解密12分子动理论、气体及热力学定律（讲义）-【高频考点解密】2024年高考物理二轮复习讲义（全国通用）

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气体性质及热力学定律
考点热度 ★★★★☆
内容索引
1.分子动理论 内能
2.气体、理想气体状态方程
3.固体和液体
4.热力学定律及能量守恒定律
高考对本章的考查以选择题型为主偶尔会有计算题出现；
1.命题频率较大的考点为：气体实验定律和热力学第一定律；
2.其次分子动理论和相关实验依据、温度和内能、固体液体的微观结构等问题；
3.未单独命题知识点包括：阿伏伽德罗常数、液体的表面张力现象、热力学第二定律
考点一 分子动理论 内能
宏观量与微观量的估算问题
2．扩散现象、布朗运动与热运动的比较
3．分子力与分子势能图象的比较
4．内能和机械能的比较
例一(2020·福建泉州模拟)[多选]PM2.5是指空气中直径等于或小于2.5微米的悬浮颗粒物，其漂浮在空中做无规则运动，很难自然沉降到地面，吸入后对人体形成危害。矿物燃料燃烧的排放是形成PM2.5的主要原因。下列关于PM2.5的说法中正确的是( )
A．PM2.5的尺寸与空气中氧分子尺寸的数量级相当
B．PM2.5在空气中的运动属于布朗运动
C．温度越低，PM2.5运动越剧烈
D．倡导低碳生活减少煤和石油等燃料的使用能有效减小PM2.5在空气中的浓度
E．PM2.5中颗粒小一些的，其颗粒的运动比其他颗粒更为剧烈
例二．（2020·北京卷）分子力随分子间距离的变化如图所示。将两分子从相距处释放，仅考虑这两个分于间的作用，下列说法正确的是（ ）
A．从到分子间引力、斥力都在减小
B．从到分子力的大小先减小后增大
C．从到分子势能先减小后增大
D．从到分子动能先增大后减小
变式一.(多选)关于物体的内能和机械能，下列说法正确的是( )
A．把物体缓慢举高，其机械能增加，内能不变
B．盛有气体的容器做加速运动时，容器中气体的内能必定会随之增大，容器的机械能一定增大
C．电流通过电阻后电阻发热，它的内能增加是通过“做功”方式实现的
D．物体的机械能可以为零，但是内能不可能为零
E．静止容器中的冰熔化为水后，其机械能不变，内能增大
变式二.分子间作用力F与分子间距r的关系如图所示，r= r1时，F=0。分子间势能由r决定，规定两分子相距无穷远时分子间的势能为零。若一分子固定于原点O，另一分子从距O点很远处向O点运动，在两分子间距减小到r2的过程中，势能_____（填“减小“不变”或“增大”）；在间距由r2减小到r1的过程中，势能_____ （填“减小”“不变”或“增大”）；在间距等于r1处，势能_____（填“大于”“等于”或“小于”）零。
考点二 固体 液体和气体
1．晶体和非晶体的理解
2．液体表面张力的理解
3．气体压强的微观解释
4.体状态变化的图象问题
例一．（2021·广东卷）在高空飞行的客机上某乘客喝完一瓶矿泉水后，把瓶盖拧紧。下飞机后发现矿泉水瓶变瘪了，机场地面温度与高空客舱内温度相同。由此可判断，高空客舱内的气体压强______（选填“大于”、“小于”或“等于”）机场地面大气压强：从高空客舱到机场地面，矿泉水瓶内气体的分子平均动能______（选填“变大”、“变小”或“不变”）。
例二．（2021·河北卷）两个内壁光滑、完全相同的绝热汽缸A、B，汽缸内用轻质绝热活塞封闭完全相同的理想气体，如图1所示，现向活塞上表面缓慢倒入细沙，若A中细沙的质量大于B中细沙的质量，重新平衡后，汽缸A内气体的内能______（填“大于”“小于”或“等于”）汽缸B内气体的内能，图2为重新平衡后A、B汽缸中气体分子速率分布图像，其中曲线______（填图像中曲线标号）表示汽缸B中气体分子的速率分布规律。
例三．（2021·全国卷）如图，一定量的理想气体经历的两个不同过程，分别由体积-温度（V-t）图上的两条直线I和Ⅱ表示，V1和V2分别为两直线与纵轴交点的纵坐标；t0为它们的延长线与横轴交点的横坐标，t0是它们的延长线与横轴交点的横坐标，t0=-273.15℃；a、b为直线I上的一点。由图可知，气体在状态a和b的压强之比=___________；气体在状态b和c的压强之比=___________。
变式一.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。下列关于玻璃的说法正确的有（ ）
A．没有固定的熔点
B．天然具有规则的几何形状
C．沿不同方向的导热性能相同
