专题33 热学的基本概念与原理（解析版）

专题33热学的基本概念与原理目录TOC\o"1-3"\h\u题型一关于分子动理论及内能的考查 1类型1微观量估算的两种“模型” 1类型2布朗运动与分子热运动 5类型3分子力和内能 10题型二固体、液体和气体 14类型1固体和液体性质的理解 14类型2气体压强的计算及微观解释 20题型三关于热力学定律与能量守恒定律的理解 25类型1热力学第一定律的理解 25类型2热力学第二定律的理解 30类型3热力学第一定律与图像的综合应用 33题型一关于分子动理论及内能的考查类型1微观量估算的两种“模型”1．微观量与宏观量(1)微观量：分子质量m0、分子体积V0、分子直径d等．(2)宏观量：物体的质量m、摩尔质量M、物体的密度ρ、物体的体积V、摩尔体积Vmol等．2．分子的两种模型(1)球模型：V0＝eq\f(1,6)πd3，得直径d＝eq\r(3,\f(6V0,π))(常用于固体和液体)．(2)立方体模型：V0＝d3，得边长d＝eq\r(3,V0)(常用于气体)．3．几个重要关系(1)一个分子的质量：m0＝eq\f(M,NA).(2)一个分子的体积：V0＝eq\f(Vmol,NA)(注意：对于气体，V0表示一个气体分子占有的空间)．(3)1mol物体的体积：Vmol＝eq\f(M,ρ).模型1微观量估算的球体模型【例1】(多选)钻石是首饰、高强度钻头和刻刀等工具中的主要材料，设钻石的密度为ρ(单位为kg/m3)，摩尔质量为M(单位为g/mol)，阿伏加德罗常数为NA.已知1克拉＝0.2g，则下列选项正确的是()A．a克拉钻石物质的量为eq\f(0.2a,M)B．a克拉钻石所含有的分子数为eq\f(0.2aNA,M)C．每个钻石分子直径的表达式为eq\r(3,\f(6M×10－3,NAρπ))(单位为m)D．a克拉钻石的体积为eq\f(a,ρ)【答案】ABC【解析】a克拉钻石的质量为0.2a克，得物质的量为eq\f(0.2a,M)，所含分子数为eq\f(0.2a,M)×NA，故A、B正确；每个钻石分子的体积为eq\f(M×10－3,ρNA)，固体分子看作球体，V＝eq\f(4,3)πR3＝eq\f(4,3)πeq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(d,2)))3＝eq\f(1,6)πd3，联立解得分子直径d＝eq\r(3,\f(6M×10－3,NAρπ))，故C正确；a克拉钻石的体积为eq\f(0.2a×10－3,ρ)，D错误．【例2】(2022·山东省摸底)在标准状况下，体积为V的水蒸气可视为理想气体，已知水蒸气的密度为ρ，阿伏伽德罗常数为NA，水的摩尔质量为M，水分子的直径为d。(1)计算体积为V的水蒸气含有的分子数；(2)估算体积为V的水蒸气完全变成液态水时，液态水的体积(将液态水分子看成球形，忽略液态水分子间的间隙)。【答案】(1)eq\f(ρV,M)NA(2)eq\f(πρVd3NA,6M)【解析】(1)体积为V的水蒸气的质量为m＝ρV故体积为V的水蒸气含有的分子数为N＝eq\f(m,M)NA＝eq\f(ρV,M)NA。(2)液态水分子看成球形，水分子的直径为d则一个水分子的体积为V0＝eq\f(4,3)πeq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(d,2)))eq\s\up12(3)则液态水的体积为V′＝NV0＝eq\f(ρV,M)NA·eq\f(4π,3)eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(d,2)))eq\s\up12(3)＝eq\f(πρVd3NA,6M)。【例3】(2022·江苏扬州市扬州中学月考)晶须是一种发展中的高强度材料，它是一些非常细的、非常完整的丝状(横截面为圆形)晶体．现有一根铁质晶须，直径为d，用大小为F的力恰好将它拉断，断面呈垂直于轴线的圆形．已知铁的密度为ρ，铁的摩尔质量为M，阿伏加德罗常数为NA，则拉断过程中相邻铁原子之间的相互作用力是()A. B.C. D.【答案】C【解析】铁的摩尔体积V＝eq\f(M,ρ)，单个分子的体积V0＝eq\f(M,ρNA)，又V0＝eq\f(4,3)πr3，所以分子的半径r＝eq\f(1,2)·，分子的最大截面积S0＝πr2＝eq\f(π,4)，铁质晶须的横截面上的分子数n＝eq\f(\f(πd2,4),S0)，拉断过程中相邻铁原子之间的相互作用力F0＝eq\f(F,n)＝，故C正确．模型2微观量估算的立方体模型【例4】(2022·河北衡水市月考)轿车中的安全气囊能有效保障驾乘人员的安全．轿车在发生一定强度的碰撞时，叠氮化钠(亦称“三氮化钠”，化学式NaN3)受撞击完全分解产生钠和氮气而充入气囊．若充入氮气后安全气囊的容积V＝56L，气囊中氮气的密度ρ＝1.25kg/m3，已知氮气的摩尔质量M＝28g/mol，阿伏加德罗常数NA＝6×1023mol－1，请估算：(结果保留一位有效数字)(1)一个氮气分子的质量m；(2)气囊中氮气分子的总个数N；(3)气囊中氮气分子间的平均距离r.【答案】(1)5×10－26kg(2)2×1024(3)3×10－9m【解析】(1)一个氮气分子的质量m＝eq\f(M,NA)解得m≈5×10－26kg(2)设气囊内氮气的物质的量为n，则有n＝eq\f(ρV,M)N＝nNA解得N≈2×1024(个)(3)气体分子间距较大，可以认为每个分子占据一个边长为r的立方体，则有r3＝eq\f(V,N)解得r≈3×10－9m.