统考版2023高考物理二轮专题复习专题八鸭模块第15讲热学教师用书

第15讲热学命题热点(1)分子动理论，晶体、非晶体、液体及表面张力；(2)气体实验定律和理想状态方程的应用；(3)热力学定律；(4)与生活实际相关的热学问题．常考题型选择题填空题计算题高频考点·能力突破考点一分子动理论固体与液体的性质1．必须注意的“三点”(1)分子直径的数量级是10－10m；分子永不停息地做无规则运动．(2)球体模型(适用于固体、液体)，立方体模型(适用于气体)．(3)晶体、非晶体的关键性区别为是否具有固定的熔点，只有单晶体才可能具有各向异性．2．必须弄清分子力和分子势能（理想气体没有分子势能）(1)分子力：分子间引力与斥力的合力．分子间距离增大，引力和斥力均减小；分子间距离减小，引力和斥力均增大，但斥力总比引力变化得快．(2)分子势能：分子力做正功，分子势能减小；分子力做负功，分子势能增大；当分子间距为r0(分子间的距离为r0时，分子间作用的合力为0)时，分子势能最小．例1(多选)下列说法正确的是()A．只要知道气体的摩尔体积和阿伏加德罗常数，就可以算出气体分子的体积B．温度越高，扩散现象越明显C．两个分子间的距离变大的过程中，分子间引力变化总是比斥力变化慢D．当分子间作用力表现为引力时，分子间的距离越大，分子势能越大E．只要两物体的质量、温度、体积相等，两物体的内能一定相等预测1(多选)关于固体、液体和物态变化，下列说法正确的是()A．叶面上的小露珠呈球形是由于液体表面张力的作用B．当人们感到潮湿时，空气的绝对湿度一定较大C．在一定的条件下，某些晶体可以转化为非晶体，但非晶体一定不可以转化为晶体D．一定质量的理想气体，在压强不变时，气体分子每秒对器壁单位面积的平均碰撞次数随着温度升高而减少E．水的饱和汽压随温度的升高而增大预测2(多选)关于分子动理论和物体的内能，下列说法正确的是()A．在显微镜下可以观察到煤油中小粒灰尘的布朗运动，这说明煤油分子在做无规则运动B．能出污泥而不染，说明扩散现象在污泥中不能进行C．当分子间的距离减小时，分子间的引力和斥力都增大，但斥力增大得更快D．若气体的摩尔质量为M，密度为ρ，阿伏加德罗常数为NA，则气体的分子体积为ME．分子势能和分子间作用力的合力可能同时随分子间距离的增大而增大预测3(多选)分子力F、分子势能Ep与分子间距离r的关系图线如图甲、乙所示(取无穷远处分子势能Ep＝0)．下列说法正确的是()A．乙图线为分子势能与分子间距离的关系图线B．当r＝r0时，分子势能为零C．随着分子间距离的增大，分子力先减小后一直增大D．分子间的斥力和引力大小都随分子间距离的增大而减小，但斥力减小得更快E．在r＜r0阶段，分子力减小时，分子势能也一定减小考点二气体实验定律和理想状态方程的应用对三个气体实验定律的理解(1)定律在温度不太低、压强不太大的情况下适用：（中学阶段，所涉及的计算题一般都适用）(2)一定质量的理想气体做等容变化时，气体的压强跟摄氏温度不成正比；(3)气体做等容变化时，气体压强的变化量与温度的变化量成正比，即p1T1＝p例2[2022·全国甲卷，节选]如图，容积均为V0、缸壁可导热的A、B两汽缸放置在压强为p0、温度为T0的环境中；两汽缸的底部通过细管连通，A汽缸的顶部通过开口C与外界相通；汽缸内的两活塞将缸内气体分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四部分，其中第Ⅱ、Ⅲ部分的体积分别为18V0和14V0(1)将环境温度缓慢升高，求B汽缸中的活塞刚到达汽缸底部时的温度；(2)将环境温度缓慢改变至2T0，然后用气泵从开口C向汽缸内缓慢注入气体，求A汽缸中的活塞到达汽缸底部后，B汽缸内第Ⅳ部分气体的压强．