2023届高考物理二轮复习专题五第3讲热学学案

第3讲　热学

1. 理解分子动理论．

2. 理解固体、液体的性质．

3. 会应用气体实验定律解决问题．

4. 理解热力学定律及其应用．

1. 分子动理论的内容：(1) 物质是由大量分子组成的；(2) 分子永不停息地做无规则运动；(3) 分子间存在相互作用力．

2. 物体是由大量分子组成的

(1) 分子很小．①直径数量级为10－10m；②质量数量级为10－27～10－26kg；③分子大小的实验测量：油膜法估测分子大小．

(2)  分子数目特别大：阿伏加德罗常数NA＝6.02×1023mol－1．

3. 分子永不停息地做无规则热运动．扩散现象和布朗运动都与温度有关．

4. 分子间存在着相互作用力

(1) 分子间同时存在引力和斥力，实际表现的分子力是他们的合力．引力和斥力都随分子间距离的增大而减小，随分子间距离的减小而增大，斥力比引力变化得更快．

(2)  分子力和分子势能随分子间距变化的规律如下：

在图线表示F、Ep随r变化规律中，要注意它们的区别：r＝r0处，F＝0，Ep最小．

5. 温度：温度是分子平均动能的标志．温度相同时任何物体的分子平均动能相等，但平均速率一般不等(不同分子质量不同).

6.

8. 两种改变物体内能的方式：做功和热传递，两种方式在内能改变上是等效的．

9. 晶体与非晶体

10. 液体

(1) 液体的表面张力：液体的表面张力使液面具有收缩的趋势，方向跟液面相切，跟这部分液面的分界线垂直．

(2) 液晶：既具有液体的流动性，又具有晶体的光学各向异性．液晶在显示器方面具有广泛的应用．

11. 气体分子运动的特点

(1) 向各个方向运动的气体分子数目都相等．

(2) 分子做无规则运动，大量分子的速率按“中间多，两头少”的规律分布．如图所示．

(3)  温度升高时，速率小的分子数减少，速率大的分子数增多，分子的平均速率增大，但不是每个分子的速率都增大．　　

12. 气体实验定律

13. 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．理想气体的分子间除碰撞外无其他作用力，即分子间无分子势能．

14. 热力学第一定律

(1) 表达式为ΔU＝Q＋W．注意＋、－符号的规定．

(2)  几种特殊过程：若过程中不做功，即W＝0，则Q＝ΔU；若过程的始末状态物体的内能不变，即ΔU＝0，则W＋Q＝0或W＝－Q.

 1. (2021·北京卷)比较45 ℃的热水和100 ℃的水蒸汽，下列说法正确的是(　　)

A. 热水分子的平均动能比水蒸汽的大

B. 热水的内能比相同质量的水蒸汽的小

C. 热水分子的速率都比水蒸汽的小

D. 热水分子的热运动比水蒸汽的剧烈

【解析】 根据温度是分子平均动能的标志，可知45 ℃的热水的平均动能比100 ℃的水蒸汽平均动能小，A错误；根据内能的定义，可知热水的内能比相同质量的水蒸汽的小，B正确；热水分子的平均动能比水蒸汽的平均动能小，但是热水分子的速率不一定都比水蒸汽的小，C错误；水蒸汽分子的热运动比热水分子的剧烈，D错误．

【答案】 B

 2. (2022·辽宁卷)一定质量的理想气体从状态a变化到状态b，其体积V和热力学温度T变化图像如图所示，此过程中该系统(　　)

A. 对外界做正功   

B. 压强保持不变

C. 向外界放热   

D. 内能减少

【解析】 理想气体从状态a变化到状态b，体积增大，理想气体对外界做正功，A正确；由题图可知V＝V0＋kT，根据理想气体的状态方程有＝C，联立有p＝，可看出T增大，p增大，B错误；理想气体从状态a变化到状态b，温度升高，内能增大，D错误；理想气体从状态a变化到状态b，由A、D可知，理想气体对外界做正功且内能增大，则根据热力学第一定律可知气体从外界吸收热量，C错误．