【例5】某一体积为V的密封容器，充入密度为ρ、摩尔质量为M的理想气体，阿伏加德罗常数为NA。则该容器中气体分子的总个数N＝__________。现将这部分气体压缩成液体，体积变为V0，此时分子中心间的平均距离d＝______________(将液体分子视为立方体模型)。【答案】eq\f(ρVNA,M)eq\r(3,\f(V0M,ρVNA))【解析】气体的质量m＝ρV气体分子的总个数N＝nNA＝eq\f(m,M)NA＝eq\f(ρV,M)NA该部分气体压缩成液体，分子个数不变设每个液体分子的体积为V1，则N＝eq\f(V0,V1)又V1＝d3联立解得d＝eq\r(3,\f(V0M,ρVNA))。【例6】空调在制冷过程中，室内空气中的水蒸气接触蒸发器(铜管)液化成水，经排水管排走，空气中水分越来越少，人会感觉干燥．某空调工作一段时间后，排出液化水的体积为V，水的密度为ρ，摩尔质量为M，阿伏加德罗常数为NA，则液化水中分子的总数N和水分子的直径d分别为()A．N＝eq\f(M,ρVNA)，d＝eq\r(3,\f(6M,πρNA))B．N＝eq\f(ρVNA,M)，d＝eq\r(3,\f(πρNA,6M))C．N＝eq\f(ρVNA,M)，d＝eq\r(3,\f(6M,πρNA))D．N＝eq\f(M,ρVNA)，d＝eq\r(3,\f(πρNA,6M))【答案】C【解析】水的摩尔体积Vmol＝eq\f(M,ρ)；水分子数N＝eq\f(V,Vmol)NA＝eq\f(ρVNA,M)；将水分子看成球形，由一个水分子的体积：eq\f(Vmol,NA)＝eq\f(1,6)πd3，解得水分子直径为d＝eq\r(3,\f(6M,πρNA))，C正确．类型2布朗运动与分子热运动扩散现象、布朗运动与热运动的比较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、气体任何两种物质之间比分子大得多的微粒的运动分子的运动，不能通过光学显微镜直接观察到共同点①都是无规则运动；②都随温度的升高而更加激烈联系扩散现象、布朗运动都反映分子做无规则的热运动【例1】（2023·重庆万州·重庆市万州第二高级中学校联考模拟预测）关于下列五幅图像说法正确的是（

）A．对甲图，加热一锅水时发现水中的胡椒粉在翻滚，说明温度越高布朗运动越剧烈B．对乙图，半杯水与半杯酒精混合之后的总体积要小于整个杯子的容积，说明液体分子之间有间隙C．对丙图，自由膨胀和扩散现象都具有双向可逆性D．对丁图、扩散现象不能在固体之间发生【答案】B【详解】A．布朗运动用肉眼观察不到的，对甲图，加热一锅水时发现水中的胡椒粉在翻滚，不是布朗运动，不能说明温度越高布朗运动越剧烈，选项A错误；B．对乙图，半杯水与半杯酒精混合之后的总体积要小于整个杯子的容积，说明液体分子之间有间隙，选项B正确；C．对丙图，自由膨胀和扩散现象都具有单向性，不具有双向可逆性，选项C错误；D．对丁图、扩散现象也能在固体之间发生，选项D错误。故选B。【例2】．（2023·山东·模拟预测）2023年3月底受冷空气以及大风天气影响，全国各地均出现不同程度的沙尘天气，内蒙古、北京等中北部地区局部有强沙尘暴，甚至局部地区出现下“泥点”的恶劣天气，山东、河南、安徽、江苏等华东地区也都出现AQI（空气质量指数）爆表达到500的现象，AQI指数中一项重要指标就是大家熟知的指数，是指空气中直径小于或等于的悬浮颗粒物，漂浮在空中，很难自然沉降到地面。对于上述天气现象的解释中正确的是（）A．中北部地区出现的沙尘暴中的沙尘颗粒所做的无规则运动是布朗运动B．一团质量不变的沙尘暴从温度较低的地区吹到温度较高的地区，温度逐渐升高、风速逐渐减小，其内能逐渐减小C．颗粒的尺寸与空气中氧气分子的尺寸数量级相当D．在空气中的无规则运动是由于大量空气分子无规则运动对其撞击的不平衡性引起的【答案】D【详解】A．布朗运动是悬浮在液体或气体中的固体颗粒，受到液体或气体分子的无规则撞击所做的无规则运动，用肉眼无法观察到布朗运动，沙尘暴的运动是气流运动形成的，不是布朗运动，故A错误；B．从低温到高温，内能增加，内能的宏观表现是温度，温度越高，内能越大，故B错误；C．氧分子尺寸的数量级为，而是指空气中直径小于或等于，故C错误；D．在空气中的运动是布朗运动，由空气中大量空气分子无规则运动对其撞击的不平衡性引起的，故D正确。故选D。【例3】．（2023·江苏南京·校考二模）雾霾天气是一种大气污染状态，霾粒子的分布比较均匀，而且灰霾粒子的尺度比较小，从0.001微米到10微米，平均直径大约在1~2微米左右，肉眼看不到空中飘浮的颗粒物。从物理学的角度认识雾霾，下列说法正确的是（

）A．雾霾天气中霾粒子的运动是布朗运动B．霾粒子的运动是分子的运动C．霾粒子的扩散形成霾D．霾粒子的运动与温度无关【答案】A【详解】AB．雾霾天气中霾粒子的运动是由气体分子撞击霾粒子的不平衡性而产生的布朗运动，不是分子的运动，故A正确，B错误；C．霾粒子的布朗运动形成霾，故C错误；D．霾粒子的运动与温度有关，温度越高，霾粒子的运动越剧烈，故D错误。故选A。【例4】．（2023春·江苏·高三校联考阶段练习）工作和生活中常用空调调节室内空气的温度，下列说法正确的是（