预测4[2022·江苏冲剌卷]如图，某材料制备系统由供气瓶、反应室、加热器和真空泵等设备组成．供气瓶的容积为20L，储存的气体压强为3.0×105Pa，反应室的容积为10L．制备材料前，反应室处于真空状态，关闭所有阀门．制备材料时，先打开阀门1，供气瓶向反应室缓慢供气，当反应室气压达到1.0×102Pa时，关闭阀门1；对反应室内气体缓慢加热，使其从室温25℃升到200℃，进行材料合成．实验结束后，待反应室温度降至室温，将其抽至真空状态．环境温度恒定，忽略材料体积，气体不参与反应．(1)加热后，求反应室内气体的压强(结果保留3位有效数字)．(2)当供气瓶剩余气体压强降到1.5×105Pa时，需更换新的供气瓶，供气瓶最多能给反应室充气多少次？预测5如图所示，粗细均匀的半圆形导热细玻璃管两端封闭且竖直固定放置，内有一段对应60°圆心角的水银柱处于ab段内，水银柱两端封闭着同种理想气体，此时水银柱产生的压强为p0，右端气体压强为2p0，环境初始温度为T0，现控制环境温度先缓慢升高再缓慢降低，最终使水银柱静止于bc段内．(1)求水银柱静止于bc段内时，环境的温度；(2)试通过计算推导说明，开始升温时水银柱一定会逆时针移动．预测6如图所示，一定质量的理想气体封闭在体积为V0的绝热容器中，初始状态阀门K关闭，容器内温度与室温相同，为T0＝300K，有一光滑绝热活塞C(体积可忽略)将容器分成A、B两室，B室的体积是A室的2倍，A室容器上连接有一U形管(管内气体的体积可忽略)，左管水银面比右管水银面高76cm.已知外界大气压强p0＝76cmHg.则：(1)将阀门K打开使B室与外界相通，稳定后，A室的体积变化量是多少？(2)打开阀门K稳定后，再关闭阀门K，接着对B室气体缓慢加热，而A室气体温度始终等于室温，当加热到U形管左管水银面比右管水银面高19cm时，B室内温度是多少？考点三热力学定律的理解及应用例3[2022·全国甲卷，节选](多选)一定量的理想气体从状态a变化到状态b，其过程如p­T图上从a到b的线段所示。在此过程中________．A．气体一直对外做功B．气体的内能一直增加C．气体一直从外界吸热D．气体吸收的热量等于其对外做的功E．气体吸收的热量等于其内能的增加量例4[2022·辽宁模拟卷]真空泵抽气腔与容器相连，活塞向左运动时即从容器中抽气，活塞向右运动时阀门自动关闭，将进入气腔内的气体全部排出，示意图如图甲．设抽气过程中抽气腔与容器中的气体压强始终相等，每次抽气活塞均从抽气腔最右端移动至最左端．已知容器的容积为V0，抽气腔的容积为nV0，初始时刻气体压强为p0.(1)若抽气过程中气体的温度保持不变，求第一次抽气后容器中气体的压强p；(2)若在绝热的条件下，某次抽气过程中，气体压强p随体积V变化的规律如图乙，求该过程气体内能的变化量ΔU.预测7[2022·湖南卷，节选](多选)利用“涡流效应”可实现冷热气体的分离．如图，一冷热气体分离装置由喷嘴、涡流室、环形管、分离挡板和冷热两端管等构成．高压氮气由喷嘴切向流入涡流室中，然后以螺旋方式在环形管中向右旋转前进，分子热运动速率较小的气体分子将聚集到环形管中心部位，而分子热运动速率较大的气体分子将聚集到环形管边缘部位．气流到达分离挡板处时，中心部位气流与分离挡板碰撞后反向，从A端流出，边缘部位气流从B端流出．