物理第17讲 分子动理论 气体及热力学定律

专题整合突破专题七选考部分专题七选考部分要点解读备考对策本讲考查的重点和热点：分子大小的估算；对分子动理论内容的理解；固、液、气三态的性质及其微观解释；气体实验定律、气态方程的理解和应用；热力学定律的理解和简单计算；油膜法测分子直径。题型基本上都是拼盘式选择题和计算题的组合。由于本讲内容琐碎，考查点多，因此在复习中应注意抓好四大块知识：一是分子动理论；二是从微观角度分析固体、液体、气体的性质；三是气体实验三定律；四是热力学定律。以四块知识为主干，梳理出知识点，进行理解性记忆。第第1717讲分子动理论气体及热力学定律讲分子动理论气体及热力学定律1 1微网构建微网构建2 2高考真题高考真题3 3热点聚焦热点聚焦4 4复习练案复习练案微网构建微网构建高考真题高考真题 解析水流的速度是机械运动的速度，不同于水分子无规则热运动的速度，A错误；分子永不停息地做无规则运动，B错误；温度是分子平均动能的标志，温度越高，分子的热运动越剧烈，故C正确；水的温度升高，水分子的平均动能增大，即水分子的平均运动速率增大，但不是每一个水分子的运动速率都增大，D错误。C ABC A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 时的情形 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0400 m/s区间内的分子数占总分子数的百分比较大 (2)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 ，汽缸导热。 ()打开K2，求稳定时活塞上方气体的体积和压强； ()接着打开K3，求稳定时活塞的位置； ()再缓慢加热汽缸内气体使其温度升高20 ，求此时活塞下方气体的压强。 解析(1)根据气体分子单位速率间隔的分子数占总分子数的百分比随气体分子速率的变化曲线的意义可知，题图中两条曲线下面积相等，选项A正确；题图中虚线占百分比较大的分子速率较小，所以对应于氧气分子平均动能较小的情形，选项B正确；题图中实线占百分比较大的分子速率较大，分子平均动能较大，根据温度是分子平均动能的标志，可知实线对应于氧气分子在100时的情形，选项C正确；根据分子速率分布图可知，题图中曲线给出了任意速率区间的氧气分子数目占总分子数的百分比，不能得出任意速率区间的氧气分子数目，选项D错误；由分子速率分布图可知，与0时相比，100时氧气分子速率出现在0400m/s区间内的分子数占总分子数的百分比较小，选项E错误。 A气体自发扩散前后内能相同 B气体在被压缩的过程中内能增大 C在自发扩散过程中，气体对外界做功 D气体在被压缩的过程中，外界对气体做功 E气体在被压缩的过程中，气体分子的平均动能不变 ABD (2)一热气球体积为V，内部充有温度为Ta的热空气，气球外冷空气的温度为Tb。已知空气在1个大气压、温度为T0时的密度为0，该气球内、外的气压始终都为1个大气压，重力加速度大小为g。 ()求该热气球所受浮力的大小； ()求该热气球内空气所受的重力； ()设充气前热气球的质量为m0，求充气后它还能托起的最大质量。 解析(1)抽开隔板，气体自发扩散过程中，气体对外界不做功，与外界没有热交换，因此气体的内能不变，A项正确，C项错误；气体在被压缩的过程中，外界对气体做正功，D项正确；由于气体与外界没有热交换，根据热力学第一定律可知，气体在被压缩的过程中内能增大，因此气体的温度升高，气体分子的平均动能增大，B项正确，E项错误。 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 ABD (2)一种测量稀薄气体压强的仪器如图(a)所示，玻璃泡M的上端和下端分别连通两竖直玻璃细管K1和K2。K1长为l，顶端封闭，K2上端与待测气体连通；M下端经橡皮软管与充有水银的容器R连通。开始测量时，M与K2相通；逐渐提升R，直到K2中水银面与K1顶端等高，此时水银已进入K1，且K1中水银面比顶端低h，如图(b)所示。设测量过程中温度、与K2相通的待测气体的压强均保持不变。已知K1和K2的内径均为d，M的容积为V0，水银的密度为，重力加速度大小为g。求： ()待测气体的压强； ()该仪器能够测量的最大压强。 解析(1)ab过程，气体压强增大，体积不变，则温度升高，内能增加，A项正确；ab过程发生等容变化，气体对外界不做功，C项错误；一定质量的理想气体内能仅由温度决定，bc过程发生等温变化，内能不变，bc过程，气体体积增大，气体对外界做正功，根据热力学第一定律可知气体从外界吸热，D项正确；ca过程发生等压变化，气体体积减小，外界对气体做正功，B项正确；ca过程，气体温度降低，内能减小，外界对气体做正功，根据热力学第一定律可知气体向外界放热，E项错误。 AAB的过程中，气体对外界做功 BAB的过程中，气体放出热量 CBC的过程中，气体压强不变 DABC的过程中，气体内能增加 BC (2)图2甲和乙图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30 s，两方格纸每格表示的长度相同。比较两张图片可知：若水温相同，_(选填“甲”或“乙”)中炭粒的颗粒较大；若炭粒大小相同，_(选填“甲”或“乙”)中水分子的热运动较剧烈。 甲甲 乙乙 (3)科学家可以运用无规则运动的规律来研究生物蛋白分子。资料显示，某种蛋白的摩尔质量为66 kg/mol，其分子可视为半径为3109 m的球，已知阿伏加德罗常数为6.01023mol1。请估算该蛋白的密度。