）A．空调制热使得室内温度上升，则室内速率小的空气分子比例减小B．空调风速越大，室内空气的分子动能也越大C．空调过滤器能够吸附PM2.5颗粒，此颗粒的运动是分子热运动D．空调既能制热又能制冷，说明热传递不存在方向性【答案】A【详解】A．空调制热使得室内温度上升，空气分子的平均动能增加，则室内速率小的空气分子比例减小。故A正确；B．室内空气的分子动能与温度相关，所以空调风速大小，与其动能大小无关。故B错误；C．空调过滤器能够吸附PM2.5颗粒，此颗粒做的是布朗运动，不是分子热运动。故C错误；D．空调制热和制冷过程，引起了其他变化，不违背热力学第二定律。故D错误。故选A。【例5】．（2023·全国·高三专题练习）图甲和图乙是某同学从资料中查到的两张记录水中炭粒运动位置连线的图片，记录炭粒位置的时间间隔均为30s，两方格纸每格表示的长度相同，下列说法中正确的是（）A．炭粒的运动即布朗运动，也就是分子的运动B．炭粒的运动是由于其内部分子在不停地做无规则运动产生的C．若水温相同，则甲中炭粒的颗粒较大D．若炭粒大小相同，则甲中水分子的热运动较剧烈【答案】C【详解】A．布朗运动是固体颗粒的运动，是分子无规则运动的反映，不是分子的运动，A错误；B．炭粒的运动是由于水分子分子在不停地做无规则运动，水分子与炭粒不停发生碰撞产生的，因此炭粒的运动并不是由于其内部分子在不停地做无规则运动产生的，B错误；C．若水温相同，则炭粒的越小，布朗运动越剧烈，根据图像可知，图乙中炭粒的剧烈一些，即图乙中炭粒的颗粒较小，可知，若水温相同，则甲中炭粒的颗粒较大，C正确；D．若炭粒大小相同，则温度越高，布朗运动越剧烈，根据图像可知，图乙中炭粒的剧烈一些，即图乙中的温度较高，则乙中水分子的热运动较剧烈，D错误。故选C。【例5】．（2023·全国·校联考模拟预测）关于布朗运动、扩散现象，下列说法中正确的是（）A．布朗运动和扩散现象都需要在重力作用下才能进行B．布朗运动是固体微粒的运动，反映了液体或气体分子的无规则运动C．布朗运动和扩散现象只能在重力作用下进行D．扩散现象直接证明了“物质分子在永不停息地做无规则运动”，而布朗运动间接证明了这一观点【答案】BD【详解】AC．扩散现象是物质分子的无规则运动，而布朗运动是悬浮在液体或气体中的微粒的运动，液体或气体分子对微粒撞击作用的不平衡导致微粒的无规则运动，由此可见扩散现象和布朗运动不需要附加条件。故AC错误；BD．扩散现象直接证明了“物质分子在永不停息地做无规则运动”，而布朗运动是固体微粒的运动，反映了液体或气体分子的无规则运动，间接证明了“物质分子在永不停息地做无规则运动”。故选BD。类型3分子力和内能1.分子间的作用力、分子势能与分子间距离的关系分子间的作用力F、分子势能Ep与分子间距离r的关系图线如图所示(取无穷远处分子势能Ep＝0)．(1)当r＞r0时，分子间的作用力表现为引力，当r增大时，分子间的作用力做负功，分子势能增大．(2)当r＜r0时，分子间的作用力表现为斥力，当r减小时，分子间的作用力做负功，分子势能增大．(3)当r＝r0时，分子势能最小.2．分析物体内能问题的五点提醒(1)内能是对物体的大量分子而言的，不存在某个分子内能的说法．(2)内能的大小与温度、体积、物质的量和物态等因素有关．(3)通过做功或热传递可以改变物体的内能．(4)温度是分子平均动能的标志，相同温度的任何物体，分子的平均动能都相同．(5)内能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，恒不为零．【例1】（2023·江苏南通·模拟预测）研究表明，分子间的作用力F跟分子间距离r的关系如图所示。则（）

A．液体表面层分子间距离略大于B．理想气体分子间距离为C．分子间距离时，分子力表现为斥力D．分子间距离时，分子势能最小【答案】A【详解】A．由于时，分子力为0，则可知而液体由于张力的作用，表面分子间距离大于，故液体表面层分子间距离略大于，故A正确；B．理想气体分子间距离为，即，故B错误；C．分子间距离时，即分子力表现为引力，故C错误；D．当，即时，分子势能最小，故D错误。故选A。【例2】．（2023·湖北·统考模拟预测）当分子间距离为时，分子间的作用力为0。当分子间距离从增大到的过程中，关于分子间作用力F和分子势能的变化，下列说法正确的是（）A．F先变小后变大再变小，先减少后增加B．F先变小后变大再变小，先增加后减少C．F先变大后变小，先减少后增加再减少D．F先变小后变大，先减少后增加再减少【答案】A【详解】根据分子间作用力和分子势能的变化规律可知，当分子间距离从增大到的过程中，F先表现为斥力变小后表现为引力变大再变小，先减少后增加。故选A。【例3】(2022·山东日照市模拟)分子间势能由分子间距r决定。规定两分子相距无穷远时分子间的势能为零，两分子间势能与分子间距r的关系如图所示。若一分子固定于原点O，另一分子从距O点无限远向O点运动。下列说法正确的是()A．在两分子间距从无限远减小到r2的过程中，分子之间的作用力先增大后减小B．在两分子间距从无限远减小到r1的过程中，分子之间的作用力表现为引力C．在两分子间距等于r1处，分子之间的作用力等于0D．对于标准状况下的单分子理想气体，绝大部分分子的间距约为r2【答案】A【解析】由图可知，r2处分子势能最小，则r2处分子之间的作用力等于0，所以在两分子间距从很大处减小到r2的过程中，分子之间的作用力先增大后减小，选项A正确，C错误；由于r1<r0，分子间作用力表现为斥力，选项B错误；对于标准状况下的理想气体，绝大部分分子的间距约为10r2，选项D错误。【例4】(2023·山东日照市高三模拟)分子间势能由分子间距r决定．