下列说法正确的是________．A．A端为冷端，B端为热端B．A端流出的气体分子热运动平均速率一定小于B端流出的C．A端流出的气体内能一定大于B端流出的D．该装置气体进出的过程满足能量守恒定律，但违背了热力学第二定律E．该装置气体进出的过程既满足能量守恒定律，也满足热力学第二定律预测8如图甲所示，粗细均匀的足够长玻璃管的一端开口，另一端封闭，管的横截面积S＝10cm2，沿水平方向放置时，一段长h＝38cm的水银柱封闭着一定质量的理想气体，管内气柱长度L1＝30cm，大气压强恒为p0＝76cmHg，室内热力学温度恒为T1＝300K．现将玻璃管沿逆时针方向缓慢转过90°.取76cmHg＝1×105Pa.(1)求稳定后管内气柱的长度；(2)使玻璃管的封闭端浸入冰水混合物中，管内气体的温度缓慢降低，求管内气体的温度降低的过程中，水银柱对管内气体做的功．预测9某民航客机在一万米左右高空飞行时，需利用空气压缩机来保持机舱内、外气体压强之比为4∶1.机舱内有一导热汽缸，活塞质量m＝2kg、横截面积S＝10cm2，活塞与汽缸壁之间密封良好且无摩擦．客机在地面静止时，汽缸如图甲所示竖直放置，平衡时活塞与缸底相距l1＝8cm；客机在高度h处匀速飞行时，汽缸如图乙所示水平放置，平衡时活塞与缸底相距l2＝10cm.汽缸内气体可视为理想气体，机舱内温度可认为不变．已知大气压强随高度的变化规律如图丙所示，地面大气压强p0＝1.0×105Pa，地面重力加速度g取10m/s2.(1)判断汽缸内气体由图甲状态到图乙状态的过程是吸热还是放热，并说明原因；(2)求高度h处的大气压强，并根据图丙估测出此时客机的飞行高度．素养培优·情境命题情境1[2022·重庆质检]可折叠轮椅(RevolveAir)的发明为参加北京冬残奥会的运动员的出行提供了便利．该轮椅只需简单几步，能缩至不到20L的拉杆箱大小，并可带上飞机放入行李舱．若轮椅折叠收入箱中时，轮胎中空气全部被排尽，打开使用时需重新充气．已知大气压强为p0且保持不变，某次在室温下(27℃)对轮胎充气，使轮胎内压强达到4p0.单边轮胎充满气时内部气体体积为V0，且充好后轮胎不漏气．(1)若打气筒每次充入0.1V0的压强为p0的空气，则对单边轮胎共需打气多少次？(2)若运动员坐上轮椅后，轮胎内气体体积变为1415V0，要使轮胎内压强不超过4.5p0，则行驶时胎内气体温度应不超过多少摄氏度？(不考虑行驶过程中胎内气体体积的变化，取T＝273＋情境2新冠肺炎疫情期间，某班级用于消毒的喷壶示意图如图甲所示．壶的容积为1.5L，内含1.0L的消毒液．闭合阀门K，缓慢向下压压杆A，每次可向瓶内储气室充入0.05L的1.0atm的空气，多次下压后，壶内气体压强变为2.0atm时，按下按柄B，阀门K打开，消毒液从喷嘴处喷出．储气室内气体可视为理想气体，充气和喷液过程中温度保持不变，1.0atm＝1.0×105Pa.(1)求充气过程向下压压杆A的次数和打开阀门K后最多可喷出液体的体积；(2)喷液全过程，气体状态变化的等温线近似看成一段倾斜直线，如图乙所示，估算全过程壶内气体从外界吸收的热量．情境3[2022·广东押题卷]“拔火罐”是我国传统医疗的一种手段．如图所示，医生先用点燃的酒精棉球加热小罐内的空气，随后迅速把小罐倒扣在需要治疗的部位，冷却后小罐便紧贴在皮肤上．已知小罐质量m＝0.1kg，开口部位的直径d＝5cm.设加热后小罐内的空气温度t＝77℃，室温t0＝21℃，大气压p0＝1.0×105Pa，不考虑因皮肤被吸入罐内导致空气体积的变化．