高中物理一轮复习学案第十三章热学第2讲　固体　液体和气体

第2讲固体液体和气体见学生用书P194微知识1固体和液体1．晶体与非晶体(1)固体分为晶体和非晶体两类。晶体分单晶体和多晶体。(2)单晶体具有规则的几何形状，多晶体和非晶体没有一定的几何形状；晶体有确定的熔点，非晶体没有确定的熔点。(3)单晶体具有各向异性，多晶体和非晶体具有各向同性。2．液体(1)液体的表面张力①概念：液体表面各部分间互相吸引的力。②作用：液体的表面张力使液面具有收缩到表面积最小的趋势。③方向：表面张力跟液面相切，且跟这部分液面的分界线垂直。④大小：液体的温度越高，表面张力越小；液体中溶有杂质时，表面张力变小；液体的密度越大，表面张力越大。(2)液晶①液晶分子既保持排列有序而显示各向异性，又可以自由移动位置，保持了液体的流动性。②液晶分子的位置无序使它像液体，排列有序使它像晶体。③液晶分子的排列从某个方向看比较整齐，而从另外一个方向看则是杂乱无章的。④液晶的物理性质很容易在外界的影响下发生改变。(3)毛细现象浸润液体在细管中上升的现象以及不浸润液体在细管中下降的现象。3．饱和汽湿度(1)饱和汽与未饱和汽①饱和汽：与液体处于动态平衡的蒸汽。②未饱和汽：没有达到饱和状态的蒸汽。(2)饱和汽压①定义：饱和汽所具有的压强。②特点：饱和汽压随温度而变。温度越高，饱和汽压越大，且饱和汽压与饱和汽的体积无关。(3)湿度①定义：空气的潮湿程度。②绝对湿度：空气中所含水蒸气的压强。③相对湿度：在某一温度下，空气中的水蒸气的压强与同一温度下水的饱和汽压之比，即相对湿度(B)＝eq\f(水蒸气的实际压强p1,同温度水的饱和气压p2)×100%eq\o(\s\up17(),\s\do15(。))微知识2气体1．气体分子运动的特点及运动速率统计分布2．理想气体(1)宏观上讲：理想气体是指在任何条件下始终遵守气体实验定律的气体，实际气体在压强不太大、温度不太低的条件下，可视为理想气体。(2)微观上讲：理想气体的分子间除碰撞外无其他作用力，分子本身没有体积，即它所占据的空间认为都是可以被压缩的空间。3．气体的状态参量(1)压强；(2)体积；(3)温度。4．气体的压强(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)大小：气体的压强在数值上等于气体作用在单位面积上的压力。公式p＝eq\f(F,S)。5．气体实验定律(1)等温变化——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：p1V1＝p2V2或pV＝C(常量)(2)等容变化——查理定律①内容：一定质量的某种气体，在体积不变的情况下，压强与热力学温度成正比。②公式：eq\f(p1,T1)＝eq\f(p2,T2)或eq\f(p,T)＝C(常量)。③推论式：Δp＝eq\f(p1,T1)·ΔT。(3)等压变化——盖－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：eq\f(V1,T1)＝eq\f(V2,T2)或eq\f(V,T)＝C(常量)。③推论式：ΔV＝eq\f(V1,T1)·ΔT。(4)理想气体状态方程一定质量的理想气体状态方程：eq\f(p1V1,T1)＝eq\f(p2V2,T2)或eq\f(pV,T)＝C(常量)。一、思维辨析(判断正误，正确的画“√”，错误的画“×”。)1．单晶体和多晶体都具有各向异性的特征。(×)2．船浮于水面是由于液体的表面张力作用。(×)3．当人们感觉潮湿时，空气的绝对湿度一定较大。(×)4．气体的压强是由于气体分子频繁地碰撞器壁产生的。(√)5．一定质量的理想气体的内能完全由温度来决定。(√)6．气体的温度升高压强一定增大。