【答案】 A

 3. (2022·湖北卷)一定质量的理想气体由状态a变为状态c，其过程如pV图中a→c直线段所示，状态b对应该线段的中点．下列说法正确的是(　　)

A. a→b是等温过程

B. a→b过程中气体吸热

C. a→c过程中状态b的温度最低

D. a→c过程中外界对气体做正功

【解析】 根据理想气体的状态方程＝C，可知a→b气体温度升高，内能增加，且体积增大，气体对外界做功，则W< 0，由热力学第一定律ΔU＝W＋Q，可知a→b过程中气体吸热，A错误，B正确；根据理想气体的状态方程＝C，可知，pV图像的坐标值的乘积反映温度，a状态和c状态的坐标值的乘积相等，而中间状态的坐标值乘积更大，a→c过程的温度先升高后降低，且状态b的温度最高，C错误；a→c过程气体体积增大，外界对气体做负功，D错误．

【答案】 B

 4. (2021·山东卷)血压仪由加压气囊、臂带、压强计等构成，如图所示．加压气囊可将外界空气充入臂带，压强计示数为臂带内气体的压强高于大气压强的数值，充气前臂带内气体压强为大气压强，体积为V；每次挤压气囊都能将60 cm3的外界空气充入臂带中，经5次充气后，臂带内气体体积变为5V，压强计示数为150 mmHg.已知大气压强等于750 mmHg，气体温度不变．忽略细管和压强计内的气体体积，则V等于(　　)

A. 30 cm3　    B. 40 cm3

C. 50 cm3D. 60 cm3

【解析】 根据玻意耳定律可知p0V＋5p0V0＝p1×5V，已知p0＝750 mmHg，V0＝60 cm3，p1＝750 mmHg＋150 mmHg＝900 mmHg，代入数据整理得V＝60  cm3，故D正确．

【答案】 D

　1. 分子模型

(1) 球体模型：d＝(固、液体一般用此模型).油膜法估测分子大小时d＝，S为单分子油膜的面积，V为滴到水中的纯油酸的体积．

(2) 立方体模型：d＝，气体一般用此模型．对气体，d应理解为相邻分子间的平均距离，气体分子间距大，大小可以忽略，不能估算气体分子的大小，只能估算气体分子所占空间、分子质量．

2. 微观量的估算

(1) 分子的质量：m＝＝.

(2) 分子的体积：V0＝＝.对于气体，V0表示分子占据的空间．

(3) 物体所含的分子数：n＝NA＝NA或n＝NA＝NA.

(2022·南京六校联合体调研)关于分子动理论，下列说法正确的是(　　)

A. 图甲“用油膜法估测油酸分子的大小”实验中，应先滴油酸酒精溶液，再撒痱子粉

B. 图乙为水中炭粒运动位置的连线图，连线表示炭粒做布朗运动的轨迹

C. 图丙为分子力与分子间距的关系图，分子间距从r0增大时，分子力先变大后变小

D. 图丁为大量气体分子热运动的速率分布图，曲线②对应的温度较低

【解析】 为形成良好的油膜，在“用油膜法估测油酸分子的大小”实验中，应先撒痱子粉，再滴油酸酒精溶液，A错误；图乙为水中炭粒在不同时刻位置的连线图，连线不是炭粒做布朗运动的轨迹，B错误；在分子力与分子间距的关系图中力的正负表示为分子间的作用力表现为斥力或引力，分子间距从r0增大时，分子间的作用力表现为引力，分子力先变大后变小，C正确；由图丁可知，曲线②中占比较多的粒子对应的速率大于曲线①中占比较多的粒子对应的速率，说明曲线②对应的分子平均动能较大，对应的温度较高，D错误．

【答案】 C

(2022·南京调研)玻璃的出现和使用在人类生活里已有四千多年的历史，它是一种非晶体．关于玻璃，下列说法正确的是(　　)

A. 天然具有规则的几何形状

B. 分子在空间上周期性排列

C. 沿不同方向的导热性能不同

D. 没有固定的熔点

【解析】 由非晶体的特点可知，非晶体是指组成物质的分子(或原子、离子)不呈现空间有规则周期性排列的固体，它没有一定规则的外形，它的物理性质在各个方向上是相同的，即“各向同性”，它没有固定的熔点．

