选修 分子动理论 气体及热力学定律 讲义.docx
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选修分子动理论气体及热力学定律讲义
选修3-3分子动理论 气体及热力学定律
一、聚焦选择题考法——分子动理论、热力学定律
1.[多选](2016·全国Ⅰ卷)关于热力学定律,下列说法正确的是( )
A.气体吸热后温度一定升高
B.对气体做功可以改变其内能
C.理想气体等压膨胀过程一定放热
D.热量不可能自发地从低温物体传到高温物体
E.如果两个系统分别与状态确定的第三个系统达到热平衡,那么这两个系统彼此之间也必定达到热平衡
解析:
选BDE 根据热力学定律,气体吸热后如果对外做功,则温度不一定升高,选项A错误;改变物体内能的方式有做功和传热,对气体做功可以改变其内能,选项B正确;理想气体等压膨胀对外做功,根据
=恒量知,膨胀过程一定吸热,选项C错误;根据热力学第二定律,热量不可能自发地从低温物体传到高温物体,选项D正确;根据热平衡定律可知,如果这两个系统分别与状态确定的第三个系统达到热平衡,那么这两个系统彼此之间也必定达到热平衡,选项E正确。
2.[多选](2017·全国Ⅲ卷)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回到初态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:
选ABD ab过程中气体压强增大,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过程中气体体积增大,气体对外界做功,根据热力学第一定律可知气体从外界吸收热量,D项正确;ca过程发生等压变化,气体体积减小,外界对气体做功,B项正确;ca过程中气体温度降低,内能减小,外界对气体做功,根据热力学第一定律可知气体向外界放热,E项错误。
3.
[多选](2016·全国Ⅱ卷)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pT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:
选ABE 由ac的延长线过原点O知,直线Oca为一条等容线,气体在a、c两状态的体积相等,选项A正确;理想气体的内能由其温度决定,故在状态a时的内能大于在状态c时的内能,选项B正确;过程cd是等温变化,气体内能不变,由热力学第一定律知,气体对外放出的热量等于外界对气体做的功,选项C错误;过程da气体内能增大,从外界吸收的热量大于气体对外界做的功,选项D错误;由理想气体状态方程知:
=
=
=
=C,即paVa=CTa,pbVb=CTb,pcVc=CTc,pdVd=CTd。
设过程bc中压强为p0=pb=pc,过程da中压强为p0′=pd=pa。
由外界对气体做功W=p·ΔV知,过程bc中外界对气体做的功Wbc=p0(Vb-Vc)=C(Tb-Tc),过程da中气体对外界做的功Wda=p0′(Va-Vd)=C(Ta-Td),Ta=Tb,Tc=Td,故Wbc=Wda,选项E正确。
4.[多选](2017·全国Ⅱ卷)
如图,用隔板将一绝热汽缸分成两部分,隔板左侧充有理想气体,隔板右侧与绝热活塞之间是真空。
现将隔板抽开,气体会自发扩散至整个汽缸。
待气体达到稳定后,缓慢推压活塞,将气体压回到原来的体积。
假设整个系统不漏气。
下列说法正确的是( )
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
解析:
选ABD 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。
5.[多选](2016·全国Ⅲ卷)关于气体的内能,下列说法正确的是( )
A.质量和温度都相同的气体,内能一定相同
B.气体温度不变,整体运动速度越大,其内能越大
C.气体被压缩时,内能可能不变
D.一定量的某种理想气体的内能只与温度有关
E.一定量的某种理想气体在等压膨胀过程中,内能一定增加
解析:
选CDE 气体的内能由物质的量、温度和体积决定,质量和温度都相同的气体,内能可能不同,A错误;内能与物体的运动速度无关,B错误;气体被压缩时,同时对外传热,根据热力学第一定律知内能可能不变,C正确;一定量的某种理想气体的内能只与温度有关,D正确;根据理想气体状态方程,一定量的某种理想气体在压强不变的情况下,体积变大,则温度一定升高,内能一定增加,E正确。
6.[多选](2017·全国Ⅰ卷)氧气分子在0℃和100℃温度下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分别如图中两条曲线所示。
下列说法正确的是( )
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0~400m/s区间内的分子数占总分子数的百分比较大