取g＝10m/s2.当罐内空气变为室温时．(1)求此时罐内气体的压强p；(2)计算此时小罐对皮肤的压力F；并说明若考虑因皮肤被吸入罐内导致空气体积的变化，上述压力F的数值比真实值偏大还是偏小．情境4[2022·山东济宁二模]新冠病毒具有很强的传染性，转运新冠病人时需要使用负压救护车，其主要装置为车上的负压隔离舱(即舱内气体压强低于外界的大气压强)，这种负压隔离舱既可以让外界气体流入，也可以将舱内气体过滤后排出．若该负压隔离舱容积为0.6m3，初始时温度为27℃，大气压强为1.003×105Pa，负压隔离舱内负压为300Pa，转运到某地区后，外界温度变为15℃，大气压强为0.903×105Pa.已知负压隔离舱导热性良好，气体均可视为理想气体，绝对零度取－273℃.(1)若负压隔离舱运输过程中与外界没有气体交换，求运送到该地区后负压隔离舱内的压强；(2)若转运过程中负压隔离舱内始终保持300Pa的稳定负压，求转运前后负压隔离舱内气体的质量之比．第15讲热学高频考点·能力突破考点一例1解析：由于气体分子间距很大，知道气体的摩尔体积和阿伏加德罗常数，不能算出气体分子的体积，A错误；温度越高，扩散现象越明显，B正确；两个分子间的距离变大的过程中，分子间引力和斥力均减小，引力变化总是比斥力变化慢，C正确；当分子间作用力表现为引力时，分子间的距离变大，分子力做负功，分子势能增大，D正确；物体内能与物质的量、温度、体积和物态有关，E错误．答案：BCD预测1解析：叶面上的小露珠呈球形是由于液体表面张力的作用，故A正确；温度一定时，空气的相对湿度越大，水蒸发得越慢，人就感到越潮湿，故当人们感到潮湿时，空气的相对湿度一定较大，但绝对湿度不一定大，故B错误；在一定的条件下，某些晶体可以转化为非晶体，某些非晶体也可以转化为晶体，故C错误；温度升高，分子对器壁的平均撞击力增大，要保证压强不变，分子单位时间对器壁单位面积的平均碰撞次数必减少，故D正确；饱和汽压与液体种类和温度有关，水的饱和汽压随温度的升高而增大，故E正确．答案：ADE[技法点拨]1.人们感到潮湿时，空气的相对湿度一定较大，但绝对湿度不一定大．2．在一定的条件下，某些晶体可以转化为非晶体，某些非晶体也可以转化为晶体．预测2解析：在显微镜下可以观察到煤油中小粒灰尘的布朗运动，反映煤油分子在做无规则运动，故A正确；扩散现象是由物质分子的无规则运动产生的，污泥中也能发生，故B错误；分子间的引力和斥力都随分子间距离减小而增大，但斥力增大得比引力快，故C正确；若气体的摩尔质量为M，密度为ρ，阿伏加德罗常数为NA，则每个气体分子占有的空间体积为MρNA，故D错误；当分子距离大于平衡距离r0答案：ACE预测3解析：在r＝r0时，分子势能最小，但不为零，此时分子力为零，故选项A正确，选项B错误；当r＞r0时，分子间作用力随r增大先增大后减小，选项C错误；分子间的引力和斥力都随分子间距离的增大而减小，但斥力比引力变化得快，选项D正确；当r＜r0时，分子力表现为斥力，当分子力减小时，分子间距离增大，分子力做正功，分子势能减小，选项E正确．答案：ADE考点二例2解析：(1)选第Ⅳ部分气体为研究对象，在B汽缸中的活塞到达汽缸底部的过程中发生等压变化：V0-14V0T0＝V(2)以第Ⅱ、Ⅲ部分气体整体为研究对象，温度由T0升至2T0过程，由理想气体状态方程：p018V0+14V0T0＝p1V12T0.