【答案】 D

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中有一个量不发生变化，则选用对应的气体实验定律列方程求解．

(2)  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式求解．

(2022·连云港调研)汽车胎压常用巴(bar)作为单位，1巴(bar)＝1×105 Pa.某重型卡车在－23  ℃时胎压为8 bar，运动过程中轮胎内最高温度可达127 ℃.为了安全，胎压不能超过10 bar，轮胎体积保持不变．

(1) 通过计算说明卡车胎压是否安全；

(2) 若不安全，需要放出一定量的气体，求至少放出的气体质量与原胎内气体质量的比(忽略放气过程中的温度变化).

【答案】 (1) 由查理定律＝，

得p2＝p1＝×8 bar＝12.8 bar>10 bar .

故卡车胎压不安全．

(2) 设原胎内气体质量为m1，至少放出的气体质量为m2，轮胎体积为V1，在温度不变的情况下将原来轮胎内气体转化成p3＝10 bar的气体的体积为V2.由玻意耳定律p2V1＝p3V2，

得V2＝＝V1＝1.28V1，

至少放出的气体质量与原胎内气体质量的比

＝＝＝.

1. 理想气体相关三量ΔU、W、Q的分析思路

(1) 内能变化量ΔU

①由气体温度变化分析ΔU.温度升高，内能增加，ΔU>0；温度降低，内能减少，ΔU<0.

②由公式ΔU＝W＋Q分析内能变化．

(2) 做功情况W

由体积变化分析气体做功情况．体积膨胀，气体对外界做功，W<0；体积被压缩，外界对气体做功，W>0.

(3) 气体吸、放热Q

一般由公式Q＝ΔU－W分析气体的吸、放热情况，Q>0，吸热；Q<0，放热．

2. 对热力学第二定律的理解：热量可以由低温物体传递到高温物体，也可以从单一热源吸收热量全部转化为功，但会产生其他影响．

(2022·湖南卷改编)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．下列说法错误的是(　　)

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既满足能量守恒定律，也满足热力学第二定律

【解析】 依题意，中心部位为热运动速率较小的气体，与挡板相作用后反弹，从A端流出，而边缘部位热运动速率较大的气体从B端流出；同种气体，分子平均热运动速率较大，其对应的温度也就较高，所以A端为冷端、B端为热端，故A正确；依题意，A端流出的气体分子热运动速率较小，B端流出的气体分子热运动速率较大，所以从A端流出的气体分子热运动平均速率小于从B端流出的，故B正确；A端流出的气体分子热运动速率较小，B端流出的气体分子热运动速率较大，则从A端流出的气体分子平均动能小于从B端流出的气体分子平均动能，内能的多少还与分子数有关；依题意，不能得出从A端流出的气体内能一定大于从B端流出的气体内能，故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的，并非是自发进行的，没有违背热力学第二定律；温度较低的从A端出、较高的从B端出，也符合能量守恒定律，故D正确．故选C.

【答案】 C

(2022·南京调研)如图所示，上端开口、下端封闭的导热细玻璃管竖直放置，管内用长为l 的水银柱封闭有一定质量的理想气体，当环境温度为T0，大气压强为p0 时，封闭气体的长度也为l.已知玻璃管粗细均匀，横截面积为S，总长为3l，水银密度为ρ，重力加速度为g.

(1) 求管内封闭气体的压强；

(2) 现缓慢加热管内气体，使气体膨胀，直至水银柱上端与玻璃管口平齐．已知封闭气体的内能U与温度T的关系为U＝kT，k 为已知常数，求此过程中气体从外界吸收的热量．

【答案】 (1) 由题意可知管内封闭气体的压强为

p＝p0＋ρlg.

(2)  缓慢加热管内气体，使气体膨胀，直至水银柱上端与玻璃管口平齐，此时封闭气体的压强不变，是等压变化，由盖吕萨克定律可得

＝，

则T＝T0＝T0＝2T0，

封闭气体的内能

U＝kT＝2kT0，

封闭气体对外做功

W＝(p0＋ρgl)S·l ，

由热力学第一定律可得气体从外界吸收的热量

Q＝ΔU－W＝2kT0－kT0＋(p0＋ρgl)S·l＝p0Sl＋kT0＋ρSgl2.