(×)二、对点微练1．(固体的性质)如图所示，曲线M、N分别表示晶体和非晶体在一定压强下的熔化过程，图中横轴表示时间t，纵轴表示温度T。从图中可以确定的是()A．晶体和非晶体均存在固定的熔点T0B．曲线M的bc段表示固液共存状态C．曲线M的ab段、曲线N的ef段均表示固态D．曲线M的cd段、曲线N的fg段均表示液态解析晶体有固定的熔点，非晶体无固定的熔点。晶体在熔化过程中，是固液共存的，故B项正确。答案B2．(液体的性质)(多选)下列哪些现象中，表面张力起了作用()A．身体纤细的小虫在平静的水面上自由活动B．小船浮在水面上C．毛笔插入水中，笔毛散开，拿出水面，笔毛合拢在一起D．打湿的鞋袜不容易脱下来答案ACD3．(气体实验定律)某自行车轮胎的容积为V，里面已有压强为p0的空气，现在要使轮胎内的气压增大到p，设充气过程为等温过程，空气可看做理想气体，轮胎容积保持不变，则还要向轮胎充入温度相同、压强也是p0的空气的体积为()A.eq\f(p0,p)V B.eq\f(p,p0)VC.eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(p,p0)－1))V D.eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(p,p0)＋1))V解析设需充入体积为V′的空气，以V、V′体积的空气整体为研究对象，由理想气体状态方程有eq\f(p0V＋V′,T)＝eq\f(pV,T)，得V′＝eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(p,p0)－1))V。答案C4．(气体实验定律的微观解释)对于一定质量的气体，下列叙述正确的是()A．如果体积减小，气体分子在单位时间内对单位面积器壁的碰撞次数一定增大B．如果压强增大，气体分子在单位时间内对单位面积器壁的碰撞次数可能增大C．如果温度升高，气体分子在单位时间内对单位面积器壁的碰撞次数一定增大D．如果分子密度增大，气体分子在单位时间内对单位面积器壁的碰撞次数一定增大解析气体分子在单位时间内对单位面积器壁的碰撞次数，是由单位体积内的分子数和分子的平均速率共同决定的，选项A和D都是单位体积内的分子数增大，但分子的平均速率如何变化却不知道；选项C由温度升高可知分子的平均速率增大，但单位体积内的分子数如何变化未知，所以选项A、D、C都不能选。答案B见学生用书P195微考点1固体和液体的性质核|心|微|讲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)只要是具有各向异性的物体必定是晶体，且是单晶体。(3)只要是具有确定熔点的物体必定是晶体，反之，必是非晶体。(4)晶体和非晶体在一定条件下可以相互转化。2．液体表面张力(1)形成原因表面层中分子间的距离比液体内部分子间的距离大，分子间的相互作用力表现为引力。(2)表面特性表面层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绷紧的弹性薄膜。(3)表面张力的方向和液面相切，垂直于液面上的各条分界线。(4)表面张力的效果表面张力使液体表面具有收缩趋势，使液体表面积趋于最小，而在体积相同的条件下，球形的表面积最小。(5)表面张力的大小跟边界线的长度、液体的种类、温度都有关系。典|例|微|探【例1】(多选)下列说法正确的是()A．将一块晶体敲碎后，得到的小颗粒是非晶体B．固体可以分为晶体和非晶体两类，有些晶体在不同方向上有不同的光学性质C．由同种元素构成的固体，可能会由于原子的排列方式不同而成为不同的晶体D．在合适的条件下，某些晶体可以转变为非晶体，某些非晶体也可以转变为晶体E．