(计算结果保留一位有效数字)热点聚焦热点聚焦热点一分子动理论、内能及热力学定律 (2)必须明确反映分子运动规律的两个实例 布朗运动： 研究对象：悬浮在液体或气体中的固体小颗粒 运动特点：无规则、永不停息 相关因素：颗粒大小、温度 扩散现象 产生原因：分子永不停息的无规则运动 相关因素：温度 (3)必须弄清的分子力和分子势能 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。 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。 2物体的内能与热力学定律 (1)物体内能变化的判定：温度变化引起分子平均动能的变化；体积变化，分子间的分子力做功，引起分子势能的变化。 (2)热力学第一定律 公式：UWQ 符号规定：外界对系统做功，W0；系统对外界做功，W0；系统向外界放出热量，Q0；系统内能减少，U0。 (3)热力学第二定律的表述：热量不能自发地从低温物体传到高温物体(按热传递的方向性表述)。不可能从单一热库吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响(按机械能和内能转化的方向性表述)。第二类永动机是不可能制成的。A分子Q由A运动到C的过程中，先加速再减速B分子Q在C点时分子势能最小C分子Q在C点时加速度大小为零D分子Q由A点释放后运动到C点左侧的过程中，加速度先增大后减小再增大E该图能表示固、液、气三种状态下分子力随分子间距变化的规律典例典例1 BCD 解析分子Q由A运动到C的过程中，两分子一直受吸引力作用，速度一直增加，动能增加，分子势能减小，在C点的分子势能最小，选项A错误，B正确；分子Q在C点时受到的分子力为零，故Q在C点时加速度大小为零，选项C正确；分子Q由A点释放后运动到C点左侧的过程中，分子力先是吸引力先增后减，到C点左侧时分子力为斥力逐渐变大，故加速度先增大后减小再增大，选项D正确；该图只能表示固、液两种状态下分子力随分子间距变化的规律，气体分子距离一般大于10r0，选项E错误；故选BCD。BD 解析在人压向球的过程中，外界对球做功，气体的体积减小，故气体的密度增大；气体温度不变，故气体分子的平均动能不变；由于外界对气体做功，但气体温度不变，故内能不变；由热力学第一定律可知，气体对外放热；故AC错误；BD正确。 1.固体和液体 (1)晶体和非晶体热点二固体、液体和气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有的性质各向异性有的性质各向同性各向同性各向同性 (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。 (4)饱和汽压的特点 液体的饱和汽压与温度有关，温度越高，饱和汽压越大，且饱和汽压与饱和汽的体积无关。 2.理想气体状态方程及三个实验定律的关系(1)求稳定后活塞D下降的距离；(2)改变汽缸内气体的温度使活塞D再回到初位置，则气体的温度应变为多少？典例典例2 1压强的计算 (1)被活塞、汽缸封闭的气体，通常分析活塞或汽缸的受力，应用平衡条件或牛顿第二定律列式计算。 (2)被液柱封闭的气体的压强，通常分析液片或液柱的受力，应用平衡条件或牛顿第二定律求解。 2合理选取气体变化所遵循的规律列方程 (1)若气体质量一定，p、V、T均发生变化，则选用理想气体状态方程列方程求解。 (2)若气体质量一定，p、V、T中有一个量不发生变化，则选用对应的实验定律列方程求解。方法总结 3多个研究对象的问题 由活塞、液柱相联系的“两团气”问题，要注意寻找“两团气”之间的压强、体积或位移关系，列出辅助方程，最后联立求解。ACE 解析单晶体和多晶体均存在在固定的熔点，选项A正确；空气相对湿度越大，空气中水蒸气压强越接近饱和气压，水蒸发越慢，选项B错误；液晶的光学性质与某些晶体相似，具有各向异性，选项C正确；用油膜法估测分子大小时，用油酸溶液中含有的纯油酸的体积除以油膜面积，可估测油酸分子的直径，选项D错误；由于液体表面层分子间距离大于液体内部分子间距离，所以液体表面存在张力，选项E正确；故选ACE。 (1)最初气缸内封闭的理想气体的温度t1为多少摄氏度； (2)最终活塞到气缸底部的距离h4为多少。典例典例3 热点三热力学定律与热力学第一定律的综合应用 (1)外界对密封气体做的功W； (2)密封气体向外界放出的热量Q。 A由状态A变到状态B过程中，气体吸收热量 B由状态B变到状态C过程中，气体从外界吸收热量，内能增加 CC状态气体的压强小于D状态气体的压强 DD状态时单位时间内与器壁单位面积碰撞的分子数比A状态少 ED状态与A状态，相等时间内气体分子对器壁单位面积的冲量相等ADE 解析由状态A变到状态B过程中，温度升高，内能增加，体积不变，做功为零，由热力学第一定律可知，气体要吸收热量，故A正确；由状态B变到状态C过程中，温度不变，内能不变，体积膨胀，气体对外界做功，由热力学第一定律可知，要吸收热量，故B错误；由状态C到状态D过程是等容降温，由PVnRT，可知C状态气体的压强大于D状态气体的压强，故C错误；由图看出气体由D状态到A状态，由PVnRT分析得知，两个状态的V与T成正比即两个状态的压强相等，体积减小时，单位时间内器壁单位面积碰撞的分子数增大，所以D状态时单位时间内与器壁单位面积碰撞的分子数比A状态少，故D正确；由上分析可知，D状态与A状态压强相等，所以相等时间内分子对器壁单位面积的冲量相等，故E正确。所以ADE正确，BC错误。 (1)活塞刚要向左移动时，气缸内气体的温度t1_； (2)最终气缸内气体的体积V1_；327 0.5 m3 (3)在整个过程中，气缸内气体对外界_(填“做正功”“做负功”或“不做功”)，气缸内气体放出的热量_(填“大于”“等于”或“小于”)气体内能的减少量。 做负功做负功 大于大于