2021届高考物理考前复习大串讲-专题13 选修3-3 热学 Word版含解析

选修3-3

【明考情】

悟规律：在近几年高考中重点考查分子动理论、阿伏加德罗常数的应用、气体实验定律及热力学第一定律等知识。

看热点：在2017年高考中，可能对本部分内容的考查仍将以分子动理论、热力学定律及气体状态方程的应用为主。

【明考点】

考点一　分子动理论　内能及热力学定律

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清知识要点]　

1．估算问题

(1)油膜法估算分子直径：d＝

V为纯油体积，S为单分子油膜面积

(2)分子总数：N＝nNA＝·NA＝NA

注意：对气体而言，N≠。

(3)两种模型：

球模型：V＝πR3(适用于估算液体、固体分子直径)

立方体模型：V＝a3(适用于估算气体分子间距)

2．反映分子运动规律的两个实例

(1)布朗运动：

①研究对象：悬浮在液体或气体中的固体小颗粒。

②运动特点：无规则、永不停息。

③相关因素：颗粒大小、温度。

(2)扩散现象

①产生原因：分子永不停息的无规则运动。

②相关因素：温度。

3．对热力学定律的理解

(1)改变物体内能的方式有两种，只叙述一种改变方式是无法确定内能变化的。

(2)热力学第一定律ΔU＝Q＋W中W和Q的符号可以这样确定：只要此项改变对内能增加有正贡献的即为正。

(3)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，但不引起其他变化是不可能的。

验备考能力] 

1． (2013·全国卷Ⅰ) (多选)两个相距较远的分子仅在分子力作用下由静止开始运动，直至不再靠近。在此过程中，下列说法正确的是(　　)

A．分子力先增大，后一直减小

B．分子力先做正功，后做负功

C．分子动能先增大，后减小

D．分子势能先增大，后减小

E．分子势能和动能之和不变

【答案】BCE

2．（2017江苏省联盟大联考高三2月联考）

在以下说法中,正确的是        。

A. 布朗运动是悬浮在液体中的固体分子所做的无规则运动

B. 液晶既具有液体的流动性，又具有晶体的光学向异性

C. 由于液体表面分子小于平衡位置，故液体表面存在表面张力

D. 分子间距离增大时，分子间引力和斥力都减小，分子势能不一定减小

【答案】BD

【解析】布朗运动是悬浮在液体中的固体小颗粒所做的无规则运动，所以A错误；有些化合物像液体一样具有流动性，而其光学性质与某些晶体相似，具有各向异性，人们把处于这种状态的物质叫液晶，所以B正确；由于液体表面分子间距离大于液体内部分子间的距离，故液体表面存在表面张力，所以C错误；由分子势能与分子间距离的关系图，如图所示，

分子间距离增大时，分子势能可能增大，所以D正确。

3．(多选)下列说法中正确的是（   ）

A．气体放出热量，其分子的平均动能可能增大

B．布朗运动不是液体分子的运动，但它可以说明分子在永不停息地做无规则运动

C．当分子力表现为斥力时，分子力和分子势能总是随分子间距离的减小而增大

D．第二类永动机不违反能量守恒定律，但违反了热力学第一定律

E．某气体的摩尔体积为V，每个分子的体积为V0，则阿伏加德罗常数可表示为NA＝

【答案】ABC

【解析】气体放出热量，若外界对气体做功，温度升高，其分子的平均动能增大，故A正确；布朗运动不是液体分子的运动，但它可以说明液体分子在永不停息地做无规则运动，故B正确；当分子力表现为斥力时，分子力和分子势能总是随分子间距离的减小而增大，故C正确；第二类永动机不违反能量守恒定律，但违反了热力学第二定律，故D错误；某固体或液体的摩尔体积为V，每个分子的体积为V0，则阿伏加德罗常数可表示为NA＝，而气体此式不成立，故E错误。

