1)利用浅层海水和深层海水之间的温度差制造一种热机，将海水的全部内能转化为机械能是不可能的，因为它违反了热力学第二定律，A错误；因为绝对零度是下限温度，故制作一种制冷设备，使温度降至绝对零度以下是不可能的，B错误；将房屋顶盖上太阳能板，可直接用太阳能来解决照明和热水问题是可行的，C正确；汽车尾气中各类有害气体排入大气后严重污染了空气，使它们自发地分离是不可能的，D错误．第46页，共67页，2023年，2月20日，星期三第47页，共67页，2023年，2月20日，星期三第48页，共67页，2023年，2月20日，星期三【预测4】

(1)关于热力学定律，下列说法正确的是 (

)．

A．在一定条件下物体的温度可以降到0K B．物体从单一热源吸收的热量可全部用于做功

C．吸收了热量的物体，其内能一定增加

D．压缩气体总能使气体的温度升高第49页，共67页，2023年，2月20日，星期三(2)如图6－12－10所示，一定量的气体放在体积为V0的容器中，室温为T0＝300K，有一光滑导热活塞C(不占体积)将容器分成A、B两室，B室的体积是A室的两倍，A室容器上连接有一U形管(U形管内气体的体积忽略不计)．管两边水银柱高度差为76cm，B室容器中连接有阀门S，可与大气相通(外界大气压等于76cm汞柱产生的压强)．求：图6－12－10第50页，共67页，2023年，2月20日，星期三①将阀门S打开后，A室的体积变成多少？②打开阀门S后将容器内的气体从300K分别加热到400K和540K，U形管内两边水银面的高度差各为多少？第51页，共67页，2023年，2月20日，星期三解析(1)根据热力学第三定律绝对零度不可能达到，故A错误；物体从外界吸收热量，对外做功，根据热力学第一定律可知内能可能增加、减少或不变，故C错误；压缩气体，外界对气体做正功，气体可能向外界放热，内能可能减少，温度降低，故D错误；物体从单一热源吸收的热量可全部用于做功而引起其他变化，B正确．第52页，共67页，2023年，2月20日，星期三第53页，共67页，2023年，2月20日，星期三第54页，共67页，2023年，2月20日，星期三考向三热学基本知识与气体实验定律的组合1.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第55页，共67页，2023年，2月20日，星期三2.液晶的性质 液晶是一种特殊的物质，既可以流动，又可以表现出单晶体的分子排列特点，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有收缩到球形的趋势，表面张力的方向跟液面相切．第56页，共67页，2023年，2月20日，星期三【典例3】

(2013·山东卷，36)(1)下列关于热现象的描述正确的一项是(

)．

A．根据热力学定律，热机的效率可以达到100% B．做功和热传递都是通过能量转化的方式改变系统内能的

C．温度是描述热运动的物理量，一个系统与另一个系统达 到热平衡时两系统温度相同

D．物体由大量分子组成，其单个分子的运动是无规则的， 大量分子的运动也是无规律的第57页，共67页，2023年，2月20日，星期三(2)我国“蛟龙”号深海探测船载人下潜超过七千米，再创载人深潜新纪录．在某次深潜实验中，“蛟龙”号探测到990m深处的海水温度为280K．某同学利用该数据来研究气体状态随海水深度的变化．如图6－12－11所示，导热良好的气缸内封闭一定质量的气体，不计活塞的质量和摩擦，气缸所处海平面的温度T0＝300K，压强p0＝1atm，封闭气体的体积V0＝3m3.如果将该气缸下潜至990m深处，此过程中封闭气体可视为理想气体．图6－12－11第58页，共67页，2023年，2月20日，星期三①求990m深处封闭气体的体积(1atm相当于10m深的海水产生的压强)．②下潜过程中封闭气体________(填“吸热”或“放热”)，传递的热量________(填“大于”或“小于”)外界对气体所做的功．第59页，共67页，2023年，2月20日，星期三第60页，共67页，2023年，2月20日，星期三【预测5】

(1)科学家在“哥伦比亚”号航天飞机上进行了一次微重力条件(即失重状态)下制造泡沫金属的实验．把锂、镁、铝、钛等轻金属放在一个石英瓶内，用太阳能将这些金属融化成液体，然后在融化的金属中充入氢气，使金属内产生大量气泡，金属冷凝后就形成到处是微孔的泡沫金属．下列说法正确的是 (

)．第61页，共67页，2023年，2月20日，星期三A．失重条件下液态金属呈现球状是由于液体表面分子间只存在引力B．在失重条件下充入金属液体内的气体气泡不能无限地膨胀是因为液体表面张力的约束C．泡沫金属物理性质各向异性，说明它是晶体D．泡沫