D．分子在空间上周期性排列
变式二.如图所示，一定量的理想气体从状态A开始，经历两个过程，先后到达状态B和C。有关A、B和C三个状态温度和的关系，正确的是（ ）
A．B．
C．D．
变式三（2021·湖南卷）小赞同学设计了一个用电子天平测量环境温度的实验装置，如图所示。导热汽缸开口向上并固定在桌面上，用质量、截面积的活塞封闭一定质量的理想气体，活塞与汽缸壁间无摩擦。一轻质直杆中心置于固定支点上，左端用不可伸长的细绳竖直悬挂活塞，右端用相同细绳竖直悬挂一个质量的铁块，并将铁块放置到电子天平上。当电子天平示数为时，测得环境温度。设外界大气压强，重力加速度。
（1）当电子天平示数为时，环境温度为多少？
（2）该装置可测量的最高环境温度为多少？
考点三 热力学定律 能量守恒定律
1.热力学第一定律
2.热力学第二定律的理解
例一（2021江苏卷）如图所示，一定质量理想气体被活塞封闭在气缸中，活塞的面积为S，与气缸底部相距L，气缸和活塞绝热性能良好，气体的压强、温度与外界大气相同，分别为和。现接通电热丝加热气体，一段时间后断开，活塞缓慢向右移动距离L后停止，活塞与气缸间的滑动摩擦为f，最大静摩擦力等于滑动摩擦力，整个过程中气体吸收的热量为Q，求该过程中
（1）内能的增加量；
（2）最终温度T。
例二．（2021·山东卷）如图所示，密封的矿泉水瓶中，距瓶口越近水的温度越高。一开口向下、导热良好的小瓶置于矿泉水瓶中，小瓶中封闭一段空气。挤压矿泉水瓶，小瓶下沉到底部；松开后，小瓶缓慢上浮，上浮过程中，小瓶内气体（ ）
A．内能减少B．对外界做正功
C．增加的内能大于吸收的热量D．增加的内能等于吸收的热量
变式一．（2020·全国卷）下列关于能量转换过程的叙述，违背热力学第一定律的有_______，不违背热力学第一定律、但违背热力学第二定律的有_______。（填正确答案标号）
A．汽车通过燃烧汽油获得动力并向空气中散热
B．冷水倒入保温杯后，冷水和杯子的温度都变得更低
C．某新型热机工作时将从高温热源吸收的热量全部转化为功，而不产生其他影响
D．冰箱的制冷机工作时从箱内低温环境中提取热量散发到温度较高的室内
变式二（2020·天津卷）水枪是孩子们喜爱的玩具，常见的气压式水枪储水罐示意如图。从储水罐充气口充入气体，达到一定压强后，关闭充气口。扣动扳机将阀门M打开，水即从枪口喷出。若在不断喷出的过程中，罐内气体温度始终保持不变，则气体（ ）
A．压强变大B．对外界做功
C．对外界放热D．分子平均动能变大
考点四 热力学第一定律与气体图象的综合
求解气体实验定律与热力学定律的综合问题的一般思路
例一（2021·全国卷）如图，一定量的理想气体从状态经热力学过程、、后又回到状态a。对于、、三个过程，下列说法正确的是（ ）
A．过程中，气体始终吸热
B．过程中，气体始终放热
C．过程中，气体对外界做功
D．过程中，气体的温度先降低后升高
E.过程中，气体的温度先升高后降低
变式一（2021湖南）如图，两端开口、下端连通的导热汽缸，用两个轻质绝热活塞（截面积分别为和）封闭一定质量的理想气体，活塞与汽缸壁间无摩擦。在左端活塞上缓慢加细沙，活塞从下降高度到位置时，活塞上细沙的总质量为。在此过程中，用外力作用在右端活塞上，使活塞位置始终不变。整个过程环境温度和大气压强保持不变，系统始终处于平衡状态，重力加速度为。下列说法正确的是（ ）
A. 整个过程，外力做功大于0，小于
B. 整个过程，理想气体的分子平均动能保持不变
C. 整个过程，理想气体的内能增大
D. 整个过程，理想气体向外界释放的热量小于
E. 左端活塞到达位置时，外力等于分子两种模型
把分子看成球形d＝ eq \r(3,\f(6V0,π))
利用d＝ eq \r(3,V0) 计算出的d不是气体分子直径，而是气体分子间的平均距离
把分子看成小立方体d＝ eq \r(3,V0)
宏观量与微观量之间的关系
一个分子的质量：m0＝ eq \f(M,NA) ＝ eq \f(ρVml,NA) 。
分子体积V0、分子直径d、分子质量m0
物体的体积V、密度ρ、质量m、摩尔质量M、摩尔体积Vml、物质的量n
一个分子的体积：V0＝ eq \f(Vml,NA) ＝ eq \f(M,ρNA) (注意气体的特征）
物体所含的分子数：N＝n·NA＝ eq \f(m,M) ·NA＝ eq \f(V,Vml) ·NA
扩散现象
布朗运动
热运动
活动主体
分子
固体微小颗粒
分子
区别
是分子的运动，发生在固体、液体、气体任何两种物质之间
是比分子大得多的颗粒的运动，只能在液体、气体中发生