4．（2017吉林省普通高中高三毕业第三次调研）

下列说法中正确的是（   ）

A. 悬浮在液体中的颗粒越大，布朗运动越剧烈

B. 液体与大气相接触时，表面层内分子所受其他分子的作用表现为相互吸引

C. 空气的相对湿度用空气中所含水蒸气的压强表示

D. 有些非晶体在一定条件下可以转化为晶体

E. 随着分子间距增大，分子间引力和斥力均减小，分子势能不一定减小

【答案】BDE

5．（2017黑龙江省哈尔滨市第六中学高三下一模）

下列说法中正确的是_______。

A. 图1为氧气分子在不同温度下的速率分布图象，由图可知状态①的温度比状态②的温度高

B. 图2为一定质量的理想气体状态变化的P－V图线，由图可知气体由状态A变化到B的过程中，气体分子平均动能先增大后减小

C. 图3为分子间作用力的合力与分子间距离的关系，可知当分子间的距离r＞r0时，分子势能随分子间的距离增大而增大

D. 液体表面层中分子间的距离比液体内部分子间的距离大；附着层内液体分子间的距离小于液体内部分子间的距离

E. 一定质量的理想气体在等压膨胀过程中，气体内能增加的同时向外界释放热量

【答案】ABC

【解析】如图1中，氧气分子在状态①的温度下速率大的分子所占百分比较多，故T1温度较高，故A正确；由P-V图像可知，气体由状态A变化到B的过程中，PV的乘积先增大后减小，故气体的温度先升高后降低，故气体分子平均动能先增大后减小

6．（2017河南省郑州、平顶山、濮阳市高三二模）

下列说法中正确的是        。

A. 布朗运动间接反映了分子运动的无规则性

B. 两个相邻的分子间的距离增大时，分子间的引力增大，斥力减小

C. 温度相同的氢气和氧气中，氢气分子和氧气分子的平均速率不同

D. 热量不能自发地从低温物体传到高温物体

E. 不违背能量守恒定律的第二类永动机是有可能制成的

【答案】ACD

7．（2017海南琼海市嘉积中学高三下第一次月考）

下列有关热现象的说法正确的是_______。

A. 分子力随分子间距离减小而增大

B. 气体吸收热量，其分子的平均动能可能减小

C. 布朗运动虽不是分子运动，但它证明了组成固体颗粒的分子在做无规则运动

D. 缓慢压缩一定量理想气体，若此过程气体温度不变，则外界对气体做正功但气体内能不变

E. 气体体积不变时，温度越高，单位时间内容器壁单位面积受到气体分子撞击的次数越多

【答案】BDE

【解析】分子间的引力和斥力都随分子间距离减小而增大，选项A错误； 根据热力学第一定律 可知，气体吸收热量，但是气体的温度可能减小，其分子的平均动能可能减小，选项B正确； 布朗运动虽不是分子运动，但它证明了液体的分子在做无规则运动，选项C错误； 缓慢压缩一定量理想气体，若此过程气体温度不变，则气体体积减小，外界对气体做正功；由于气体温度不变，故气体内能不变，选项D正确； 气体体积不变时，温度越高，气体分子热运动的平均速率变大，则单位时间内容器壁单位面积受到气体分子撞击的次数越多，选项E正确；故选BDE.

考点二　固体、液体和气体

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清知识要点]　

