全解与高考物理专题7 热力学定律 固体 液体 气体

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全解与精炼高考物理专题7 热力学定律 固体 液体 气体一、解答题  粒子与金原子核发生对心碰撞时，能够接近金原子核中心的最小距离为 ，已知金原子的摩尔质量为 ，阿伏加德罗常数为 ，试估算金原子核的密度。 二、双选题如图所示，甲分子固定在坐标原点 ，乙分子位于 轴上，甲分子对乙分子的作用力与两分子间距离的关系如图中曲线所示， 为斥力。 为引力。 、 、 、 为 轴上四个特定的位置，现把乙分子从 处静止释放，则     A．乙分子从 到 做加速运动，由 到 做减速运动 B．乙分子由 到 做加速运动，到达 时速度最大 C．乙分子由 到 的过程中，两分子间的分子势能一直减少 D．乙分子由 到 的过程中，两分子间的分子势能一直增加 三、选择题如图所示，两个相通的容器 、 间装有阀门 中充满气体， 为真空，整个系统与外界没有热交换。打开阀门 后， 中的气体进入 中，最终达到平衡，则     A．气体体积膨胀，内能增加 B．气体分子势能减少，内能增加 C．气体分子势能增加，压强可能不变 D． 中气体不可能自发地全部退回到 中 四、双选题如图所示，绝热隔板 把绝热的气缸分隔成体积相等的两部分， 与气缸壁的接触是光滑的。两部分中分别盛有相同质量、相同温度的同种气体 和 。气体分子之间相互作用势能可忽略。现通过电热丝对气体 加热一段时间后，， 各自达到新的平衡。下面正确的是     A． 的体积增大了，压强变小了 B． 的温度升高了 C．加热后 的分子热运动比 的分子热运动更激烈 D． 增加的内能大于 增加的内能 五、解答题喷雾器内有 水，上部封闭有 的空气 ．关闭喷雾阀门，用打气筒向喷雾器内再充入 的空气 （没外界环境温度一 定，空气可看作理想气体）。(1)  当水面上方气体温度与外界温度相等时，求气体压强，并从微观上解释气体压强变化的原因。(2)  打开喷雾阀门，喷雾过程中封闭气体可以看成等温膨胀，此过程气体是吸热还是放热？简要说明理由。 如图（）所示，一定质量的理想气体从状态 经 ，， 再回到 ，问 ，，， 是什么过程，已知在状态 时容积为 ，并把图（）改画为 图。 在大型强子对撞机中，当两束质子（强子）流对撞的时候，加速后的质子的动能可转化为质子之间的电势能，已知质子之间的电势能 ， 为静电力常量， 为电荷之间的距离。两个质子对撞，动能必须足够大，使它们之间距离接近到 （接近到斥力能发生作用的范围）。碰撞将产生极端高温（可以达到太阳中心温度的 万倍），在微观世界里，温度很高时，质子的平均动能 ，式中的 叫玻耳兹曼常量， 为热力学温度。则两个质子对撞后的温度为多少？ 请回答下列问题：(1)   年，米被定义为：在经过巴黎的子午线上，取从赤道到北极长度的一千万分之一。请由此估算地球的半径 。（答案保留三位有效数字）(2)  太阳与地球的距离为 ，太阳光以平行光束入射到地面。地球表面 的面积被水面所覆盖，太阳在一年中辐射到地球表面水面部分的总能量 约为 。设水面对太阳辐射的平均反射率为 ，而且将吸收到的 能量重新辐射出去，太阳辐射可将水面的水蒸发（设在常温、常压下蒸发 水需要 的能量），而后凝结成雨滴降落到地面。i  估算整个地球表面的年平均降雨量（以 表示，球面积为 ）。ii  太阳辐射到地球的能量中只有约 到达地面， 只是其中的一部分。太阳辐射到地球的能量没能全部到达地面，这是为什么？请说出两个理由。 房间的容积是 ，在房间内的气温由 升高到 ，大气压由 降至 的过程中，房间内空气的质量减少了多少？