1、第16讲 热学,考情分析备考定向,-4-,知识脉络梳理,规律方法导引,-5-,知识脉络梳理,规律方法导引,1.知识规律 (1)分子动理论:分子直径的数量级是10-10 m;分子永不停息地做无规则运动;分子间存在相互的引力和斥力。 (2)气体实验定律。,(3)热力学定律。 热力学第一定律:U=W+Q。 热力学第二定律:自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性。 2.思想方法 (1)物理思想:模型思想、控制变量。 (2)物理方法:假设法、控制变量法。,-6-,命题热点一,命题热点二,命题热点三,分子动理论 内能 常以选择题形式考查分子动理论、物体内能的内容。 例1(多选)有关分子的热运动和内
2、能,下列说法正确的是( ) A.一定质量的气体,温度不变,分子的平均动能不变 B.物体的温度越高,分子热运动越剧烈 C.物体的内能是物体中所有分子热运动动能和分子势能的总和 D.布朗运动是由悬浮在液体中的微粒之间的相互碰撞引起的 E.外界对物体做功,物体的内能必定增加,ABC,-7-,命题热点一,命题热点二,命题热点三,解析 温度是分子平均动能的标志,温度不变,分子的平均动能一定不变,选项A正确;同样当物体温度升高时,分子的平均动能增加,也就是分子运动变剧烈,选项B正确;物体的内能包括物体中所有分子动能与分子势能的总和,选项C正确;布朗运动是由悬浮在液体中的微粒受到液体分子无规则碰撞引起的,选
3、项D错误;根据热力学第一定律可知,外界对物体做功的同时,若物体放出热量,内能有可能减小或不变,选项E错误。,-8-,命题热点一,命题热点二,命题热点三,思维导引,-9-,命题热点一,命题热点二,命题热点三,例2(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,BCE,解析 分子力F与分子间距r的关系是当 rr0时F为引力。综上可知,当两分子由相距较远逐渐达到最近过程中分子力是先变大再变小后又变大
4、,选项A错误。分子力为引力时做正功,分子势能减小,分子力为斥力时做负功,分子势能增大,故选项B正确,选项D错误。因仅有分子力作用,故只有分子动能与分子势能之间发生转化,分子势能减小时分子动能增大,分子势能增大时分子动能减小,其总和不变,选项C、E均正确。,-10-,命题热点一,命题热点二,命题热点三,思维导引,-11-,命题热点一,命题热点二,命题热点三,规律方法分子动理论的三个核心规律 (1)分子模型、分子数。,(2)分子运动:分子做永不停息的无规则运动,温度越高,分子的无规则运动越剧烈。 (3)分子势能、分子力与分子间距离的关系。,-12-,命题热点一,命题热点二,命题热点三,拓展训练1(
5、多选)(2018全国卷)对于实际的气体,下列说法正确的是( ) A.气体的内能包括气体分子的重力势能 B.气体的内能包括气体分子之间相互作用的势能 C.气体的内能包括气体整体运动的动能 D.气体的体积变化时,其内能可能不变 E.气体的内能包括气体分子热运动的动能,BDE,解析:气体的内能是指所有气体分子热运动的动能和相互作用的势能之和,不包括分子的重力势能和气体整体运动的动能,选项A、C错误,B、E正确;气体体积变化时,其分子势能可能增加、可能减小,而分子的动能可能增加、可能减小,其内能可能不变,选项D正确。,-13-,命题热点一,命题热点二,命题热点三,热力学定律 固体、液体的性质 常以选择
6、题的形式考查气体、固体、液体的性质。 例3(多选)下列说法正确的是( ) A.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 B.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 C.液体表面张力的方向与液面垂直并指向液体内部 D.利用浅层海水和深层海水之间的温度差制造一种热机,将海水的一部分内能转化为机械能是可能的,AD,-14-,命题热点一,命题热点二,命题热点三,解析 阿伏加德罗常数= ,因此选项A正确;空气相对湿度越大时,空气中水蒸气压强越接近该温度下的饱和汽压,水蒸发越慢,选项B错误;液体表面张力的方向与液面平行,选项C错误;根据热力学第一定律和第二定律