在熔化过程中，晶体要吸收热量，但温度保持不变，内能也保持不变【解题导思】(1)晶体在某些物理性质上一定是各向异性吗？答：不一定，单晶体在某些物理性质上具有各向异性的特点，但多晶体在物理性质上是各向同性的。(2)晶体和非晶体在熔化过程中有何不同？答：晶体和非晶体在熔化过程中都要吸热，但晶体在熔化过程中温度保持不变，但非晶体在熔化过程中温度发生变化。解析将一块晶体敲碎后，得到的小颗粒仍是晶体，故选项A错误；单晶体具有各向异性，有些单晶体沿不同方向上的光学性质不同，故选项B正确；金刚石和石墨由同种元素构成，但由于原子的排列方式不同而成为不同的晶体，故选项C正确；晶体与非晶体在一定条件下可以相互转化，如天然水晶是晶体，熔融过的水晶(即石英玻璃)是非晶体，也有些非晶体在一定条件下可转化为晶体，故选项D正确；晶体在熔化过程中，温度不变，但内能改变，故选项E错误。答案BCD(1)单晶体的各向异性是指晶体的某些物理性质显示各向异性。(2)不能从形状上区分晶体与非晶体。(3)晶体和非晶体在一定条件下可以相互转化。(4)液晶既不是晶体也不是液体。题|组|微|练1．(多选)关于晶体和非晶体，下列说法正确的是()A．金刚石、食盐、玻璃和水晶都是晶体B．晶体的分子(或原子、离子)排列是有规则的C．单晶体和多晶体有固定的熔点，非晶体没有固定的熔点D．单晶体和多晶体的物理性质是各向异性的，非晶体是各向同性的答案BC2．关于饱和汽和相对湿度，下列说法错误的是()A．使未饱和汽变成饱和汽，可采用降低温度的方法B．空气的相对湿度越大，空气中水蒸气的压强越接近饱和汽压C．密闭容器中装有某种液体及其饱和蒸汽，若温度升高，同时增大容器的容积，饱和汽压可能会减小D．相对湿度过小时，人会感觉空气干燥解析饱和汽压是液体的一个重要性质，它的大小取决于液体的本性和温度，温度越高，饱和气压越大，则使未饱和汽变成饱和汽，可采用降低温度的方法，故A项正确；根据相对湿度的特点可知，空气的相对湿度越大，空气中水蒸气的压强越接近饱和汽压，故项B正确；温度升高，饱和气压增大，故C项错误；相对湿度过小时，人会感觉空气干燥，故D项正确。答案C微考点2气体实验定律和理想气体的状态方程核|心|微|讲1．气体实验定律的比较2.理想气体的状态方程(1)状态方程：eq\f(p1V1,T1)＝eq\f(p2V2,T2)或eq\f(pV,T)＝C。(2)应用状态方程解题的一般步骤①明确研究对象，即某一定质量的理想气体。②确定气体在始、末状态的参量p1、V1、T1及p2、V2、T2。③由状态方程列式求解。④讨论结果的合理性。典|例|微|探【例2】(2017·全国卷Ⅰ)如图，容积均为V的汽缸A、B下端有细管(容积可忽略)连通，阀门K2位于细管的中部，A、B的顶部各有一阀门K1、K3；B中有一可自由滑动的活塞(质量、体积均可忽略)。初始时，三个阀门均打开，活塞在B的底部；关闭K2、K3，通过K1给汽缸充气，使A中气体的压强达到大气压p0的3倍后关闭K1。已知室温为27℃(1)打开K2，求稳定时活塞上方气体的体积和压强。(2)接着打开K3，求稳定时活塞的位置。(3)再缓慢加热汽缸内气体使其温度升高20℃【解题导思】(1)打开K2达到稳定时活塞上方和下方的气体压强有何关系？答：由于不计活塞的质量，所以打开K2达到稳定时两部分气体的压强相等。(2)打开K3，活塞上升还是下降？答：打开K3，由于活塞上方气体压强减小，所以活塞要上升。解析(1)设打开K2后，稳定时活塞上方气体的压强为p1，体积为V1。依题意，被活塞分开的两部分气体都经历等温过程。由玻意耳定律得p0V＝p1V1，①(3p0)V＝p1(2V－V1)，②联立①②式得V1＝eq\f(V,2)，③p1＝2p0。④(2)打开K3后，由④式知，活塞必定上升。