（标准状况下空气的密度 ） 六、填空题体积相等的两个气室用一体积可忽略的细管相连通，两气室内盛有 大气压、 的氮气，若将其中一气室加温至 ，另一气室降温至 ，则气室中氮气的最终压强为    大气压。 七、解答题如图所示，开口向上粗细均匀的玻璃管长 ，管内有一段高 的水银柱，封闭着长为 的空气柱，大气压强 。温度 ，求：温度升到多高时，可使水银溢出最多。 如图所示， 形管竖直固定在静止的平板车上， 形管竖直部分和水平部分的长度均为 ，管内充有水银，两管内的水银面距离管口均为 。若将 形管管口密封，并让 形管与平板车一起向右做匀加速运动，运动过程中 形管两管内水银面的高度差为 ，求：(1)  小平板车的加速度。(2)   形管底部中央位置的压强（设水银密度为 ，大气压强恰好为 ，空气温度不变）。 八、选择题景颇族的祖先发明的点火器如图所示，用牛角做套筒，木制推杆前端粘着艾绒。猛推推杆，艾绒即可点燃。对筒内封闭的气体，在此压缩过程中     A．气体温度升高，压强不变 B．气体温度升高，压强变大 C．气体对外界做正功，气体内能增加 D．外界对气体做正功，气体内能减少 图11-2-14为伽利略设计的一种测温装置示意图,玻璃管的上端与导热良好的玻璃泡连通,下端插入水中,玻璃泡中封闭有一定质量的空气.若玻璃管内水柱上升,则外界大气的变化可能是    图11-2-14 A．温度降低,压强增大 B．温度升高,压强不变 C．温度升高,压强减小 D．温度不变,压强减小 九、双选题(液体的表面张力)下列现象中,能说明液体存在表面张力的有     A．水黾可以停在水面上 B．叶面上的露珠呈球形 C．滴入水中的红墨水很快散开 D．悬浮在水中的花粉做无规则运动 以下说法正确的是     A．水的饱和汽压随温度的升高而增大 B．扩散现象表明，分子在永不停息地做运动 C．当分子间距离增大时，分子间引力增大，分子间斥力减小 D．一定质量的理想气体，在等压膨胀过程中，气体分子的平均动能减小 十、选择题如图所示，一演示用的“永动机”转轮由 根轻杆和转轴构成，轻杆的末端装有用形状记忆合金制成的叶片．轻推转轮后，进入热水的叶片因伸展而“划水”，推动转轮转动，离开热水后，叶片形状迅速恢复，转轮因此能较长时间转动．下列说法正确的是     A．转轮依靠自身惯性转动，不需要消耗外界能量 B．转轮转动所需能量来自形状记忆合金自身 C．转动的叶片不断搅动热水，水温升高 D．转轮的叶片在热水中吸收的热量一定大于在空气中释放的热量 某汽车后备箱内安装有撑起箱盖的装置，它主要由气缸和活塞组成。开箱时，密闭于气缸内的压缩气体膨胀，将箱盖顶起，如图所示。在此过程中，若缸内气体与外界无热交换，忽略气体分子间相互作用，则缸内气体      A．对外做正功，分子的平均动能减小 B．对外做正功，内能增大 C．对外做负功，分子的平均动能增大 D．对外做负功，内能减小 十一、解答题回答下列问题：(1)  在将空气压缩装入气瓶的过程中，温度保持不变，外界做了 的功。现潜水员背着该气瓶缓慢地潜入海底，若在此过程中，瓶中空气的质量保持不变，且放出了 的热量。在上述两个过程中，空气的内能共减小     ，空气    （选填“吸收”或“放出”）的总热量为     。(2)  已知潜水员在岸上和海底吸入空气的密度分别为 和 ，空气的摩尔质量为 ，阿伏加德罗常数 。若潜水员呼吸一次吸入 空气，试估算潜水员在海底比在岸上每呼吸一次多吸入空气的分子数（结果保留一位有效数字）。 十二、填空题一定质量的理想气体，状态从 的变化过程可用如图所示的 图描述，图中 ，，， 和 为已知量。（）气体状态从 到 是    过程（填“等容”、“等压”或“等温”）。（）状态从 到 的变化过程中，气体的温度    （填“升高”、“不变”或“降低”）。