高考物理一轮复习专题33热学的基本概念与原理(原卷版+解析)

这是一份高考物理一轮复习专题33热学的基本概念与原理(原卷版+解析)，共46页。试卷主要包含了关于分子动理论及内能的考查，固体、液体和气体等内容，欢迎下载使用。
TOC \ "1-3" \h \u \l "_Tc3534" 题型一 关于分子动理论及内能的考查 PAGEREF _Tc3534 1
\l "_Tc30365" 类型1 微观量估算的两种“模型” PAGEREF _Tc30365 1
\l "_Tc18014" 类型2 布朗运动与分子热运动 PAGEREF _Tc18014 4
\l "_Tc30145" 类型3 分子力和内能 PAGEREF _Tc30145 6
\l "_Tc5138" 题型二 固体、液体和气体 PAGEREF _Tc5138 10
\l "_Tc23138" 类型1 固体和液体性质的理解 PAGEREF _Tc23138 10
\l "_Tc28570" 类型2 气体压强的计算及微观解释 PAGEREF _Tc28570 12
\l "_Tc21415" 题型三 关于热力学定律与能量守恒定律的理解 PAGEREF _Tc21415 15
\l "_Tc26580" 类型1 热力学第一定律的理解 PAGEREF _Tc26580 15
\l "_Tc10241" 类型2 热力学第二定律的理解 PAGEREF _Tc10241 17
\l "_Tc30795" 类型3 热力学第一定律与图像的综合应用 PAGEREF _Tc30795 19
题型一 关于分子动理论及内能的考查
类型1 微观量估算的两种“模型”
1．微观量与宏观量
(1)微观量：分子质量m0、分子体积V0、分子直径d等．
(2)宏观量：物体的质量m、摩尔质量M、物体的密度ρ、物体的体积V、摩尔体积Vml等．
2．分子的两种模型
(1)球模型：V0＝eq \f(1,6)πd3，得直径d＝eq \r(3,\f(6V0,π))(常用于固体和液体)．
(2)立方体模型：V0＝d3，得边长d＝eq \r(3,V0)(常用于气体)．
3．几个重要关系
(1)一个分子的质量：m0＝eq \f(M,NA).
(2)一个分子的体积：V0＝eq \f(Vml,NA)(注意：对于气体，V0表示一个气体分子占有的空间)．
(3)1 ml物体的体积：Vml＝eq \f(M,ρ).
模型1 微观量估算的球体模型
【例1】(多选)钻石是首饰、高强度钻头和刻刀等工具中的主要材料，设钻石的密度为ρ(单位为kg/m3)，摩尔质量为M(单位为g/ml)，阿伏加德罗常数为NA.已知1克拉＝0.2 g，则下列选项正确的是( )
A．a克拉钻石物质的量为eq \f(0.2a,M)
B．a克拉钻石所含有的分子数为eq \f(0.2aNA,M)
C．每个钻石分子直径的表达式为eq \r(3,\f(6M×10－3,NAρπ))(单位为m)
D．a克拉钻石的体积为eq \f(a,ρ)
【例2】(2022·山东省摸底)在标准状况下，体积为V的水蒸气可视为理想气体，已知水蒸气的密度为ρ，阿伏伽德罗常数为NA，水的摩尔质量为M，水分子的直径为d。
(1)计算体积为V的水蒸气含有的分子数；
(2)估算体积为V的水蒸气完全变成液态水时，液态水的体积(将液态水分子看成球形，忽略液态水分子间的间隙)。
【例3】(2022·江苏扬州市扬州中学月考)晶须是一种发展中的高强度材料，它是一些非常细的、非常完整的丝状(横截面为圆形)晶体．现有一根铁质晶须，直径为d，用大小为F的力恰好将它拉断，断面呈垂直于轴线的圆形．已知铁的密度为ρ，铁的摩尔质量为M，阿伏加德罗常数为NA，则拉断过程中相邻铁原子之间的相互作用力是( )
A. B.
C. D.
模型2 微观量估算的立方体模型
【例4】(2022·河北衡水市月考)轿车中的安全气囊能有效保障驾乘人员的安全．轿车在发生一定强度的碰撞时，叠氮化钠(亦称“三氮化钠”，化学式NaN3)受撞击完全分解产生钠和氮气而充入气囊．若充入氮气后安全气囊的容积V＝56 L，气囊中氮气的密度ρ＝1.25 kg/m3，已知氮气的摩尔质量M＝28 g/ml，阿伏加德罗常数NA＝6×1023 ml－1，请估算：(结果保留一位有效数字)
(1)一个氮气分子的质量m；
(2)气囊中氮气分子的总个数N；
(3)气囊中氮气分子间的平均距离r.