1．对晶体、非晶体特性的理解

(1)只有单晶体，才可能具有各向异性。

(2)各种晶体都具有固定熔点，晶体熔化时，温度不变，吸收的热量全部用于分子势能增加。

(3)晶体与非晶体可以相互转化。

(4)有些晶体属于同素异构体，如金刚石和石墨。

2．正确理解温度的微含义

(1)温度是分子平均动能的标志，温度越高，分子的平均动能越大。

(2)温度越高，物体分子动能总和增大，但物体的内能不一定越大。

明白以上两点，即可判断诊断卷第4题第(1)问的A选项。

3．对气体压强的理解

(1)气体对容器壁的压强是气体分子频繁碰撞的结果，温度越高，气体分子密度越大，气体对容器壁因碰撞而产生的压强就越大。

(2)地球表面大气压强可认为是大气重力产生的。

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1．（2017福建省福州第一中学高三下模考4）

下列有关热现象的叙述正确的是________。

A. 由于液体表面张力的作用，叶片上的小露珠呈现球形

B. 液体与大气相接触时，表面层内分子所受其他分子的作用表现为相互吸引

C. 生产雨伞时，应选择容易被水浸润的伞布，以便更好地防水

D. 液晶具有液体的流动性，同时具有晶体的各向异性特征

E. 液晶的光学性质不随温度、外加电压等外界因素的变化而变化

【答案】ABD

【解析】由于挥发，液体表面的分子分布比液体内部分子的分布要稀疏，故存在液体的表面张力，草叶上的露珠呈球形是由于液体表面张力的作用，故A正确；液体与大气相接触时，液体表面的分子之间斥力和吸引力的合力表现为引力，表面层内分子所受其他分子的作用表现为相互吸引，故B正确；生产雨伞时，应选择不容易被水浸润的伞布，以便更好地防水．故C错误；液晶即具有流动性，又具有的光学性质的各向异性，故D正确；液晶具有的光学性质的各向异性，随温度、外加电压等外界因素的变化而变化，故E错误；

2．（2017福建省宁德市高三下第一次质检）

下列说法正确的是   

A. 水的饱和汽压随温度的升高而增加

B. 浸润和不浸润现象是液体分子间相互作用的表现

C. 一定质量的0℃的水的内能大于等质量的O℃的冰的内能

D. 气体的压强是由于气体分子间的相互排斥而产生的

E. 一些昆虫可以停在水面上，是由于水表面存在表面张力的缘故

【答案】ACE

3．（2017江西省新余市第一中学高三下第七次模拟）

（1）下列说法正确的是（____）

A.布朗运动就是液体分子的运动

B.碎玻璃不能拼合在一起，说明分子间斥力作用

C.小昆虫水黾可以在水面上自由行走，是由于液体表面张力作用

D.给物体加热，物体的内能不一定增加

E.机械能可以全部转化为内能，也可以将内能全部转化为机械能.

（2）如图所示，下端封闭且粗细均匀的“7”型细玻璃管，竖直部分长l=50cm，水平部分足够长，左边与大气相通，当温度t1=27℃时，竖直管内有一段长为h=10cm的水银柱，封闭着一段长为l1=30cm的空气柱，外界大气压始终保持P0=76cmHg，设0℃为273K，试求：

①被封闭气柱长度为l2=40cm时的温度t2；

②温宿升高至t3=177℃时，被封闭空气柱的长度l3；

【答案】（1）CDE；（2）①80.5oC；②50.9cm

【解析】（1）A、布朗运动是悬浮在液体中微粒的无规则运动，显微镜中看到的是颗粒的无规则运动，不是液体分子的无规则运动，故A错误；

B、由于分子之间的相互作用力的范围非常小，可知碎玻璃不能拼合在一起，是由于玻璃分子之间的距离远大于分子之间作用力的范围，故B错误；

C、小昆虫水黾可以站在水面上是由于液体表面张力的缘故，故C正确；

D、给物体加热，物体吸收热量的同时可能对外做功，根据热力学第一定律，内能不一定增加，故D正确；

E、机械能可以全部转化为内能，通过能量转化的方向性，内能不能全部转化为机械能，但是在借助外界手段，就可以将内能全部转化为机械能，故E正确。

考点三　气体实验定律和理想气体状态方程

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1．压强的计算

(1)被活塞、气缸封闭的气体，通常分析活塞或气缸的受力，应用平衡条件或牛顿第二定律求解。

(2)被液柱封闭的气体压强，若分析液柱受力，应用平衡条件或牛顿第二定律求解，得出的压强单位为Pa。

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式求解。

(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。

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。

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1. （2017广西南宁第二中学高三2月月考）

一定质量的理想气体从状态A变化到状态B，再变化到状态C，其状态变化过程的p-V图象如图所示。已知该气体在状态A时的温度为27℃。求：

（i）该气体在状态B，C时的温度分别是多少_________ ？

（ii）该气体从状态A到状态C的过程中是吸热还是放热________ ？传递的热量是多少__________？

【答案】ACE－73 ℃ 27 ℃200 J

（2）（i）气体从状态A到状态B是等容过程，根据盖-吕萨克定律，有： 
解得： .