（）状态从 到 的变化过程中，气体    （填“吸热”或“放热”）。（）状态从 的变化过程中，气体对外界所做的总功为    。 十三、解答题如图，用 形管和细管连接的玻璃泡 、 和 浸泡在温度均为 的水槽中， 的容积是 的 倍。阀门 将 和 两部分隔开。 内为真空， 和 内都充有气体。 形管内左边水银柱比右边的低 。打开阀门 ，整个系统稳定后， 形管内左右水银柱高度相等。假设 形管和细管中的气体体积远小于玻璃泡的容积。(1)  求玻璃泡 中气体的压强（以 为单位）(2)  将右侧水槽的水从 加热到一定温度时， 形管内左边水银柱比右边高 ，求加热后右侧水槽的水温。 如图所示，粗细均匀、导热良好、装有适量水银的 形管竖直放置，右端与大气相通，左端封闭气柱长 （可视为理想气体），两管中水银面等高。现将右端与一低压舱（未画出）接通，稳定后右管水银面高出左管水银面 （环境温度不变，大气压强 ）。(1)  求稳定后低压舱内的压强（用“”作单位）。(2)  此过程中左管内的气体对外界    （填“做正功”、“做负功”或“不做功”），气体将    （填“吸热”或“放热”）。 某压力锅的结构如图所示。盖好密封锅盖，将压力阀套在出气孔上，给压力锅加热，当锅内气体压强达到一定值时，气体就把压力阀顶起。假定在压力阀被顶起时，停止加热。(1)  若此时锅内气体的体积为 ，摩尔体积为 ，阿伏加德罗常数为 ，写出锅内气体分子数的估算表达式。(2)  假定在一次放气过程中，问：锅内气体对压力阀及外界做功 ，并向外界释放了 的热量。锅内原有气体的内能如何变化？变化了多少？(3)  已知大气压强 随海拔高度 的变化满足 ，其中常数 。结合气体定律定性分析在不同的海拔高度使用压力锅，当压力阀被顶起时锅内气体的温度有何不同。 内壁光滑的导热气缸竖直浸放在盛有冰水混合物的水槽中，用不计质量的活塞封闭压强为 、体积为 的理想气体，现在活塞上方缓慢倒上沙子，使封闭气体的体积变为原来的一半，然后将气缸移出水槽，缓慢加热，使气体温度变为 。(1)  求气缸内气体的最终体积；(2)  在图上画出整个过程中气缸内气体的状态变化（外界大气压强为 ）。 十四、实验题一同学用如图所示装置研究一定质量气体的压强与体积的关系。实验过程中温度保持不变。最初， 形管两臂中的水银面齐平，烧瓶中无水。当用注射器往烧瓶中注入水时， 形管两臂中的水银面出现高度差。实验的部分数据记录如表所示。  (1)  根据表中数据，在图中画出该实验的 关系图线。(2)  实验时，大气压强      。 十五、解答题“和平号”空间站已成功地坠落在南太平洋海域，坠落过程可简化为从一个近圆轨道（可近似看做圆轨道）开始，经过与大气摩擦，空间站的绝大部分经过升温、熔化，最后气化而销毁，剩下的残片坠人大海。此过程中，空间站原来的机械能中，除一部分用于销毁和一部分被残片带走外，还有一部分能量 通过其他方式散失（不考虑坠落过程中化学反应的能量）。(1)  试导出用下列各物理量的符号表示散失能量 的公式。(2)  算出 的数值（结果保留两位有效数字）。坠落开始时空间站的质量 ，轨道离地面的高度 ，地球半径 ，坠落空间范围内重力加速度可看做 ，入海残片的质量 ，入海残片的温度升高 ，入海残片的入海速度为声速 ，空间站材料每 升温 平均所需能量 ，每销毁 材料平均所需能量 。 十六、实验题如图所示，一根长约 ，管内截面积为 的玻璃管下端有一个球形小容器，管内有一段长约 的水银柱。现在需要用比较准确的方法测定球形小容器的容积 。可用的器材有：刻度尺（量程 ）、温度计（测量范围 ）、玻璃容器（高约 ，直径约 ）、足够多的沸水和冷水。(1)  简要写出实验步骤及需要测量的物理量。(2)  说明如何根据所测得的物理量得出实验结果。 