【例5】某一体积为V的密封容器，充入密度为ρ、摩尔质量为M的理想气体，阿伏加德罗常数为NA。则该容器中气体分子的总个数N＝__________。现将这部分气体压缩成液体，体积变为V0，此时分子中心间的平均距离d＝______________(将液体分子视为立方体模型)。
【例6】空调在制冷过程中，室内空气中的水蒸气接触蒸发器(铜管) 液化成水，经排水管排走，空气中水分越来越少，人会感觉干燥．某空调工作一段时间后，排出液化水的体积为V，水的密度为ρ，摩尔质量为M，阿伏加德罗常数为NA，则液化水中分子的总数N和水分子的直径d分别为( )
A．N＝eq \f(M,ρVNA) ，d＝eq \r(3,\f(6M,πρNA)) B．N＝eq \f(ρVNA,M)，d＝eq \r(3,\f(πρNA,6M))
C．N＝eq \f(ρVNA,M)，d＝eq \r(3,\f(6M,πρNA)) D．N＝eq \f(M,ρVNA) ，d＝eq \r(3,\f(πρNA,6M))
类型2 布朗运动与分子热运动
扩散现象、布朗运动与热运动的比较
【例1】(2022·江苏省高考模拟)据研究发现，新冠病毒感染的肺炎传播途径之一是气溶胶传播。气溶胶是指悬浮在气体介质中的固态或液态颗粒所组成的气态分散系统。这些固态或液态颗粒的大小一般在10－3～103 μm之间。已知布朗运动微粒大小通常在10－6 m数量级。下列说法正确的是( )
A．布朗运动是气体介质分子的无规则运动
B．在布朗运动中，固态或液态颗粒越小，布朗运动越剧烈
C．在布朗运动中，颗粒无规则运动的轨迹就是分子的无规则运动的轨迹
D．当固态或液态颗粒很小时，能很长时间都悬浮在气体中，颗粒的运动属于布朗运动，能长时间悬浮是因为气体浮力作用
【例2】 (2022·北京丰台区期末)关于布朗运动，下列说法正确的是( )
A．布朗运动是液体分子的无规则运动
B．悬浮在液体中的颗粒越小、液体温度越高，布朗运动越明显
C．悬浮颗粒越大，在某一瞬间撞击它的分子数越多，布朗运动越明显
D．布朗运动的无规则性反映了颗粒内部分子运动的无规则性
【例3】(2022·江苏海安市期末)将墨汁滴入水中，逐渐扩散，最终混合均匀，下列关于该现象的解释正确的是( )
A．墨汁扩散是水的对流形成的
B．墨汁扩散时炭粒与水分子发生化学反应
C．混合均匀主要是由于炭粒受重力作用
D．混合均匀过程中，水分子和炭粒都做无规则运动
【例4】．某同学在显微镜下观察水中悬浮的花粉微粒的运动。他把小微粒每隔一定时间的位置记录在坐标纸上，如图所示。则该图反映了( )
A．液体分子的运动轨迹
B．花粉微粒的运动轨迹
C．每隔一定时间花粉微粒的位置
D．每隔一定时间液体分子的位置
【例5】．(2022·北京市丰台区模拟)玻璃杯中装入半杯热水后拧紧瓶盖，经过一段时间后发现瓶盖很难拧开。原因是( )
A．瓶内气体压强变小
B．瓶内气体分子热运动的平均动能增加
C．瓶内气体速率大的分子所占比例增大
D．瓶内气体分子单位时间内撞击瓶盖的次数增加
类型3 分子力和内能
1.分子间的作用力、分子势能与分子间距离的关系
分子间的作用力F、分子势能Ep与分子间距离r的关系图线如图所示(取无穷远处分子势能Ep＝0)．
(1)当r＞r0时，分子间的作用力表现为引力，当r增大时，分子间的作用力做负功，分子势能增大．
(2)当r＜r0时，分子间的作用力表现为斥力，当r减小时，分子间的作用力做负功，分子势能增大．
(3)当r＝r0时，分子势能最小.