规定两分子相距无穷远时分子间的势能为零，两分子间势能与分子间距r的关系如图所示．若一分子固定于原点O，另一分子从距O点无限远向O点运动．下列说法正确的是()A．在两分子间距从无限远减小到r2的过程中，分子之间的作用力先增大后减小B．在两分子间距从无限远减小到r1的过程中，分子之间的作用力表现为引力C．在两分子间距等于r1处，分子之间的作用力等于0D．对于标准状况下的单分子理想气体，绝大部分分子的间距约为r2【答案】A【解析】由题图可知，r2处分子势能最小，则r2处的分子间距为平衡位置r0，引力与斥力相等，即分子之间的作用力等于0，所以在两分子间距从无限远减小到r2的过程中，分子之间的作用力先增大后减小，选项A正确；由于r1<r0，分子间作用力表现为斥力，选项B、C错误；对于标准状况下的单分子理想气体，绝大部分分子的间距约为10r2，选项D错误．题型二固体、液体和气体类型1固体和液体性质的理解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)具有确定熔点的物体必定是晶体，反之，必是非晶体。(3)单晶体具有天然的规则的几何外形，而多晶体和非晶体没有天然规则的几何外形，所以不能从形状上区分晶体与非晶体。(4)晶体和非晶体不是绝对的，在某些条件下可以相互转化。(5)液晶既不是晶体，也不是液体。2．液体表面张力(1)形成原因：表面层中分子间距离比液体内部分子间距离大，分子间作用力表现为引力。(2)表面特征：表面层中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张紧的弹性薄膜。(3)表面张力的方向：和液面相切，垂直于液面上的分界线。(4)表面张力的效果：使液体表面具有收缩的趋势，使液体表面积趋于最小，而在体积相同的条件下，球形表面积最小。【例1】．（2023春·江苏镇江·高三校考阶段练习）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，是由于石墨是非晶体，金刚石是晶体【答案】A【详解】A．食盐熔化过程中，温度保持不变，即熔点一定，说明食盐是晶体，故A正确；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，只能说明云母片是晶体，故B错误；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规则，故C错误；D．石墨和金刚石组成它们的化学元素是相同的，都是碳原子，它们的物理性质不同，是由于碳原子排列结构不同造成的，故D错误。故选A。【例2】．（2023春·浙江杭州·高三学军中学校考阶段练习）关于下列插图的说法正确的是（）A．甲图为方解石的双折射现象，是因为其内部分子排列是无序的B．乙图中E细管材料制作防水衣的防水效果比F细管材料好C．丙图为α粒子的散射实验现象，其中H、I运动轨迹是不可能存在的D．丁图的绝热容器中，抽掉隔板，容器内气体温度降低【答案】C【详解】A．方解石的双折射现象是光学各向异性的表现，其内部分子排列是有规则的，故A错误；B．E细管材料与水是浸润的，F细管材料与水是不浸润的，制作防水衣防水效果F细管材料好，故B错误；C．丙图为α粒子的散射实验现象，当粒子运动方向靠近原子核时才会发生较大偏转，I轨迹不存在；粒子受原子核排斥力，故H运动轨迹是不可能存在的，故C正确；D．丁图的绝热容器中，抽掉隔板，气体自由膨胀不对外做功，根据热力学第一定律，可知气体的内能不变，最终温度不变，故D错误。故选C。【例3】．（2023·河北衡水·河北枣强中学校考模拟预测）下列说法正确的是（）A．若1kg某种密度为ρ的液体具有的分子个数为n，则分子的体积约为B．铁是由许多单晶微粒组成的，实质上是非晶体C．半杯水和半杯酒精混合之后的总体积小于整个杯子的容积，说明液体分子在做热运动D．对于不浸润现象，附着层内分子间的作用力表现为斥力【答案】A【详解】A．估算分子体积时一般认为液体分子之间没有间隙，1kg该液体的体积为，分子个数为n，则分子的体积为，故A正确B．铁是由许多单晶微粒组成的，实质上是晶体，故B错误C．半杯水和半杯酒精混合之后的总体积小于整个杯子的容积，说明液体分子间有间隙，故C错误D．对不浸润现象，附着层有收缩的趋势，附着层的液体分子比液体内部的稀疏，附着层内分子间的距离大于液体内部分子间的距离，附着层内分子间的作用力表现为引力，故D错误。故选A。【例4】．（2023·浙江金华·统考三模）喷雾型防水剂是现在市场上广泛销售的特殊防水剂。其原理是喷剂在玻璃上形成一层薄薄的保护膜，形成类似于荷叶外表的效果。水滴以椭球形分布在表面，故无法停留在玻璃上。从而在遇到雨水的时候，雨水会自然流走，保持视野清晰。如图所示。下列说法正确的是（）A．水滴呈椭球形的是液体表面张力作用的结果，与重力无关B．照片中的玻璃和水滴发生了浸润现象C．水滴与玻璃表面接触的那层水分子间距比水滴内部的水分子间距大D．照片中水滴表面分子比水滴的内部密集【答案】C【详解】A．液体表面张力作用使得水滴呈球形，但是由于有重力作用使得水滴呈椭球形，选项A错误；B．照片中的玻璃和水滴不浸润，选项B错误；C．水滴与玻璃表面接触的那层水分子间距比水滴内部的水分子间距大，选项C正确；D．照片中水滴表面分子比水滴的内部稀疏，选项D错误。故选C。【例5】．（2023·辽宁沈阳·辽宁实验中学校考模拟预测）关于气体、固体和液体，下列说法正确的是（）A．液体表面张力的方向与液面垂直并指向液体内部B．