一定量的理想气体与两种实际气体I和II在标准大气压下做等压变化时的 关系如图 所示，图中 。用三份上述理想气体作为测温物质制成三个相同的温度计，然后将其中两个温度计中的理想气体分别换成上述实际气体I和II。(1)  在标准大气压下，当环境温度为 时，三个温度计的示数各不相同，如图 所示，温度计（）中的测量物质应为实际气体    （图中活塞质量忽略不计）。(2)  若此时温度计（）和（）的示数分别为 和 ，则此时温度计（）的示数为     。(3)  可见用实际气体作为测温物质时，会产生误差。为减小在 范围内的测量误差，现针对 进行修正，制成如图 所示的复合气体温度计，图中无摩擦导热活塞将容器分成两部分，在温度为 时分别装入适量气体I和II，则两种气体体积之比 应为    。
答案一、解答题1.  【答案】 【解析】 任何物质都含有 （阿伏加德罗常数）个分子，其摩尔质量 恒等于 个分子（或原子）质量 的总和，据此可求出一个分子的质量  。一个金原子的质量  。原子核几乎集中了金原子的全部质量，故可认为金原子核的质量 近似等于金原子的质量 。把金原子核想象成一个球体，由 粒子能够接近金原子核中心的最小距离可推知，金原子核的半径 不会大于这一最小距离。综合上述两点，便可估算金原子核密度 。 二、双选题2.  【答案】B；C 三、选择题3.  【答案】D 四、双选题4.  【答案】C；D【解析】 受力平衡，两部分气体压强相等，又因体积相等，温度相等、摩尔数相等，所以，分子密度相同，分子热运动剧烈程度相同，分子对器壁的平均冲力相同。 中加热后，温度升高，分子热运动剧烈程度增强，分子对器壁的平均冲力变大，压强变大， 右移， 体积变大， 体积变小，对 由热力学第一定律 ，， 为正，所以 内能增加，温度升高，选项B正确。 中分子热运动剧烈程度加大，分子密度变大，分子对器壁的平均冲力变大，压强变大。重新平衡后，两部分压强相等， 中压强也变大，但 体积变大，分子密度变小，要产生与 相等的压强，分子对器壁的平均冲力一定要比 中的大，即分子热运动的剧烈程度一定要比 中的剧烈，温度 ，因此选项C，D正确，A错误。 五、解答题5.  【答案】(1)   ；因单位体积内分子数增加，压强增加。(2)  气体吸热【解析】(1)  设气体初态压强为 ，体积为 ；末态压强为 ，体积为 ，由玻意耳定律 代入数据得 。压强变大，其微观解释为：温度不变，分子平均动能不变、单位体积内分子数增加，所以压强增加。(2)  因气体做等温变化，气体内能不变，而气体对外做功，根据热力学第一定律可知气体吸热。 6.  【答案】 过程是等容、升温、升压； 过程是等压、升温、增容（即等压膨胀）； 过程是等温、减压、增容（即等温膨胀）， 过程是等压、降温、减容（即等压压缩）  过程是等容过程，。  过程是等压过程，。  过程是等温过程，。【解析】(1) 过程是等容、升温、升压； 过程是等压、升温、增容（即等压膨胀）； 过程是等温、减压、增容（即等温膨胀）， 过程是等压、降温、减容（即等压压缩）。(2) 过程是等容过程，。  过程是等压过程，由 ，得 。  过程是等温过程，由 ，得 。所改画的 图如图( )所示。 7.  【答案】 【解析】据能量守恒定律，两个质子的平均动能之和等于两个质子之间的电势能，，即 ，得 。 8.  【答案】(1)   (2)  i   ii  太阳辐射到地球的能量要经过大气层才能到达地面，太阳光经过大气层时有大气层的吸收、大气层的散射或反射、云层遮挡等，所以太阳辐射到地球的能量没能全部到达地面。【解析】(1)  赤道到北极的长度是地球周长的 ，所以地球的周长 。由圆的周长与半径关系得地球半径 。