2．分析物体内能问题的五点提醒
(1)内能是对物体的大量分子而言的，不存在某个分子内能的说法．
(2)内能的大小与温度、体积、物质的量和物态等因素有关．
(3)通过做功或热传递可以改变物体的内能．
(4)温度是分子平均动能的标志，相同温度的任何物体，分子的平均动能都相同．
(5)内能由物体内部分子微观运动状态决定，与物体整体运动情况无关．任何物体都具有内能，恒不为零．
【例1】(2022·山东日照市模拟)分子间势能由分子间距r决定。规定两分子相距无穷远时分子间的势能为零，两分子间势能与分子间距r的关系如图所示。若一分子固定于原点O，另一分子从距O点无限远向O点运动。下列说法正确的是( )
A．在两分子间距从无限远减小到r2的过程中，分子之间的作用力先增大后减小
B．在两分子间距从无限远减小到r1的过程中，分子之间的作用力表现为引力
C．在两分子间距等于r1处，分子之间的作用力等于0
D．对于标准状况下的单分子理想气体，绝大部分分子的间距约为r2
【例2】(2020·全国卷Ⅰ·33(1))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．
【例3】(2022·重庆市万州第一中学高三月考)对于一定质量的实际气体，下列说法正确的是( )
A．温度不变、体积增大时，内能一定减小
B．气体的体积变化时，内能可能不变
C．气体体积不变，温度升高，内能可能不变
D．流动的空气一定比静态时内能大
【例4】(2022·广东深圳市4月调研)宇航员王亚萍太空授课呈现了标准水球，这是由于水的表面张力引起的。在水球表面层中，水分子之间的相互作用总体上表现为__________(填“引力”或“斥力”)。如图所示，A位置固定一个水分子甲，若水分子乙放在C位置，其所受分子力为零，则将水分子乙放在如图________(填“AC之间”或“BC之间”)，其分子力与水球表面层分子有相同的作用效果。若空间两个分子间距从无限远逐渐变小，直到小于r0，则分子势能变化的趋势是________________________。
【例5】(2022·山东日照市高三模拟)分子间势能由分子间距r决定．规定两分子相距无穷远时分子间的势能为零，两分子间势能与分子间距r的关系如图所示．若一分子固定于原点O，另一分子从距O点无限远向O点运动．下列说法正确的是( )
A．在两分子间距从无限远减小到r2的过程中，分子之间的作用力先增大后减小
B．在两分子间距从无限远减小到r1的过程中，分子之间的作用力表现为引力
C．在两分子间距等于r1处，分子之间的作用力等于0
D．对于标准状况下的单分子理想气体，绝大部分分子的间距约为r2
题型二 固体、液体和气体
类型1 固体和液体性质的理解
1．晶体和非晶体
(1)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。
(2)具有确定熔点的物体必定是晶体，反之，必是非晶体。
(3)单晶体具有天然的规则的几何外形，而多晶体和非晶体没有天然规则的几何外形，所以不能从形状上区分晶体与非晶体。
(4)晶体和非晶体不是绝对的，在某些条件下可以相互转化。
(5)液晶既不是晶体，也不是液体。
2．液体表面张力
(1)形成原因：表面层中分子间距离比液体内部分子间距离大，分子间作用力表现为引力。
(2)表面特征：表面层中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张紧的弹性薄膜。
(3)表面张力的方向：和液面相切，垂直于液面上的分界线。
(4)表面张力的效果：使液体表面具有收缩的趋势，使液体表面积趋于最小，而在体积相同的条件下，球形表面积最小。
【例1】(2022·福建莆田市4月模拟)关于热学知识的理解，下列说法中正确的是( )
A．单晶体的某些物理性质呈现各向异性
B．液体表面张力产生的原因是液体表面层分子间距离比较大，分子力表现为
斥力
C．雨水没有透过雨伞是因为水和伞的不浸润现象
D．在熔化过程中，非晶体要吸收热量，但温度可以保持不变
【例2】 (多选)下列理解正确的是( )
A．彩色液晶显示器利用了液晶的光学性质具有各向异性的特点
B．单晶体具有固定的熔点，多晶体没有固定的熔点
C．有的物质在不同条件下能够生成不同晶体，是因为组成它们的微粒能够按照不同规则在空间分布
D．固体可以分为晶体和非晶体两类，晶体、非晶体是绝对的，是不可以相互转化的
【例3】在甲、乙、丙三种固体薄片上涂上石蜡，用烧热的针尖接触薄片背面上的一点，石蜡熔化区域的形状如图甲、乙、丙所示．甲、乙、丙三种固体在熔化过程中温度随加热时间变化的关系如图丁所示，则下列说法中正确的是( )
A．甲一定是单晶体
B．乙可能是金属薄片
C．丙在一定条件下可能转化成乙
D．甲内部的微粒排列是规则的，丙内部的微粒排列是不规则的
【例4】(2022·宁夏石嘴山市第三中学模拟)关于以下几幅图中现象的分析，下列说法正确的是( )
A．甲图中水黾停在水面而不沉，是浮力作用的结果
B．乙图中将棉线圈中肥皂膜刺破后，扩成一个圆孔，是表面张力作用的结果
C．丙图中毛细管中液面高于管外液面的是毛细现象，低于管外液面的不是毛细现象
D．丁图中玻璃管的裂口在火焰上烧熔后，它的尖端会变钝，是一种浸润现象
类型2 气体压强的计算及微观解释
1．气体压强的计算
(1)活塞模型
如图所示是最常见的封闭气体的两种方式．
求气体压强的基本方法：先对活塞进行受力分析，然后根据平衡条件或牛顿第二定律列方程．
图甲中活塞的质量为m，活塞横截面积为S，外界大气压强为p0.由于活塞处于平衡状态，所以p0S＋mg＝pS，
则气体的压强为p＝p0＋eq \f(mg,S).