解析:
选ABC 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0~400m/s区间内的分子数占总分子数的百分比较小,选项E错误。
典型试题
难度
主要考查知识点
2016·全国Ⅰ卷
★★☆
热力学定律
2017·全国Ⅲ卷
★★★
2016·全国Ⅱ卷
★★★
气体实验定律、热力学定律
2017·全国Ⅱ卷
★★☆
2016·全国Ⅲ卷
★★☆
气体的内能、热力学定律
2017·全国Ⅰ卷
★★★
气体分子速率分布
二、聚焦计算题考法——气体性质
7.(2017·全国Ⅰ卷)
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。
(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℃,求此时活塞下方气体的压强。
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=p1V1①
3p0V=p1(2V—V1)②
联立①②式得
V1=
③
p1=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
3p0V=p2V2⑤
由⑤式得
p2=
p0⑥
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′=
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
=
⑦
将有关数据代入⑦式得
p3=1.6p0。
⑧
答案:
(1)
2p0
(2)在汽缸B的顶部 (3)1.6p0
8.(2017·全国Ⅱ卷)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T0时的密度为ρ0,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。
(1)求该热气球所受浮力的大小;
(2)求该热气球内空气所受的重力;
(3)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)设1个大气压下质量为m的空气在温度为T0时的体积为V0,密度为ρ0=
①
在温度为T时的体积为VT,密度为
ρ(T)=
②
由盖—吕萨克定律得
=
③
联立①②③式得
ρ(T)=ρ0
④
气球所受的浮力为
F=ρ(Tb)gV⑤
联立④⑤式得
F=Vgρ0
。
⑥
(2)气球内热空气所受的重力为
G=ρ(Ta)Vg⑦
联立④⑦式得
G=Vgρ0
。
⑧
(3)设该气球还能托起的最大质量为m,由力的平衡条件得
mg=F-G-m0g⑨
联立⑥⑧⑨式得
m=Vρ0T0
-m0。
⑩
答案:
(1)Vgρ0
(2)Vgρ0
(3)Vρ0T0
-m0
9.(2017·全国Ⅲ卷)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ρ,重力加速度大小为g。
求:
(1)待测气体的压强;
(2)该仪器能够测量的最大压强。
解析:
(1)水银面上升至M的下端使玻璃泡中气体恰好被封住,设此时被封闭的气体的体积为V,压强等于待测气体的压强p。
提升R,直到K2中水银面与K1顶端等高时,K1中水银面比顶端低h;设此时封闭气体的压强为p1,体积为V1,则
V=V0+
πd2l①
V1=
πd2h②
由力学平衡条件得
p1=p+ρhg③
整个过程为等温过程,由玻意耳定律得
pV=p1V1④
联立①②③④式得
p=
。
⑤
(2)由题意知
h≤l⑥
联立⑤⑥式有
p≤
⑦
该仪器能够测量的最大压强为
pmax=
。
⑧
答案:
(1)
(2)
10.(2016·全国Ⅰ卷)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=
,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=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=
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=p2V2③
由力学平衡条件有
p1=p0+ρgh+Δp1④
p2=p0+Δp2⑤
气泡体积V1和V2分别为
V1=
πr13⑥
V2=
πr23⑦
联立③④⑤⑥⑦式得
3=
⑧
由②式知,Δpi≪p0,i=1,2,故可略去⑧式中的Δpi项。
代入题给数据得
=
≈1.3。
⑨
答案:
(1)28Pa
(2)
或1.3
11.(2016·全国Ⅱ卷)一氧气瓶的容积为0.08m3,开始时瓶中氧气的压强为20个大气压。
某实验室每天消耗1个大气压的氧气0.36m3。
当氧气瓶中的压强降低到2个大气压时,需重新充气。