(2)  i  根据能量守恒定律，水吸收的能量为 ，因蒸发 水需 的能量，所以蒸发的水的质量 。 即为年降雨的总质量，其总体积为 。年降雨量使地球表面覆盖的一层水的厚度 为 。故整个地球表面年平均降雨量约为 。 9.  【答案】 【解析】本题为变质量问题，由理想气体状态方程 ，得末状态气体体积 ，又由 ，得 ，故房间内的空气减少了 。 六、填空题10.  【答案】 【解析】本题两气室内的气体摩尔数均发生了改变，但两气室内气体的总摩尔数没变，所以可以用理想气体状态方程的推广形式来解，由加 ，得 。 七、解答题11.  【答案】 【解析】开始温度升高时，气体压强不变，气体体积膨胀，水银柱上升，当水银柱升至管口后，温度再升高，水银就开始溢出，这时气体压强随水银的溢出而减小，气体的体积在不断增大，令剩余的水银柱的高度为 。设玻璃管的截面积为 。气体的初状态 ，。，气体的末状态 ，，，根据理想气体状态方程 ，代入数据 ，得 ，要使 最高，则 必为最大。又因为 为常数，所以当 ，即 时， 有最大值。将 代入 ，得 ，温度升到 时，可使水银溢出最多。 12.  【答案】(1)   (2)   【解析】(1)   形管与平板车一起向右做匀加速运动，则左边封闭气体压强大于右边封闭气体压强， 形管两管内水银面的高度差为 ，则左边水银面上升 ，右边水银面下降。设左边封闭气体压强为 ，对左边封闭气体   ，得 ；设右边封闭气体压强为 ，对右边封闭气体  ，得 ；设平板车加速度为 ，对管内水平部分水银 ，得 。(2)  设 形管底部中央位置的压强为 ，对水平管内右边部分水银有 ，得 。 八、选择题13.  【答案】B【解析】筒内封闭气体被压缩过程中，外界对气体做正功。由热力学第一定律 知，气体内能增加，温度升高。由理想气体状态方程 知，气体压强增大。选项A、C、D错误，选项B正确。 14.  【答案】A【解析】对被封闭的一定质量的气体进行研究,当水柱上升时,封闭气体的体积V减小,结合理想气体状态方程=C得,当外界大气压强p_{0}不变时,封闭气体的压强p减小,则温度T一定降低,B选项错误.当外界大气压强p_{0}减小时,封闭气体的压强p减小,则温度T一定降低,C、D选项均错误.当外界大气压强p_{0}增大时,封闭气体的压强p存在可能增大、可能不变、可能减小三种情况.当封闭气体的压强p增大时,温度T可能升高、不变或降低,封闭气体的压强p不变时,温度T一定降低,封闭气体的压强p减小时,温度T一定降低.故只有选项A可能. 九、双选题15.  【答案】A；B【解析】滴入水中的红墨水很快散开是扩散现象,悬浮在水中的花粉做无规则的运动是布朗运动,故正确选项为A、B. 16.  【答案】A；B【解析】当分子间的距离增大时，分子间引力和斥力都减小，C错误；一定质量的理想气体，在等压膨胀过程中，温度升高，气体分子的平均动能增大，D错误。故正确答案为A、B。 十、选择题17.  【答案】D【解析】转轮转动的过程中克服摩擦力做功，转轮的速度越来越小，所以要维持转轮转动需要外力做功．故A错误。要维持转轮转动需要外力做功，转轮转动所需能量不能由转轮自己提供．故B错误。转动的叶片不断搅动热水的过程是水对转轮做功的过程，同时水会向四周放出热量，根据热力学第一定律可知水的内能减小，故水温降低，故C错误。根据热力学第二定律，物体不可能从单一热源吸收能量全部用来对外做功而不引起其变化，故叶片在热水中吸收的热量一定大于在空气中释放的热量．故D正确。 18.  【答案】A【解析】由于忽略气体分子间相互作用，封闭气体为理想气体，气体膨胀，体积变大，对外做正功，由于缸内的气体与外界无热交换，由热力学第一定律可知，气体的内能减小，分子的平均动能减小，选项 A 正确。 十一、解答题19.  