图乙中的液柱也可以看成“活塞”，由于液柱处于平衡状态，所以pS＋mg＝p0S，
则气体压强为p＝p0－eq \f(mg,S)＝p0－ρ液gh.
(2)连通器模型
如图所示，U形管竖直放置．同一液体中的相同高度处压强一定相等，所以气体B和A的压强关系可由图中虚线联系起来．则有pB＋ρgh2＝pA，
而pA＝p0＋ρgh1，
所以气体B的压强为pB＝p0＋ρg(h1－h2)．
2．气体分子运动的速率分布图像
气体分子间距离大约是分子直径的10倍，分子间作用力十分微弱，可忽略不计；分子沿各个方向运动的机会均等；分子速率的分布规律按“中间多、两头少”的统计规律分布，且这个分布状态与温度有关，温度升高时，平均速率会增大，如图所示．
3．气体压强的微观解释
(1)产生原因：由于气体分子无规则的热运动，大量的分子频繁地碰撞器壁产生持续而稳定的压力．
(2)决定因素(一定质量的某种理想气体)
①宏观上：决定于气体的温度和体积．
②微观上：决定于分子的平均动能和分子的密集程度．
【例1】(多选)对于一定质量的理想气体，下列论述正确的是( )
A．气体的压强由温度和单位体积内的分子个数共同决定
B．若单位体积内分子个数不变，当分子热运动加剧时，压强可能不变
C．若气体的压强不变而温度降低，则单位体积内分子个数一定增加
D．若气体的压强不变而温度降低，则单位体积内分子个数可能不变
【例2】若已知大气压强为p0，图中各装置均处于静止状态．
(1)已知液体密度均为ρ，重力加速度为g，求各被封闭气体的压强．
(2)如图中两个汽缸质量均为M，内部横截面积均为S，两个活塞的质量均为m，左边的汽缸静止在水平面上，右边的活塞和汽缸竖直悬挂在天花板下．两个汽缸内分别封闭有一定质量的空气A、B，重力加速度为g，活塞与缸壁之间无摩擦，求封闭气体A、B的压强各多大？
【例3】(多选)密闭容器内有一定质量的理想气体，如果保持气体的压强不变，气体的温度升高，下列说法中正确的是( )
A．气体分子的平均速率增大
B．器壁单位面积受到气体分子碰撞的平均作用力变大
C．气体分子对器壁的平均作用力变大
D．该气体的密度减小
题型三 关于热力学定律与能量守恒定律的理解
类型1 热力学第一定律的理解
1．热力学第一定律的理解
(1)内能的变化都要用热力学第一定律进行综合分析．
(2)做功情况看气体的体积：体积增大，气体对外做功，W为负；体积缩小，外界对气体做功，W为正．
(3)与外界绝热，则不发生热传递，此时Q＝0.