是分子的运动，不能通过光学显微镜直接观察到
共同点
(1)都是无规则运动
(2)都随温度的升高而更加激烈
联系
扩散现象、布朗运动都反映了分子做无规则的热运动
分子力F
分子势能Ep
图象
随分
子间
距离
的变化情况
rF随r增大而减小，表现为斥力
r增大，F做正功，Ep减小
r>r0
r增大，F先增大后减小，表现为引力
r增大，F做负功，Ep增大
r＝r0
F引＝F斥，F＝0
Ep最小，但不为零
r>10r0
引力和斥力都很微弱，F＝0
Ep＝0
能量
定义
决定因素
能量值
测量
转化
内能
物体内所有分子的动能和势能的总和
由物体内部分子微观运动状态决定
恒不
为零
无法测量
在一定条
件下可相互转化
机械
能
物体的动能及重力势能和弹性势能的总和
与物体宏观运动状态、参考系和零势能面的选取有关
可以
为零
可以测量
熔点
凡是具有确定熔点的物体必定是晶体，反之，必是非晶体。
各向异性
凡是具有各向异性的物体必定是晶体，且是单晶体。
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。
相互转化
晶体和非晶体在一定条件下可以相互转化。
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
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
表面张力
的方向
和液面相切，垂直于液面上的各条分界线
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
典型现象
球形液滴、肥皂泡、涟波、毛细现象、浸润和不浸润
分子间的作用力
气体分子之间的距离远大于分子直径，气体分子之间的作用力十分微弱，可以忽略不计，气体分子间除碰撞外无相互作用力。
分子的速率分布
“中间多，两头少”的统计分布规律。
分子的运动方向
气体分子的运动是杂乱无章的，但向各个方向运动的机会均等；气体均匀充满整个容器；分子数密度随体积大小变化
分子的运动与温度
温度升高，气体分子的平均动能增大，但不是每个分子的速率都增大;反之温度降低，气体分子的平均动能减小，但不是每个分子的速率都减小
压强与温度、体积关系
气体温度越高，分子平均动能越大，体积越小，分子数密度越大，压强越大；气体温度越低，分子平均越小，体积越大，分子数密度越小，压强越小。
等温变化
等容变化
等压变化
图象
p ­V图象
p ­ eq \f(1,V) 图象
p ­T图象
V ­T图象
特点
pV＝CT(其中C为恒量)，即pV之积越大的等温线温度越高，线离原点越远
p＝CT eq \f(1,V) ，斜率k＝CT，即斜率越大，温度越高
p＝ eq \f(C,V) T，斜率k＝ eq \f(C,V) ，即斜率越大，体积越小
V＝ eq \f(C,p) T，斜率k＝ eq \f(C,p) ，即斜率越大，压强越小
内容
一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的和。
公式
ΔU＝Q＋W
正负号法则
W
Q
ΔU
正号
外界对物体做功
物体吸收热量
内能增加
负号
物体对外界做功
物体放出热量
内能减少
理解
(1)做功和热传递对改变系统内能具有等效性。
(2)做功过程是系统与外界之间的其他形式能量与内能间的相互转化。
(3)热传递过程是系统与外界之间内能转移的过程。
特例
(1)绝热过程：Q＝0，W＝ΔU，外界对物体做的功等于物体内能的增加。
(2)不做功的过程：W＝0，Q＝ΔU，物体吸收的热量等于物体内能的增加。
(3)内能不变的过程：W＋Q＝0，即物体吸收的热量全部用来对外做功，或外界对物体做的功等于物体放出的热量。
关键词
自发地
热传递等热力学宏观现象的方向性，不需要借助外界提供能量的帮助
不产生其他影响
发生的热力学宏观过程只在本系统内完成，对周围环境不产生热力学方面的影响
方向性
热传递
高温物体 eq \(,\s\up7(热量Q能自发传给),\s\d5(热量Q不能自发传给)) 低温物体
功能转化
功 eq \(,\s\up7(能自发地完全转化为),\s\d5(不能自发地且不能完全转化为)) 热
体积变化
气体体积V1 eq \(,\s\up7(能自发膨胀到),\s\d5(不能自发收缩到)) 气体体积V2(较大)
气体混合
不同气体A和B eq \(,\s\up7(能自发混合成),\s\d5(不能自发分离成)) 混合气体A、B