分子间同时存在着引力和斥力，当引力和斥力相等时，分子势能最大C．液晶具有液体的流动性，低温时会凝固成结晶态，分子取向是有序的D．容器中气体分子的数密度越大，在单位时间内，与单位面积器壁碰撞的分子越多【答案】C【详解】A．液体表面张力是由于液体表面的分子间距较大，分子间作用力表现为引力，所以液体在完全失重时呈现球形，因此可知液体表面张力的方向与液面相切，A错误；B．分子间同时存在着引力和斥力，当引力和斥力相等时，分子间作用力为零，此时无论分子间距变大还是变小，分子力都做负功，分子势能都会增加，所以当分子间引力等于斥力时，分子势能最小，B错误；C．液晶具有液体的流动性，也具有晶体的特性，在低温时会凝固成结晶态，而结晶态的分子取向是有序的，C正确。D．单位时间内，与单位面积器壁撞击的气体分子数与分子的动能和分子数密度有关，所以容器内气体分子的数密度越大，不一定在单位时间内，与单位面积器壁碰撞的分子越多，D错误。故选C。【例6】．（2023·江苏南京·校考模拟预测）将两端开口的玻璃管竖直插在水中，现象如图所示，则（）A．水不浸润玻璃B．现象与液体的表面张力无关C．换成直径更小的玻璃管，管内外液面的高度差将变小D．水与玻璃的相互作用比水分子之间的相关作用强【答案】D【详解】A．毛细作用，是液体表面对固体表面的吸引力，当毛细管插入浸润液体中，管内液面上升，高于管外，可知，水浸润玻璃，故A错误；B．水可以浸润玻璃，说明附着层内分子间的作用表现为斥力，现象与液体的表面张力有关，故B错误；C．换成直径更小的玻璃管，毛细作用更明显，管内外液面的高度差将变大，故C错误；D．水能浸润玻璃，是因为水分子之间的相互作用弱于玻璃与水分子之间的相互作用，故D正确。故选D。【例7】．（2023·江苏南通·海安高级中学校考模拟预测）将粗细不同、两端开口的玻璃毛细管插入装有某种液体的容器里，现象如图所示，则下列说法正确的是（）

A．容器中的液体可能是水银B．若在“问天”太空舱中进行实验，仍然是较细毛细管中的液面更高C．若用不同液体进行实验，两毛细管中的高度差相同D．图中毛细管附着层内的液体分子密度大于液体内部【答案】D【详解】A．水银在玻璃表面是不浸润的，在玻璃管中是呈现凸形液面，故容器中的液体不可能是水银，故A错误；B．在太空舱中由于处在失重环境下，毛细现象更明显，液面直接攀升到毛细管顶部，毛细管越细，攀升速度越快，粗细不同的毛细管中液面都与毛细管齐平，故B错误；C．在毛细现象中，毛细管中液面的高低与液体的种类和毛细管的材质有关，若用不同液体进行实验，两毛细管中的高度差不一定相同，故C错误；D．图中毛细管内液面呈现浸润现象，说明固体分子对液体分子引力大于液体分子之间的引力，那么附着层的分子密度将会大于液体内部分子密度，此时附着层内的分子相互作用表现为斥力，液面呈现“扩散”的趋势，便形成了浸润现象，故D正确；故选D。【例8】．（2023·安徽·校联考三模）下列有关现象说法错误的是（）A．跳水运动员从水下露出水面时头发全部贴在头皮上，是水的表面张力作用的结果B．地球大气的各种气体分子中氢分子质量小，其平均速率较大，更容易挣脱地球引力而逃逸，因此大气中氢含量相对较少C．液晶电视的工作原理中利用了液晶的光学性质与某些晶体相似，具有各向异性D．一定质量的理想气体，如果压强不变，体积增大，那么它可能向外界放热【答案】D【详解】A．液体表面张力有使其表面收缩到面积最小的趋势，当跳水运动员从水下露出水面时头发全部贴在头皮上，是水的表面张力作用的结果，故A正确，不符合题意；B．温度是分子平均动能的标志，温度越高，分子平均动能越大，质量越小速度越大，氢分子质量小，其平均速率越大容易挣脱地球引力而逃逸，因此大气中氢含量相对较少，故B正确，不符合题意；C．液晶像液体一样可以流动，又具有某些晶体的结构特征，光学性质具有各向异性，故C正确，不符合题意；D．一定质量的理想气体，如果压强不变，体积增大，则温度升高，同时气体对外做功，由热力学第一定律可知，它一定从外界吸热，故D错误，符合题意。故选D。类型2气体压强的计算及微观解释1．气体压强的计算(1)活塞模型如图所示是最常见的封闭气体的两种方式．求气体压强的基本方法：先对活塞进行受力分析，然后根据平衡条件或牛顿第二定律列方程．图甲中活塞的质量为m，活塞横截面积为S，外界大气压强为p0.由于活塞处于平衡状态，所以p0S＋mg＝pS，则气体的压强为p＝p0＋eq\f(mg,S).图乙中的液柱也可以看成“活塞”，由于液柱处于平衡状态，所以pS＋mg＝p0S，则气体压强为p＝p0－eq\f(mg,S)＝p0－ρ液gh.(2)连通器模型如图所示，U形管竖直放置．同一液体中的相同高度处压强一定相等，所以气体B和A的压强关系可由图中虚线联系起来．则有pB＋ρgh2＝pA，而pA＝p0＋ρgh1，所以气体B的压强为pB＝p0＋ρg(h1－h2)．2．气体分子运动的速率分布图像气体分子间距离大约是分子直径的10倍，分子间作用力十分微弱，可忽略不计；分子沿各个方向运动的机会均等；分子速率的分布规律按“中间多、两头少”的统计规律分布，且这个分布状态与温度有关，温度升高时，平均速率会增大，如图所示．3．气体压强的微观解释(1)产生原因：由于气体分子无规则的热运动，大量的分子频繁地碰撞器壁产生持续而稳定的压力．(2)决定因素(一定质量的某种理想气体)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的密集程度．