设在活塞下方气体与A中气体的体积之和为V2(V2≤2V)时，活塞下气体压强为p2，由玻意耳定律得(3p0)V＝p2V2，⑤由⑤式得p2＝eq\f(3V,V2)p0，⑥由⑥式知，打开K3后活塞上升直到B的顶部为止；此时p2为p2′＝eq\f(3,2)p0。(3)设加热后活塞下方气体的压强为p3，气体温度从T1＝300K升高到T2＝320K的等容过程中，由查理定律得eq\f(p2′,T1)＝eq\f(P3,T2)，⑦将有关数据代入⑦式得p3＝1.6p0。答案(1)eq\f(V,2)2p0(2)顶部(3)1.6p0题|组|微|练3．在水下气泡内空气的压强大于气泡表面外侧水的压强，两压强差Δp与气泡半径r之间的关系为Δp＝eq\f(2σ,r)，其中σ＝0.070N/m。现让水下10m处一半径为0.50cm的气泡缓慢上升。已知大气压强p0＝1.0×105Pa，水的密度ρ＝1.0×103kg/m3，重力加速度大小g取10m/s2。(1)求在水下10m处气泡内外的压强差。(2)忽略水温随水深的变化，在气泡上升到十分接近水面时，求气泡的半径与其原来半径之比的近似值。解析(1)当气泡在水下h＝10m处时，设其半径为r1，气泡内外压强差为Δp1，则Δp1＝eq\f(2σ,r1)，①代入题给数据得Δp1＝28Pa。②(2)设气泡在水下10m处时，气泡内空气的压强为p1，气泡体积为V1；气泡到达水面附近时，气泡内空气的压强为p2，气泡内外压强差为Δp2，其体积为V2，半径为r2。气泡上升过程中温度不变，根据玻意耳定律有p1V1＝p2V2，③由力学平衡条件有p1＝p0＋ρgh＋Δp1，④p2＝p0＋Δp2，⑤气泡体积V1和V2分别为V1＝eq\f(4,3)πreq\o\al(3,1)，⑥V2＝eq\f(4,3)πreq\o\al(3,2)，⑦联立③④⑤⑥⑦式得eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(r1,r2)))3＝eq\f(p0＋Δp2,ρgh＋p0＋Δp1)。⑧由②式知，Δp≪p0，故可略去⑧式中的Δpi项。i＝1、2，代入题给数据得eq\f(r2,r1)＝eq\r(3,2)≈1.3。答案(1)28Pa(2)1.34．如图所示，一固定的竖直汽缸由一大一小两个同轴圆筒组成，两圆筒中各有一个活塞。已知大活塞的质量m1＝2.50kg，横截面积S1＝80.0cm2；小活塞的质量m2＝1.50kg，横截面积S2＝40.0cm2；两活塞用刚性轻杆连接，间距保持l＝40.0cm；汽缸外大气的压强p＝1.00×105Pa，温度T＝303K。初始时大活塞与大圆筒底部相距eq\f(l,2)，两活塞间封闭气体的温度T1＝495K。现汽缸内气体温度缓慢下降，活塞缓慢下移。忽略两活塞与汽缸壁之间的摩擦，重力加速度大小g取10m/s2。求：(1)在大活塞与大圆筒底部接触前的瞬间，缸内封闭气体的温度。(2)缸内封闭的气体与缸外大气达到热平衡时，缸内封闭气体的压强。解析(1)设初始时气体体积为V1，在大活塞与大圆筒底部刚接触时，缸内封闭气体的体积为V2，温度为T2。由题给条件得V1＝S2eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(l－\f(l,2)))＋S1eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(l,2)))，①V2＝S2l。在活塞缓慢下移的过程中，用p1表示缸内气体的压强，由力的平衡条件得S1(p1－p)＝m1g＋m2g＋S2(p1－p故缸内气体的压强不变。由盖－吕萨克定律有eq\f(V1,T1)＝eq\f(V2,T2)，④联立①②④式并代入题给数据得T2＝330K。