若氧气的温度保持不变,求这瓶氧气重新充气前可供该实验室使用多少天。
解析:
设氧气开始时的压强为p1,体积为V1,压强变为p2(2个大气压)时,体积为V2。
根据玻意耳定律得
p1V1=p2V2①
重新充气前,用去的氧气在p2压强下的体积为
V3=V2-V1②
设用去的氧气在p0(1个大气压)压强下的体积为V0,则有
p2V3=p0V0③
设实验室每天用去的氧气在p0压强下的体积为ΔV,则氧气可用的天数为
N=
④
联立①②③④式,并代入数据得
N=4(天)。
⑤
答案:
4天
12.(2016·全国Ⅲ卷)
一U形玻璃管竖直放置,左端开口,右端封闭,左端上部有一光滑的轻活塞。
初始时,管内汞柱及空气柱长度如图所示。
用力向下缓慢推活塞,直至管内两边汞柱高度相等时为止。
求此时右侧管内气体的压强和活塞向下移动的距离。
已知玻璃管的横截面积处处相同;在活塞向下移动的过程中,没有发生气体泄漏;大气压强p0=75.0cmHg。
环境温度不变。
解析:
设初始时,右管中空气柱的压强为p1,长度为l1;左管中空气柱的压强为p2=p0,长度为l2。
活塞被下推h后,右管中空气柱的压强为p1′,长度为l1′;左管中空气柱的压强为p2′,长度为l2′。
以cmHg为压强单位。
由题给条件得
p1=p0+(20.0-5.00)cmHg①
l1′=
cm②
由玻意耳定律得p1l1=p1′l1′③
联立①②③式和题给条件得
p1′=144cmHg④
依题意p2′=p1′⑤
l2′=4.00cm+
cm-h⑥
由玻意耳定律得p2l2=p2′l2′⑦
联立④⑤⑥⑦式和题给条件得h=9.42cm。
⑧
答案:
144cmHg 9.42cm
典型试题
难度
主要考查知识点
2017·全国Ⅰ卷
★★★
气体压强、气体实验定律
2017·全国Ⅱ卷
★★★
2017·全国Ⅲ卷
★★★
2016·全国Ⅰ卷
★★★
2016·全国Ⅱ卷
★★★
充气、玻意耳定律
2016·全国Ⅲ卷
★★★
分子动理论
[必备知能]
1.分子大小
(1)阿伏加德罗常数:
NA=6.02×1023mol-1。
(2)分子体积:
V0=
(占有空间的体积)。
(3)分子质量:
m0=
。
(4)油膜法估测分子的直径:
d=
。
2.分子热运动的实验基础:
扩散现象和布朗运动
(1)扩散现象特点:
温度越高,扩散越快。
(2)布朗运动特点:
液体内固体微粒做永不停息、无规则的运动,微粒越小、温度越高,运动越剧烈。
[演练冲关]
1.易错辨析(正确的打“√”号,错误的打“×”号)
(1)布朗运动是液体分子的无规则运动( )
(2)布朗运动并不是液体分子的运动,但它说明分子永不停息地做无规则运动( )
(3)液体温度越高,固体微粒越小,布朗运动会越激烈( )
(4)布朗运动反映了悬浮颗粒中分子运动的无规则性( )
(5)悬浮在液体中的固体微粒越小,布朗运动就越明显( )
(6)悬浮在液体中的微粒越小,受到液体分子的撞击就越容易平衡( )
(7)布朗运动是由于液体各部分温度不同引起的( )
(8)在较暗的房间里,看到透过窗户的“阳光柱”里粉尘的运动不是布朗运动( )
(9)布朗运动是指在显微镜下观察到的液体分子的无规则运动( )
(10)显微镜下观察到墨水中的小炭粒在不停地做无规则运动,这反映了液体分子运动的无规则性( )
(11)悬浮在空气中做布朗运动的PM2.5微粒,气温越高,运动越剧烈( )
(12)扩散现象就是布朗运动( )
(13)扩散现象与布朗运动都与温度有关( )
(14)扩散现象不仅能发生在气体和液体中,固体中也可以发生( )
(15)“酒香不怕巷子深”与分子热运动有关( )
(16)只要知道水的摩尔质量和水分子的质量,就可以计算出阿伏加德罗常数( )
(17)用阿伏加德罗常数和某种气体的密度,就可以求出该种气体的分子质量( )
(18)已知某气体的摩尔体积V,再知道阿伏加德罗常数NA,就可以求出一个气体分子的体积( )
(19)只要知道气体的摩尔质量和阿伏加德罗常数,就可以算出气体分子的质量( )
答案:
(1)×
(2)√ (3)√ (4)× (5)√ (6)× (7)× (8)√ (9)× (10)√ (11)√ (12)× (13)√ (14)√ (15)√ (16)√ (17)× (18)× (19)√
分子力、分子势能和内能
[必备知能]
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,分子间作用力的合力为0)时,分子势能最小。
3.内能
物体中所有分子的热运动动能与分子势能的总和。
组成任何物体的分子都在做无规则的热运动,所以任何物体都具有内能。
[演练冲关]
2.易错辨析(正确的打“√”号,错误的打“×”号)
(1)水不易被压缩说明分子间存在分子力( )
(2)用力拉铁棒的两端,铁棒没有断,说明此时分子间只存在引力而不存在斥力( )
(3)分子间引力总是随着分子间的距离减小而减小( )