【例1】(多选)对于一定质量的理想气体，下列论述正确的是()A．气体的压强由温度和单位体积内的分子个数共同决定B．若单位体积内分子个数不变，当分子热运动加剧时，压强可能不变C．若气体的压强不变而温度降低，则单位体积内分子个数一定增加D．若气体的压强不变而温度降低，则单位体积内分子个数可能不变【答案】AC【解析】气体的压强由气体的温度和单位体积内的分子个数共同决定，故A正确；单位体积内分子个数不变，当分子热运动加剧时，单位面积上的碰撞次数和碰撞的平均力都增大，因此这时气体压强一定增大，故B错误；若气体的压强不变而温度降低，则气体的体积减小，则单位体积内分子个数一定增加，故C正确，D错误．【例2】若已知大气压强为p0，图中各装置均处于静止状态．(1)已知液体密度均为ρ，重力加速度为g，求各被封闭气体的压强．(2)如图中两个汽缸质量均为M，内部横截面积均为S，两个活塞的质量均为m，左边的汽缸静止在水平面上，右边的活塞和汽缸竖直悬挂在天花板下．两个汽缸内分别封闭有一定质量的空气A、B，重力加速度为g，活塞与缸壁之间无摩擦，求封闭气体A、B的压强各多大？【答案】(1)甲：p0－ρgh乙：p0－ρgh丙：p0－eq\f(\r(3),2)ρgh丁：p0＋ρgh1戊：pa＝p0＋ρg(h2－h1－h3)pb＝p0＋ρg(h2－h1)(2)pA＝p0＋eq\f(mg,S)pB＝p0－eq\f(Mg,S)【解析】(1)题图甲中，以高为h的液柱为研究对象，由平衡条件有p甲S＋ρghS＝p0S所以p甲＝p0－ρgh题图乙中，以B液面为研究对象，由平衡条件有pAS＋ρghS＝p0Sp乙＝pA＝p0－ρgh题图丙中，以B液面为研究对象，由平衡条件有pA′S＋ρghsin60°·S＝p0S所以p丙＝pA′＝p0－eq\f(\r(3),2)ρgh题图丁中，以A液面为研究对象，由平衡条件有p丁S＝p0S＋ρgh1S所以p丁＝p0＋ρgh1.题图戊中，从开口端开始计算，右端大气压强为p0，同种液体同一水平面上的压强相同，所以b气柱的压强为pb＝p0＋ρg(h2－h1)，故a气柱的压强为pa＝pb－ρgh3＝p0＋ρg(h2－h1－h3)．(2)题图甲中选活塞为研究对象，受力分析如图(a)所示，由平衡条件知pAS＝p0S＋mg，得pA＝p0＋eq\f(mg,S)；题图乙中选汽缸为研究对象，受力分析如图(b)所示，由平衡条件知p0S＝pBS＋Mg，得pB＝p0－eq\f(Mg,S).【例3】(多选)密闭容器内有一定质量的理想气体，如果保持气体的压强不变，气体的温度升高，下列说法中正确的是()A．气体分子的平均速率增大B．器壁单位面积受到气体分子碰撞的平均作用力变大C．气体分子对器壁的平均作用力变大D．该气体的密度减小【答案】ACD【解析】气体的温度升高，气体分子的平均速率增大，气体分子对器壁的平均作用力变大，故A、C正确；气体压强是器壁单位面积上受到大量气体分子频繁地碰撞而产生的平均作用力的结果，气体压强不变，单位面积受到气体分子碰撞的平均作用力不变，故B错误；气体的温度升高，气体分子平均动能增大，压强不变，则气体分子的密集程度减小，故体积增大，密度减小，故D正确．题型三关于热力学定律与能量守恒定律的理解类型1热力学第一定律的理解1．热力学第一定律的理解(1)内能的变化都要用热力学第一定律进行综合分析．(2)做功情况看气体的体积：体积增大，气体对外做功，W为负；体积缩小，外界对气体做功，W为正．(3)与外界绝热，则不发生热传递，此时Q＝0.(4)如果研究对象是理想气体，因理想气体忽略分子势能，所以当它的内能变化时，体现在分子动能的变化上，从宏观上看就是温度发生了变化．2．三种特殊情况(1)若过程是绝热的，则Q＝0，W＝ΔU，外界对物体做的功等于物体内能的增加；(2)若过程中不做功，即W＝0，则Q＝ΔU，物体吸收的热量等于物体内能的增加；(3)若过程的初、末状态物体的内能不变，即ΔU＝0，则W＋Q＝0或W＝－Q，外界对物体做的功等于物体放出的热量．【例1】（2023·江苏·模拟预测）如图所示，向一个空的铝制饮料罐中插入一根内部粗细均匀透明吸管，接口用蜡密封，在吸管内引入一小段油柱长度可以忽略，如果不计大气压的变化，这就是一个简易的气温计。当温度由变为时，油柱从离接口处缓慢移到离接口的位置。下列说法正确的是（

）

A．单位时间内碰撞单位面积器壁的分子数增加B．饮料罐内气体的压强变小C．罐内气体对外做的功大于气体从外界吸收的热量D．若给吸管标上温度刻度值，刻度是均匀的【答案】D【详解】B．油柱总是处于平衡状态，即饮料罐内气体的压强总是等于外界大气压强，故B错误；A．温度升高，压强不变，气体体积膨胀，单位体积内的分子数减少了，所以单位时间内碰撞单位面积器壁的分子数也减少了，故A错误；C．罐内气体膨胀对外做功，即；罐内气体吸收热量内能增大，即；由热力学第一定律可知，即罐内气体对外做的功小于气体从外界吸收的热量，故C错误；D．设吸管横截面积为，饮料罐体积为，油柱离接口距离为，由理想气体状态方程可得整理可得即与是一次函数关系，所以给吸管标上温度刻度值时，刻度是均匀的，故D正确。故选D。【例2】．（2023春·山西晋中·高三统考阶段练习）图中甲为气压升降椅，乙为其核心部件模型简图。活塞与椅面的总质量为，活塞横截面积为S，气缸内封闭一定质量的理想气体，稳定时气柱长度为，该气缸导热性能良好，忽略一切摩擦。某同学盘坐上椅面，稳定后缸内气柱长为，已知大气压强为，室内温度为，重力加速度为，则（）A．该同学的质量为B．该同学坐稳后，封闭气体的压强增大、温度升高C．