 1. (2022·泰州期末)在“用油膜法估测分子直径大小”实验中，某同学测得到油酸分子直径的结果明显偏小，可能是由于(　　)

A. 油酸酒精溶液中含有大量酒精

B. 油酸在水面未完全散开

C. 计算油膜面积时舍去了所有不足一格的方格

D. 在向量筒中滴入1 mL油酸酒精溶液时，滴数多数了几滴

【解析】 计算油酸分子直径的公式是d＝，V是纯油酸的体积，S是油膜的面积．计算时利用的是纯油酸的体积，酒精的作用是更易于油酸平铺成单层薄膜，自身溶于水或挥发掉，使测量结果更精确，故A错误；油膜没有充分展开，则测量的面积S偏小，导致结果计算偏大，故B错误；计算油膜面积时舍去了所有不足一格的方格，S将偏小，故得到的分子直径将偏大，故C错误；计算时把向量筒中滴入1 mL油酸酒精溶液时，滴数多数了几滴，浓度降低，则d偏小，故D正确．

【答案】 D

 2. (2021·扬州调研)下列说法正确的是(　　)

A. 物体从单一热源吸收的热量可全部用于做功

B. 液晶的光学性质与某些多晶体相似，具有各向同性

C. 花粉在液体中做布朗运动的剧烈程度仅与液体的温度有关

D. 一块0 ℃的冰逐渐熔化成0 ℃的水的过程中分子势能会减小

【解析】 根据热力学第二定律可知，在外界的影响下物体从单一热源吸收的热量可全部用于做功，故A正确；液晶的光学性质具有各向异性，故B错误；布朗运动的剧烈程度还与悬浮颗粒的大小有关，悬浮颗粒越小，分子碰撞的不平衡性越明显，布朗运动越明显，故C错误；0 ℃的冰逐渐熔化成0 ℃的水的过程中吸收热量，冰的内能增大，而冰的温度不变，则分子的平均动能不变，所以分子势能会增加，故D错误．

【答案】 A

 3. (2022·苏锡常镇调研)如图所示，将不同材料制作的甲、乙细管竖直插入水中，甲管内水面低于管外水面，乙管内水面高出管外水面．下列说法正确的是(　　)

                       甲                         乙

A. 水与甲管的现象叫作浸润，水与乙管的现象叫作不浸润

B. 与甲管接触附着层内的水分子之间的作用表现为斥力

C. 两图现象均是毛细现象

D. 用乙管材料制作防水衣防水效果比甲管材料好

【解析】 水与甲管的现象叫作不浸润，水与乙管的现象叫作浸润，故A错误；水不会润湿甲材料，与甲管接触附着层内的水分子之间的作用表现为引力，故B错误；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，称为毛细现象，两图现象均是毛细现象，故C正确；水会润湿乙管材料并附着在其表面上，不适合制作防水衣，故D错误．

【答案】 C

 4. (2022·南通如皋适应性考试)山地自行车前轮有气压式减震装置来抵抗颠簸，其原理如图所示．当路面不平时，活塞上下振动，在汽缸内封闭气体的作用下，起到延缓震动的目的．当活塞迅速下压过程中(　　)

A. 汽缸内的气体分子的平均动能不变

B. 汽缸内所有分子的速率增大

C. 汽缸内的气体压强可能不变

D. 单位时间内撞到汽缸内壁单位面积上的气体分子数增多

【解析】 当活塞迅速下压时，活塞对气体做功，气体来不及散热，则由热力学第一定律可知，气体内能增加，温度升高，汽缸内的气体分子的平均动能增大，A错误；汽缸内的气体分子的平均动能增大，则分子的平均速率增大，可不是汽缸内所有分子的速率增大，B错误；当活塞迅速下压时，汽缸内的气体的体积减小，由理想气体状态方程＝C可知，气体压强增大，则单位时间内撞到汽缸内壁单位面积上的气体分子数增多，C错误，D正确．

【答案】 D