(4)如果研究对象是理想气体，因理想气体忽略分子势能，所以当它的内能变化时，体现在分子动能的变化上，从宏观上看就是温度发生了变化．
2．三种特殊情况
(1)若过程是绝热的，则Q＝0，W＝ΔU，外界对物体做的功等于物体内能的增加；
(2)若过程中不做功，即W＝0，则Q＝ΔU，物体吸收的热量等于物体内能的增加；
(3)若过程的初、末状态物体的内能不变，即ΔU＝0，则W＋Q＝0或W＝－Q，外界对物体做的功等于物体放出的热量．
【例1】(多选)(2021·湖南卷·15(1)改编)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S1和S2)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A下降h高度到B位置时，活塞上细沙的总质量为m.在此过程中，用外力F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p0保持不变，系统始终处于平衡状态，重力加速度为g.下列说法正确的是( )
A．整个过程，理想气体的分子平均动能保持不变
B．整个过程，理想气体的内能增大
C．整个过程，理想气体向外界释放的热量小于(p0S1h＋mgh)
D．左端活塞到达B位置时，外力F等于eq \f(mgS2,S1)
【例2】(2021·河北卷，15)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2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3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3】 (2022·山东济南市模拟)泉城济南，以泉闻名。小张同学在济南七十二名泉之一的珍珠泉游览时，发现清澈幽深的泉池底部，不断有气泡生成，上升至水面破裂。假设水恒温，则气泡在泉水中上升过程中，以下判断正确的是( )
A．气泡对泉水做正功，气泡吸收热量
B．气泡对泉水做正功，气泡放出热量
C．泉水对气泡做正功，气泡吸收热量
D．泉水对气泡做正功，气泡放出热量
【例4】(2022·山东潍坊市高考模拟)蛟龙号深潜器在执行某次实验任务时，外部携带一装有氧气的汽缸，汽缸导热良好，活塞与缸壁间无摩擦且与海水相通。已知海水温度随深度增加而降低，则深潜器下潜过程中，下列说法正确的是( )
A．每个氧气分子的动能均减小
B．氧气放出的热量等于其内能的减少量
C．氧气分子单位时间撞击缸壁单位面积的次数增加
D．氧气分子每次对缸壁的平均撞击力增大
类型2 热力学第二定律的理解
1．热力学第二定律的含义
(1)“自发地”指明了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。
(2)“不产生其他影响”的含义是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，如吸热、放热、做功等。在产生其他影响的条件下内能可以全部转化为机械能，如气体的等温膨胀过程。
2．热力学第二定律的实质
热力学第二定律的每一种表述，都揭示了大量分子参与的宏观过程的方向性，进而使人们认识到自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性。
3．热力学过程的方向性实例
4．两类永动机的比较
【例1】(多选)下列说法正确的是( )
A．冰箱能使热量从低温物体传递到高温物体，因此不遵循热力学第二定律
B．自发的热传导是不可逆的
C．可以通过给物体加热而使它运动起来，但不产生其他影响
D．气体向真空膨胀具有方向性
【例2】[2020·全国Ⅱ卷，33(1)]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________。
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
类型3 热力学第一定律与图像的综合应用
1．气体的状态变化可由图像直接判断或结合理想气体状态方程eq \f(pV,T)＝C分析．
2．气体的做功情况、内能变化及吸放热关系可由热力学第一定律分析．
(1)由体积变化分析气体做功的情况：体积膨胀，气体对外做功；气体被压缩，外界对气体做功．
(2)由温度变化判断气体内能变化：温度升高，气体内能增大；温度降低，气体内能减小．
(3)由热力学第一定律ΔU＝W＋Q判断气体是吸热还是放热．
(4)在p－V图像中，图像与横轴所围面积表示对外或外界对气体整个过程中所做的功．
【例1】(多选)(2021·全国乙卷·33(1)改编)如图，一定量的理想气体从状态a(p0，V0，T0)经热力学过程ab、bc、ca后又回到状态a.对于ab、bc、ca三个过程，下列说法正确的是( )
A．ab过程中，气体始终吸热
B．ca过程中，气体始终放热
C．ca过程中，气体对外界做功
D．bc过程中，气体的温度先降低后升高
【例2】(多选)如图所示，一定质量的理想气体在状态A时压强为1.5×105 Pa，经历A→B→C→A的过程，已知B→C过程中气体做功绝对值是C→A过程中气体做功绝对值的3倍，下列说法中正确的是( )
A．C→A的过程中外界对气体做功300 J
B．B→C的过程中气体对外界做功600 J
C．整个过程中气体从外界吸收600 J的热量
D．整个过程中气体从外界吸收450 J的热量
【例3】(2022·重庆八中高三月考)一定质量的理想气体从状态A开始，经历四个过程AB、BC、CD、DA回到原状态，其p－V图像如图所示，其中DA段为双曲线的一支．下列说法正确的是( )
A．A→B外界对气体做功
B．B→C气体对外界做功
C．C→D气体从外界吸热
D．D→A容器壁单位面积单位时间内受到气体分子撞击的次数变多
【例4】(2022·山东泰安市检测)一定质量的理想气体从状态M经历过程1或者过程2到达状态N，其p－V图像如图所示。在过程1中，气体始终与外界无热量交换；在过程2中，气体先经历等容变化再经历等压变化。状态M、N的温度分别为TM、TN，在过程1、2中气体对外做功分别为W1、W2，则( )
A．TM＝TN B．TMW2 D．W1