【答案】(1)   ；放出； (2)   【解析】(1)  第一个过程内能不变，第二个过程放热，内能减小。(2)  设空气的摩尔质量为 ，在海底和岸上的密度分别为 和 ，一次吸入空气的体积为 ，则有 ，代入数据得 。 十二、填空题20.  【答案】（）等压；（）降低；（）放热；（） 【解析】（），对应压强值恒为 ，等压；（），由 恒量， 不变， 减小， 降低；（），由 恒量， 不变， 减小，可知 降低， 减小，外界对气体做功， 降低，内能减小，由 可知 过程放热；（），气体对外界做功 ，， 不变，气体不做功，， 减小，外界对气体做功 ，状态从 的变化过程中，气体对外界做的总功：。 十三、解答题21.  【答案】(1)   (2)   【解析】(1)  加热前 中压强始终不变， 内封闭气体初状态：，打开阀门后 由题意： 由玻意尔定律 得： (2)   内封闭气体做等容变化，加热后压强     得：  22.  【答案】(1)   (2)  做正功；吸热【解析】(1)  设 型管横截面积为 ，右端与大气相通时左管中封闭气体压强为 ，右端与一低压舱接通后左管中封闭气体压强为 ，气柱长度为 ，稳定后低压舱内的压强为 。左管中封闭气体发生等温变化，根据玻意耳定律得 ， ，，， ，由几何关系得 ，联立各式，代入数据得 。(2)  左管中气体体积变大，对外界做正功，外界对气体做负功；管内气体温度不变，内能不变，由热力学第一定律 ，得 为正值，表示气体要吸热。 23.  【答案】(1)   (2)  内能减少；减少 (3)  锅内气体的沸腾温度随着海拔高度的增加而降低【解析】(1)  设锅内气体分子数为 ，。(2)  根据热力学第一定律 ，锅内气体内能减少，减少了 。(3)  由 （其中 ）知，随着海拔高度的增加，大气压强减小；由 知，随着海拔高度的增加，阀门被顶起时锅内气体压强减小；根据查理定律 可知阀门被顶起时锅内气体温度随着海拔高度的增加而降低。 24.  【答案】(1)   (2)  见解析图【解析】(1)  在活塞上方倒沙的全过程中温度保持不变，即  解得 在缓慢加热到 的过程中压强保持不变，则  所以   (2)  整个过程中气缸内气体的状态变化如图所示 十四、实验题25.  【答案】(1)  (2)   （ 都算对） 十五、解答题26.  【答案】(1)   (2)   【解析】(1)  根据题给条件，从近圆轨道到地面的空间中重力加速度 。若以地面为重力势能零点，坠落过程开始时空间站在近圆轨道的势能为 ，以 表示空间站在近圆轨道上的速度，由牛顿定律可得 ，其中 为轨道半径，若以 表示地球半径，则 ，由式②、③可得空间站在近圆轨道上的动能为 ，由式①、④得，在近圆轨道上空间站的机械能 ，在坠落过程中，用于销毁部分所需的能量为 。用于残片升温所需的能量 ，残片的动能为 。以 表示其他方式散失的能量，则由能量守恒得 。由此得 (2)  以题给数据代入得 。 十六、实验题27.  【答案】(1)  将水银柱以下的玻璃管浸没在水中，改变水温，用温度计测得若干组（或两组）不同水温（即气体温度） 和气柱长度 的值(2)  方法 ：气体作等压变化 ，即 ，作 图，截距的绝对值即为 ；方法 ：测两组数据 ， 可解得  28.  【答案】(1)  II(2)   (3)   【解析】(1)  当环境温度为 时，温度计（）中气体体积最小，由题图可知，测温物质应为实际气体II。(2)  此时温度计（）和（）示数分别为 ，，设此时温度计（）的示数为 ，三个温度计的气体均做等压变化，故 , ，得 ，又 ，将 ， 代入上式得，。(3)  为减小在 范围内的测量误差，两种气体体积 之比，应与气体体积变化之比 成反比，这样可抵消误差，故 ，得 。