对第Ⅳ部分气体，温度由答案：(1)43T0(2)94预测4解析：(1)根据查理定律得p1T解得p2＝T2T1p(2)设可以供n次，则根据玻意耳定律得p0V0＝np1V1+p答案：(1)159Pa(2)3000次预测5解析：(1)初始时左端气体压强为p1＝p2－p0＝p0升温后p′2＋p0＝p′1对两段气体分别由理想气体状态方程得p1×π2解得T＝37T0(2)假设升温时水银柱不移动，对两侧气体有pVT＝C，ΔpVΔT联立解得Δp＝pTΔ由此可知，初始时右侧气体压强较大，故而升高相同的温度增加的压强大，所以水银柱会逆时针移动．答案：(1)37T0(2)预测6解析：(1)将阀门打开，A室气体等温变化，则有2p0V03＝p0(V03得ΔV＝V(2)打开阀门K稳定后，再关闭阀门K，U形管两边水银面的高度差为19cm时pA＝pB＝(76＋19)cmHg＝95cmHgA室气体变化过程：p0、2V03、T0→pA、VA由玻意耳定律得p02V03＝p解得VA＝815V0B室气体变化过程：p0、V03、T0→pB、V0→VA、由理想气体状态方程得p0V解得TB＝525K答案：(1)V03考点三例3解析：p­T图线过坐标原点，因此气体从状态a到状态b发生等容变化，气体没有对外做功，A、D错误；从状态a到状态b气体温度升高，一定质量的理想气体内能只与温度有关，温度升高，内能增加，B正确；根据热力学第一定律可知气体从外界吸热，且吸收的热量等于其内能增加量，C、E正确．答案：BCE例4解析：(1)等温变化，第一次抽气p0V0＝p(V0＋nV0)得p＝p(2)绝热过程可知Q＝0又有W＝－pΔV＝－p0+0.6p02(nV0)＝－根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q＝W＝－0.8p0nV0答案：(1)p0n+1(2)－0.8p0预测7解析：分子热运动速率较大的气体分子将聚集到环形管边缘部位，从B端流出，分子热运动速率较小的气体分子将聚集到环形管中心部位，中心部位气流与分离挡板碰撞后反向，从A端流出，根据温度是分子平均动能的标志可知，B端为热端，A端为冷端，A端流出的气体分子热运动平均速率一定小于B端流出的，选项A、B正确．理想气体的内能只与温度和质量有关，根据题述，不知两端流出气体的质量关系，所以不能判断出两端流出气体的内能关系，选项C错误．该装置将冷热不均的气体进行分离，喷嘴处有高压，即通过外界做功而实现，并非自发进行，不违背热力学第二定律，选项D错误，E正确．答案：ABE预测8解析：(1)设稳定后管内气柱的长度为L2，对管内封闭气体初态时p1＝p0＝76cmHgV1＝L1S，T1＝300K末态时p2＝(76＋38)cmHg＝114cmHgV2＝L2S根据玻意耳定律有p1V1＝p2V2，解得L2＝20cm(2)设稳定后管内气柱的长度为L3V3＝L3S，T3＝273K气体发生等压变化，有V2T2＝V3T水银柱对管内气体做的功W＝p2(L2－L3)S解得W＝2.7J答案：(1)20cm(2)2.7J预测9解析：(1)根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q由于气体体积膨胀，对外做功，而内能保持不变，因此吸热．(2)初态封闭气体的压强p1＝p0＋mgS＝1.2×105根据p1l1S＝p2l2S可得p2＝0.96×105Pa机舱内、外气体压强之比为4∶1，因此舱外气体压强p′2＝14p2＝0.24×105由图丙可知飞行高度为104m.答案：(1)吸热原因见解析(2)0.24×105Pa104m素养培优·情境命题情境1