该同学坐稳后，室内气温缓慢上升至，每个气体分子的动能都增大D．该同学坐稳后，室内气温缓慢上升至，该过程缸内气体对外界做功为【答案】D【详解】AB．人坐上椅子，缸内压强由变为，环境温度不变，气缸导热，所以气体做等温压缩变化，根据玻意耳定律可得以活塞与椅面为对象，根据平衡可得解得故AB均错误；C．气体温度升高，分析的平均动能增大，并不是每个气体分析的动能都增大，故C项错误；D．室内气温缓慢上升至，气体等压碰撞，气柱的高度为，根据盖—吕萨克定律有又因为气体碰撞，所以其做功为解得所以气缸内气体对外界做功，其大小为，故D项正确。故选D。【例3】．（2023·河北·模拟预测）冬奥会上的人造雪绝非“假雪”，是对水和空气一定比例混合压缩，并对混合水气的温度控制在0~5℃之间，再通过造雪机雾化喷出，下列说法错误的是（）A．外界空气温度必须低于混合水气温度，才能使水凝固成雪B．对混合水气加压越大，雪质越好C．喷出的混合水气对外做功内能减小，凝固成雪D．混合水气喷洒得越远，雪质越好【答案】A【详解】AC．使水凝固成雪的过程中，根据热力学第一定律高压的混合水气喷出后，体积膨胀，对外做功，与外界来不及进行热交换，因此内能减小，温度降低，凝固成雪花，则根据凝雪原理可知，外界的温度可以高于混合水气的温度，故A错，C正确；BD．对混合水气加压越大，喷得越远，喷出后对外做功越多，越是加速雪的形成，雪质越好，故BD正确。本题选择不正确选项，故选A。【例4】（2023·重庆沙坪坝·重庆八中校考二模）某同学从重庆去西藏旅游，路途中温度逐渐降低，为了补充能量拿出自己所带的坚果，发现包装坚果的密封袋明显膨胀。下列关于袋内气体（可视为质量不变的理想气体）说法正确的是（）A．压强增大 B．分子平均动能不变C．一定从外界吸收热量 D．对外做功，内能减小【答案】D【详解】A．根据题意，气体温度降低，体积增大，根据理想气体状态方程可得，气体压强减小，故A错误；B．气体温度降低，所以分子平均动能减小，故B错误；CD．根据热力学第一定律气体体积增大，气体对外做功，即W为负值，温度降低，内能减小，即ΔU为负值，但Q可能为正，也可能为负，即气体可能从外界吸收热量，也可能放热，故C错误，D正确。故选D。【例5】（2023·江苏苏州·统考三模）如图所示，某同学将空的玻璃瓶开口向下缓缓压入水中，设水温均匀且恒定，瓶内空气看作理想气体，下降过程中瓶内空气质量不变，则（）

A．瓶内气体分子斥力增大B．瓶内气体对外放出热量C．瓶内气体分子平均动能增大D．单位时间与瓶壁碰撞的分子数不变【答案】B【详解】BC．被淹没的玻璃瓶在下降过程中，瓶内气体温度不变，压强变大，可知气体体积减小，外界对气体做正功；由于气体温度不变，气体分子平均动能不变，气体内能不变，根据热力学第一定律可知，气体向外界放热，故B正确，C错误；A．分子间斥力只在分子间距离小于分子的半径时才会明显增加，距离稍大则分子间引力大于斥力，气体分子间距远大于分子半径，瓶内气体分子斥力不会增大，故A错误；D．气体分子平均动能不变，气体体积减小，则气体的数密度变大，则单位时间与瓶壁碰撞的分子数增多，故D错误。故选B。类型2热力学第二定律的理解1．热力学第二定律的含义(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”的含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。在产生其他影响的条件下内能可以全部转化为机械能，如气体的等温膨胀过程。2．热力学第二定律的实质热力学第二定律的每一种表述，都揭示了大量分子参与的宏观过程的方向性，进而使人们认识到自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性。3．热力学过程的方向性实例4．两类永动机的比较第一类永动机第二类永动机设计要求不需要任何动力或燃料，却能不断地对外做功的机器从单一热源吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响的机器不可能制成的原因违背能量守恒定律不违背能量守恒定律，违背热力学第二定律【例1】（2023·广东广州·广东实验中学校考模拟预测）火热的6月即将到来，高三的同学们也进入高考最后的冲刺，教室里的空调为同学们提供了舒爽的环境，空调的工作原理如图所示，以下表述高温物体正确的是（）

A．空调的工作原理对应的是热力学第一定律的开尔文表述制冷机B．空调的工作原理反映了热传导的方向性C．此原理图中的D．此原理图说明热量不能从低温物体传到高温物体【答案】B【详解】A．空调的工作原理对应的是热力学第二定律的开尔文表述制冷机，A错误；B．空调的工作原理反映了热传导的方向性，热量不能自发的从低温物体传导给高温物体，但在其他能力干预下，可以从低温物体传导给高温物体，B正确；C．此原理图中的C错误；D．此原理图说明在外界干预下，热量能从低温物体传到高温物体，D错误。故选B。【例2】．（2023·全国·高三专题练习）热力学第二定律表明（）A．不可能从单一热源吸收热量使之全部变为有用的功B．摩擦生热的过程是不可逆的C．在一个可逆过程中，工作物质净吸热等于对外作的功D．热量不可能从温度低的物体传到温度高的物体【答案】B【详解】A．可以从单一热源吸收热量，使之完全变为功，但是会引起其他的变化，故A错误；B．根据热力学第二定律可知，机械能转化为内能的过程具有方向性，是不可逆过程，故B正确；C．