⑤(2)在大活塞与大圆筒底部刚接触时，被封闭气体的压强为p1。在此后与气缸外大气达到热平衡的过程中，被封闭气体的体积不变。设达到热平衡时被封闭气体的压强为p′，由查理定律，有eq\f(p′,T)＝eq\f(p1,T2)，⑥联立③⑤⑥式并代入题给数据得p′＝1.01×105Pa。答案(1)330K(2)1.01×105Pa微考点3气体状态变化的图象问题核|心|微|讲1．求解气体状态变化的图象问题，应当明确图象上的点表示一定质量的理想气体的一个平衡状态，它对应着三个状态参量；图象上的某一条直线段或曲线段表示一定质量的理想气体状态变化的一个过程。2．在V－T图象(或p－T图象)中，比较两个状态的压强(或体积)大小，可以比较这两个状态到原点连线的斜率的大小，其规律是：斜率越大，压强(或体积)越小；斜率越小，压强(或体积)越大。典|例|微|探【例3】如图甲是一定质量的气体由状态A经过状态B变为状态C的V－T图象。已知气体在状态A时的压强是1.5×105Pa。(1)说出A→B过程中压强变化的情形，并根据图象提供的信息，计算图甲中TA的值。(2)请在图乙坐标系中，作出该气体由状态A经过状态B变为状态C的p－T图象，并在图线相应位置上标出字母A、B、C。如果需要计算才能确定的有关坐标值，请写出计算过程。【解题导思】从A经B到C的过程中，气体做怎样的状态变化？答：AB过程做等压变化，BC过程做等容变化。解析(1)从题图甲可以看出，A与B连线的延长线过原点，所以A→B是一个等压变化，即pA＝pB。根据盖－吕萨克定律可得eq\f(VA,TA)＝eq\f(VB,TB)，所以TA＝eq\f(VA,VB)TB＝eq\f(0.4,0.6)×300K＝200K。(2)由题图甲可知，由B→C是等容变化，根据查理定律得eq\f(pB,TB)＝eq\f(pC,TC)，所以pC＝eq\f(TC,TB)pB＝eq\f(400,300)pB＝eq\f(4,3)pB＝eq\f(4,3)×1.5×105Pa＝2.0×105Pa，则可画出由状态A→B→C的p－T图象如图所示。答案见解析题|组|微|练5．如图所示，一定质量的理想气体沿图线从状态a，经状态b变化到状态c，在整个过程中，其体积()A．逐渐增大 B．逐渐减小C．先减小后增大 D．先增大后减小解析在整个过程中，气体的温度逐渐升高，压强逐渐减小，根据理想气体状态方程eq\f(pV,T)＝c(常量)可知，其体积逐渐增大，选项A正确。答案A6．一定质量的理想气体，从初始状态A经状态B、C、D再回到状态A，其体积V与温度T的关系如图所示。图中TA、VA和TD为已知量。(1)从状态A到B，气体经历的是________(填“等温”“等容”或“等压”)过程。(2)从B到C的过程中，气体的内能________(填“增大”“减小”或“不变”)。(3)从C到D的过程中，气体对外________(填“做正功”“做负功”或“不做功”)，同时________(填“吸热”或“放热”)；(4)气体在状态D时的体积VD＝________。解析(1)由题图可知，从状态A到B，气体体积不变，是等容变化。(2)从B到C温度T不变，即分子平均动能不变，对理想气体来说即内能不变。(3)从C到D气体体积减小，外界对气体做正功，W>0，所以气体对外做负功，同时温度降低，说明内能减小，由热力学第一定律ΔU＝W＋Q知气体放热。(4)从D到A是等压变化，由eq\f(VA,TA)＝eq\f(VD,TD)得VD＝eq\f(TD,TA)VA。答案(1)等容(2)不变(3)做负功放热(4)eq\f(TD,TA)VA见学生用书P197气体实验定律与热力学第一定律的综合应用素能培养基本思路：(1)选取研究对象研究对象可以是由两个或多个物体组成的系统，也可以是全部气体或部分气体(状态变化时质量须保持不变)(2)两类分析①气体实验定律：确定状态变化前后的各物理量(p、V、T)及满足的规律。