即：tB=-73℃
气体从状态B到状态C，是等压过程，根据查理定律，有： 
解得：

即：tC=27℃
（ii）气体从状态A到状态C体积增大，对外做功，即W＜0；
TA=TC，所以，A到状态C的过程中内能变化量为0．
由热力学第一定律得：Q＞0，所以A→C的过程中是吸热．
从A到B过程，体积不变，气体不外做功，外界也不对气体做功，只有B到C过程气体对外做功，故吸收的热量为：Q=W=P△V=2×105×（3×10-3-2×10-3）J=200J

2. （2017安徽省合肥一中、芜湖一中等六校高三2月测试）

（1）对于一定质量的理想气体，下列说法正确的是______（填正确答案标号，选对1个得2分，选对2个得4分，选对3个得5分，每选错1个扣3分，最低得分为0）

A．体积不变，压强减小的过程，气体一定放出热量，内能减小

B．若气体内能增加，则外界一定对气体做功

C．若气体的温度升高，则每个气体分子的速度一定增大

D．若气体压强不变，气体分子平均距离增大时，则气体分子的平均动能一定增大

E．气体对器壁的压强是由大量气体分子对器壁不断碰撞而产生的

（2）如图所示，粗细均匀的U形管，左端封闭，右端开口，左端用水银封闭着长L=15cm的理想气体，当温度为27℃时，两管水银面的高度差，设外界大气压为75cmHg，则

①若对封闭气体缓慢加热，为了使左右两管中的水银面相平，温度需升高到多少？

②若保持27℃不变，为了使左右两管中的水银面相平，需从右管的开口端再缓慢注入的水银柱长度应为多少？

【答案】ADE

（2）①以闭气体为研究对象：

初态：p1=p0-ρg△h=72cmHg        V1＝LS＝15Scm3，T1=300K

末态：p 2＝p 0＝75cmHg                T 2＝？

根据理想气体状态方程：

代入解得，   ℃

②   

根据玻意耳定律有： ，

代入数据可得

根据几何关系，有：

3.一粗细均匀的J形玻璃管竖直放置，短臂端封闭，长臂端(足够长)开口向上，短臂内封有一定质量的理想气体，初始状态时管内各段长度如图甲所示，密闭气体的温度为27 ℃，大气压强为75 cmHg。求：