在一个可逆过程中，当工作物质回到初状态时，内能没有发生改变，根据热力学第一定律可得，工作物质净吸热等于对外作的功，但这不是热力学第二定律所表述的能量转化的方向性问题，故C错误；D．热量不可能自发地从低温物体传递到高温物体，若有外界做功的话，可以从低温物体传递到高温物体，比如冰箱；故D错误。故选B。【例3】[2020·全国Ⅱ卷，33(1)]下列关于能量转换过程的叙述，违背热力学第一定律的有________，不违背热力学第一定律、但违背热力学第二定律的有________。A．汽车通过燃烧汽油获得动力并向空气中散热B．冷水倒入保温杯后，冷水和杯子的温度都变得更低C．某新型热机工作时将从高温热源吸收的热量全部转化为功，而不产生其他影响D．冰箱的制冷机工作时从箱内低温环境中提取热量散发到温度较高的室内【答案】BC【解析】汽车通过燃烧汽油获得动力并向空气中散热既不违背热力学第一定律也不违背热力学第二定律；冷水倒入保温杯后，冷水和杯子的温度都变得更低，违背了热力学第一定律；热机工作时吸收的热量不可能全部用来对外做功，而不产生其他影响，显然C选项遵循热力学第一定律，但违背了热力学第二定律；冰箱的制冷机工作时，从箱内低温环境中提取热量散发到温度较高的室内，既不违背热力学第一定律也不违背热力学第二定律，综上所述，第一个空选B，第二个空选C。类型3热力学第一定律与图像的综合应用1．气体的状态变化可由图像直接判断或结合理想气体状态方程eq\f(pV,T)＝C分析．2．气体的做功情况、内能变化及吸放热关系可由热力学第一定律分析．(1)由体积变化分析气体做功的情况：体积膨胀，气体对外做功；气体被压缩，外界对气体做功．(2)由温度变化判断气体内能变化：温度升高，气体内能增大；温度降低，气体内能减小．(3)由热力学第一定律ΔU＝W＋Q判断气体是吸热还是放热．(4)在p－V图像中，图像与横轴所围面积表示对外或外界对气体整个过程中所做的功．【例1】（2023·黑龙江哈尔滨·哈师大附中校考三模）如图所示的图象中，一定质量的理想气体从状态A开始，经过状态，最后回到状态A。其中和平行于横轴，和平行，延长线过坐标原点，下列说法正确的是（）

A．过程气体分子热运动的平均动能不变B．过程气体单位体积内分子数增加C．过程中，气体分子与器壁在单位时间、单位面积上的碰撞次数将减少D．整个过程中，气体向外界放出的热量大于从外界吸收的热量【答案】D【详解】A．由图像可知过程p和V均减小，由可知过程降低，分子平均动能减小，故A错误；B．过程体积增大，故气体分子数密度减小，故B错误；C．过程为等压压缩过程，由可知过程降低，分子平均动能减小，分子对器壁的平均碰撞力减小，分子数密度变大，可知单位时间内单位器壁面积上分子碰撞次数增多，故C错误；D．直线和平行于横轴，直线和平行，图线与轴围成的面积表示功，过程外界对气体做功与过程气体对外界做功过程气体对外界做功与过程外界对气体做功即全过程由有故整个过程中，气体向外界放出的热量大于从外界吸收的热量，选项D正确。故选D。【例2】．（2023·河北·校联考模拟预测）一定量的理想气体从状态经状态变化到状态，其图像如图所示，则气体（

）

A．由状态a变化到状态b的过程，气体对外界做正功B．由状态b变化到状态c的过程，气体温度升高C．由状态a经状态b变化到状态c的过程，气体向外界放热D．由状态a经状态b变化到状态c的过程，气体的内能先不变后增大【答案】C【详解】ABD．根据理想气体状态方程可得可知图像的斜率为温度，由状态变化到状态的过程为等温过程，气体体积减小，外界对气体做正功，温度不变则气体内能不变，由图可知状态到状态的过程的乘积在减小，气体温度降低，则内能减小，故ABD错误；C．由状态经状态变化到状态的过程，外界对气体一直做正功，始、末状态相比气体内能减小，根据热力学第一定律可知气体向外界放热，故C正确。故选C。【例3】（2023·山东·高三专题练习）如图所示，一定质量的理想气体从状态A开始，经历AB、BC、CD、DA四个过程回到原状态A，其中AB、CD为等压过程，BC、DA为等温过程，状态C、D的压强和体积未知，下列说法正确的是（）A．在过程BC中气体和外界没有发生热传递B．气体在状态A的内能大于在状态D的内能C．气体从状态A变化到状态B对外做功40JD．在过程CD中外界对气体做的功等于在过程AB中气体对外界做的功【答案】D【详解】A．在过程BC中，体积增大，气体对外做功，但由于温度不变，内能保持不变，所以气体从外界吸热，故A错误；B．DA为等温过程，温度不变，所以气体在状态A的内能等于在状态D的内能，故B错误；C．体从状态A变化到状态B为等压过程，体积增大，气体对外做功，即故C错误；D．由于AB、CD为等压过程，BC、DA为等温过程，所以过程CD中外界对气体做的功等于在过程AB中气体对外界做的功，故D正确。故选D。【例4】．（2023·北京·高三专题练习）如图所示，固定在水平地面上的汽缸内密封一定质量的理想气体，活塞处于静止状态。若活塞与汽缸的摩擦忽略不计，且气体与外界环境没有热交换。将活塞从A处缓慢地推至B处的过程中，下列说法正确的是（）A．气体的内能保持不变 B．气体的内能逐渐增大C．气体的压强保持不变 D．气体的压强逐渐减小【答案】B【详解】AB．活塞从A处缓慢地推至B处的过程中，气体的体积减小，外界对气体做功，即W>0，气体与外界环境没有热交换，即Q=0，由热力学第一定律可知，，即气体的内能逐渐增大，A错误，B正确；CD．因，即气体的内能逐渐增大，则气体的温度逐渐升高，气体的体积减