②热力学定律：做功情况、吸放热情况和内能变化情况经典考题(2017·全国卷Ⅲ)(多选)如图，一定质量的理想气体从状态a出发，经过等容过程ab到达状态b，再经过等温过程bc到达状态c，最后经等压过程ca回到状态a。下列说法正确的是()A．在过程ab中气体的内能增加B．在过程ca中外界对气体做功C．在过程ab中气体对外界做功D．在过程bc中气体从外界吸收热量E．在过程ca中气体从外界吸收热量解析在过程ab中，体积不变，外界不对气体做功，气体也不对外界做功，压强增大，温度升高，内能增加，A项正确，C项错误；在过程ca中，气体体积缩小，外界对气体做功，压强不变，温度降低，故内能减小，由热力学第一定律可得气体向外界放出热量，B项正确，E项错误；在过程bc中，温度不变，内能不变，体积增大，气体对外界做功，由热力学第一定律可知，气体要从外界吸收热量，D项正确。答案ABD气体实验定律与热力学定律的综合问题的处理方法(1)气体实验定律的研究对象是一定质量的理想气体。(2)解决具体问题时，分清气体的变化过程是求解问题的关键，根据不同的变化，找出与之相关的气体状态参量，利用相关规律解决。(3)对理想气体，只要体积变化，外界对气体(或气体对外界)要做功，如果是等压变化，W＝pΔV；只要温度发生变化，其内能就发生变化。(4)结合热力学第一定律ΔU＝W＋Q求解问题。对法对题1．(多选)一定量的理想气体从状态a开始，经历等温或等压过程ab、bc、cd、da回到原状态，其p－T图象如图所示，其中对角线ac的延长线过原点O。下列判断正确的是()A．气体在a、c两状态的体积相等B．气体在状态a时的内能大于它在状态c时的内能C．在过程cd中气体向外界放出的热量大于外界对气体做的功D．在过程da中气体从外界吸收的热量小于气体对外界做的功E．在过程bc中外界对气体做的功等于在过程da中气体对外界做的功解析(1)由eq\f(pV,T)＝c可知，p－T图象中过原点的一条倾斜的直线是等容线，A项正确；气体从状态c到状态d的过程温度不变，内能不变，从状态d到状态a的过程温度升高，内能增加，B项正确；由于过程cd中气体的内能不变，根据热力学第一定律可知，气体向外放出的热量等于外界对气体做的功，C项错误；在过程da中气体内能增加，气体从外界吸收的热量大于气体对外界做的功，D项错误；过程bc中，外界对气体做的功Wbc＝pb(Vb－Vc)＝pbVb－pcVc，过程da中气体对外界做的功Wda＝pd(Va－Vd)＝paVa－pdVd，由于pbVb＝paVa，pcVc＝pdVd，因此过程bc中外界对气体做的功与过程da中气体对外界做的功相等，E项正确。答案ABE2.一定质量的理想气体由状态A变化到状态B，压强随体积变化的关系如图所示。气体在状态A时的内能________(填“大于”“小于”或“等于”)状态B时的内能；由A变化到B，气体对外界做功的大小________(填“大于”“小于”或“等于”)气体从外界吸收的热量。解析由图象可知，气体在AB两态的PV乘积相等，故在AB两态的温度相同，即两态的内能相同；由A变化到B，因气体的内能不变，故根据热力学第一定律可知，气体对外界做功的大小等于气体从外界吸收的热量。答案等于等于见学生用书P1981．(2017·全国卷Ⅰ)(多选)氧气分子在0℃和100A．图中两条曲线下面积相等B．图中虚线对应于氧气分子平均动能较小的情形C．图中实线对应于氧气分子在100℃D．图中曲线给出了任意速率区间的氧气分子数目E．与0℃时相比，100℃时氧气分子速率出现在0～解析温度是分子平均动能的标志，温度升高分子的平均动能增加，不同温度下相同速率的分