(4)将一个分子从无穷远处无限靠近另一个分子,则这两个分子间的分子力先增大后减小最后再增大( )
(5)当分子间距离增大时,分子间的引力减小,斥力增大( )
(6)若两分子间距离减小,分子间斥力增大,引力减小,合力表现为斥力( )
(7)当两分子间距离大于平衡位置的间距r0时,分子间的距离越大,分子势能越小( )
(8)分子间同时存在着引力和斥力,当分子间距增加时,分子间的引力增大,斥力减小( )
(9)分子间的相互作用力随着分子间距离的增大,先减小后增大( )
(10)分子间距离增大时,分子间的引力、斥力都减小( )
(11)随着分子间距离增大,分子间作用力减小,分子势能也减小( )
(12)分子间的距离为平衡位置的间距r0时,分子间作用力的合力为零,分子势能最小( )
(13)达到热平衡的两个物体具有相同的热量( )
(14)物体的温度越高,分子热运动越剧烈,分子的平均动能越大( )
(15)温度升高时,物体内的每个分子的运动速率一定增大( )
(16)物体中所有分子的热运动动能的总和叫做物体的内能( )
(17)物体的内能是物体内所有分子动能和分子势能的总和( )
(18)温度升高,物体内每个分子的动能一定增大( )
(19)相同质量0℃的水的分子势能比0℃的冰的分子势能大( )
答案:
(1)√
(2)× (3)× (4)√ (5)× (6)× (7)× (8)× (9)× (10)√ (11)× (12)√ (13)× (14)√ (15)× (16)× (17)√ (18)× (19)√
固体、液体
[必备知能]
1.晶体和非晶体
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
各向异性
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。
5.相对湿度
某温度时空气中水蒸气的实际压强与同温度水的饱和汽压的百分比。
即:
B=
×100%。
[演练冲关]
3.易错辨析(正确的打“√”号,错误的打“×”号)
(1)同种物质可能以晶体和非晶体两种不同的形态出现( )
(2)大颗粒的食盐磨成了细盐,就变成了非晶体( )
(3)单晶体的某些物理性质具有各向异性,而多晶体和非晶体是各向同性的( )
(4)单晶体和多晶体都有确定的熔点,非晶体没有确定的熔点( )
(5)晶体在各个方向上的导热性能相同,表现为各向同性( )
(6)晶体和非晶体在一定条件下可以相互转化( )
(7)太空中水滴成球形,是液体表面张力作用的结果( )
(8)漂浮在热菜汤表面上的油滴,可以观察到是圆形的,是油滴液体呈各向同性的缘故( )
(9)液体与大气相接触,表面层内分子所受其他分子的作用表现为相互吸引( )
(10)由于液体表面分子间距离大于液体内部分子间的距离,液面分子间只有引力,没有斥力,所以液体表面具有收缩的趋势( )
(11)液体表面张力的方向与液面垂直并指向液体内部( )
(12)液体表面的分子距离大于分子间的平衡距离,使得液面有表面张力( )
(13)叶面上的小露珠呈球形,是由于液体表面张力的作用( )
(14)肥皂水的水面能托住小的硬币,主要与液体的表面张力有关( )
(15)雨水没有透过布雨伞,是因为液体表面存在张力( )
(16)液晶具有液体的流动性,同时具有晶体的各向异性特征( )
(17)液晶显示器是利用了液晶对光具有各向异性的特点( )
(18)当人们感到潮湿时,空气的绝对湿度一定较大( )
(19)空气相对湿度越大时,空气中水蒸气压强越接近饱和汽压,水蒸发越快( )
答案:
(1)√
(2)× (3)√ (4)√ (5)× (6)√ (7)√ (8)× (9)√ (10)× (11)× (12)√ (13)√ (14)√ (15)√ (16)√ (17)√ (18)× (19)×
气体分子的运动特点
[必备知能]
1.气体压强是由气体分子频繁地碰撞器壁产生的,压强大小与分子热运动的剧烈程度和分子密集程度有关。
2.做功和热传递都可以改变物体的内能,理想气体的内能只与温度有关。
3.温度变化时,物体内分子的平均动能随之变化,并非物体内每个分子的动能都发生同样的变化。
[演练冲关]
4.易错辨析(正确的打“√”号,错误的打“×”号)
(1)气体对器壁的压强就是大量气体分子作用在器壁单位面积上的平均作用力( )
(2)单位体积的气体分子数增加,气体的压强一定增大( )
(3)气体的压强是由于大量分子所受的重力产生的( )
(4)若气体的温度不变,压强增大,说明每秒撞击单位面积器壁的分子数增多( )
(5)一定质量的理想气体压强不变时,气体分子单位时间内对器壁单位面积的平均碰撞次数随着温度升高而减少( )
(6)从微观角度看,气体压强只与分子平均动能有关( )
(7)气体分子单位时间内与单位面积器壁发生碰撞的次数,与单位体积内气体的分子数和气体温度都有关( )
(8)单位时间内气体分子对容器壁单位面积上碰撞次数减少,气体的压强一定减小( )