(1)若沿长臂的管壁缓慢加入5 cm长的水银柱并与下方的水银合为一体，为使密闭气体保持原来的长度，应使气体的温度变为多少？

(2)在第(1)问的情况下，再使玻璃管沿绕过O点的水平轴在竖直平面内逆时针转过180°，稳定后密闭气体的长度为多少？

(3)在图乙所给的p ­T坐标系中画出以上两个过程中密闭气体的状态变化过程。

【答案】　(1)320 K　(2)30 cm　(3)见解析

(3)p3＝48 cmHg，变化过程如图所示。

【访高考真题】

1.(2015·新课标I)下列说法正确的 （）

A．将一块晶体敲碎后，得到的小颗粒是非晶体

B．固体可以分为晶体和非晶体两类，有些晶体在不同的方向上有不同的光学性质

C．由同种元素构成的固体，可能会由于原子的排列方式不同而成为不同的晶体

D．在合适的条件下，某些晶体可以转化为非晶体，某些非晶体也可以转化为晶体

E．在熔化过程中，晶体要吸收热量，但温度保持不变，内能也保持不变

【答案】BCD

2.【2015·重庆】某驾驶员发现中午时车胎内的气压高于清晨时的，且车胎体积增大.若这段时间胎内气体质量不变且可视为理想气体，那么

A.外界对胎内气体做功，气体内能减小    B.外界对胎内气体做功，气体内能增大

C.胎内气体对外界做功，内能减小        D.胎内气体对外界做功，内能增大

【答案】D

【解析】对车胎内的理想气体分析知，体积增大为气体为外做功，内能只有动能，而动能的标志为温度，故中午温度升高，内能增大，故选D。

3.【2015·广东】图为某实验器材的结构示意图，金属内筒和隔热外筒间封闭了一定体积的空气，内筒中有水，在水加热升温的过程中，被封闭的空气

A.内能增大                 B.压强增大   

C.分子间引力和斥力都减小   D.所有分子运动速率都增大

【答案】AB

【解析】本题考查了热学基础知识，题目中器材包含了金属内筒和隔热外筒，水加热升温，封闭空气温度升高，而外筒隔热，不会有能量损失，则当加热水时，热量通过金属筒传给气体，气体内能增加，温度升高，选项A正确；气体体积不变，温度升高，由理想气体状态方程右知压强增加，选项B正确；分子间的引力和斥力与分子间的距离有关，气体体积不变，分子间距不变，分子间的引力和斥力不变，选项C错误；温度只是与气体分子平均动能有关，温度增加并不是所有分子速率增加，选项D错误 。

4.(2016·江苏高考)（1）在高原地区烧水需要使用高压锅，水烧开后，锅内水面上方充满饱和汽，停止加热，高压锅在密封状态下缓慢冷却，在冷却过程中，锅内水蒸汽的变化情况为  

（A）压强变小（B）压强不变（C）一直是饱和汽（D）变为未饱和汽

（2）如题12A−1图所示，在斯特林循环的p−V图象中，一定质量理想气体从状态A依次经过状态B、C和D后再回到状态A，整个过程由两个等温和两个等容过程组成．B→C的过程中，单位体积中的气体分子数目 _______（选填“增大”、“减小”或“不变”），状态A和状态D的气体分子热运动速率的统计分布图象如题12A−2图所示，则状态A对应的是 __________（选填“①”或“②”）.

（3）如题12A-1图所示，在A→B和D→A的过程中，气体放出的热量分别为4J和20J．在B→C和C→D的过程中，气体吸收的热量分别为20J和12J．求气体完成一次循环对外界所做的功.

【答案】（1）AC  （2）不变   ①   （3）8J

【解析】

（3）完成一次循环气体内能不变 ΔU=0，吸收的热量Q=(20+12–4–20)J=8 J

由热力学第一定律ΔU=Q+W得，W=–8 J

气体对外做功为8 J.

5.(2015·全国卷Ⅰ)如图所示，一固定的竖直气缸由一大一小两个同轴圆筒组成，两圆筒中各有一个活塞。已知大活塞的质量为m1＝2.50 kg，横截面积为S1＝80.0 cm2；小活塞的质量为m2＝1.50 kg，横截面积为S2＝40.0 cm2；两活塞用刚性轻杆连接，间距保持为l＝40.0 cm；气缸外大气的压强为p＝1.00×105 Pa，温度为T＝303 K。初始时大活塞与大圆筒底部相距，两活塞间封闭气体的温度为T1＝495 K。现气缸内气体温度缓慢下降，活塞缓慢下移。忽略两活塞与气缸壁之间的摩擦，重力加速度大小g取10 m/s2。求：

(1)在大活塞与大圆筒底部接触前的瞬间，气缸内封闭气体的温度；

(2)缸内封闭的气体与缸外大气达到热平衡时，缸内封闭气体的压强。

【答案】(1)330 K　(2)1.01×105 Pa

故缸内气体的压强不变。由盖—吕萨克定律有

＝④

联立①②④式并代入题给数据得

T2＝330 K⑤

(2)在大活塞与大圆筒底部刚接触时，被封闭气体的压强为p1。在此后与气缸外大气达到热平衡的过程中，被封闭气体的体积不变。设达到热平衡时被封闭气体的压强为p′，由查理定律，有

＝⑥

联立③⑤⑥式并代入题给数据得

p′＝1.01×105 Pa。⑦