7、,内能的一部分转化为机械能是可行的,选项D正确。,-15-,命题热点一,命题热点二,命题热点三,思维导引,-16-,命题热点一,命题热点二,命题热点三,规律方法理想气体相关三量U、W、Q的分析思路 (1)对内能变化量U的分析思路: 由理想气体温度变化分析理想气体内能变化。温度升高,内能增加;温度降低,内能减少。 由公式U=W+Q分析内能变化。 (2)对做功W的分析思路: 由体积变化分析气体做功情况。气体膨胀,气体对外界做功;气体被压缩,外界对气体做功。 由公式W=U-Q分析气体做功情况。 (3)对气体吸、放热Q的分析思路: 一般由公式Q=U-W分析气体的吸、放热情况。,-17-,命题热点一,命
8、题热点二,命题热点三,拓展训练2(多选)(2017全国卷)如图所示,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,ABD,-18-,命题热点一,命题热点二,命题热点三,气体实验定律和理想气体状态方程 常以计算题形式考查气体状态参量的
9、变化。 例4如图所示,竖直放置、粗细均匀且足够长的U形玻璃管与容积为V0=12 cm3的金属球形容器连通,用U形玻璃管中的水银柱封闭一定质量的理想气体。开始时,U形玻璃管右侧水银面比左侧水银面高出h1=15 cm,水银柱上方空气柱长 h0=6 cm。现在左管中加入水银,保持温度不变,使两边水银柱在同一高度。(已知大气压p0=1.0105 Pa,水银=13.6103 kg/m3,U形玻璃管的横截面积为S=0.5 cm2)求:(1)需要加入的水银柱长度。 (2)此过程中被封气体是吸热还是放热。,答案 (1)27 cm (2)放热,-19-,命题热点一,命题热点二,命题热点三,解析 (1)p1=p0
10、-ph1 V1=V0+h0S=15 cm3 p2=p0 p1V1=p2V2得V2=12 cm3 即水银刚好到球的底部,加入的水银为 h=h1+2h0=27 cm。 (2)气体温度不变,内能不变,外界对气体做功,根据热力学第一定律U=W+Q可知气体放热。,-20-,命题热点一,命题热点二,命题热点三,思维导引,-21-,命题热点一,命题热点二,命题热点三,规律方法应用气体实验定律的解题思路 (1)选择对象即某一定质量的理想气体。 (2)找出参量气体在始末状态的参量p1、V1、T1及p2、V2、T2。 (3)认识过程认清变化过程是正确选用物理规律的前提。 (4)列出方程选用某一实验定律或气态方程,
11、代入具体数值求解,并讨论结果的合理性。,-22-,命题热点一,命题热点二,命题热点三,拓展训练3右图为一上粗下细且下端开口的薄壁玻璃管,管内有一段被水银密闭的气体,下管足够长,图中管的截面积分别为S1=2 cm2,S2=1 cm2,管内水银长度为h1=h2=2 cm,封闭气体长度l=10 cm,大气压强p0相当于76 cm高水银柱产生的压强,气体初始温度为300 K,若缓慢升高气体温度。(g取10 m/s2)试求:(1)当粗管内的水银刚被全部挤出时气体的温度; (2)当气体温度为525 K时,水银柱上端距玻璃管最上端的距离。,答案 (1)350 K (2)24 cm,-23-,命题热点一,命题
12、热点二,命题热点三,-24-,1,2,3,4,1.(多选)下列说法正确的是( ) A.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 B.随着分子间距离增大,分子间作用力减小,分子势能也减小 C.“第一类永动机”不可能制成,是因为它违反了能量守恒定律 D.一定量理想气体发生绝热膨胀时,其内能不变,AC,解析:粉尘的运动不是布朗运动,所以选项A正确;当分子间距离等于平衡距离时,分子势能随分子间距离的增大而增大,所以选项B错误;第一类永动机违反了能量守恒定律,所以不能制成,故选项C正确;根据热力学第一定律可知,一定量理想气体发生绝热膨胀时,其内能减少,所以选项D错误。,-25-,
13、1,2,3,4,2.(多选)关于热现象和热学规律,下列说法正确的是( ) A.布朗运动就是液体分子的无规则运动 B.晶体有确定的熔点,非晶体没有确定的熔点 C.热量不可能从低温物体传到高温物体 D.物体的体积增大,分子势能不一定增加 E.一定质量的理想气体,如果压强不变,体积增大,那么它一定从外界吸热,BDE,-26-,1,2,3,4,解析:布朗运动是悬浮在液体中的小颗粒,因受到分子的无规则碰撞而做的无规则运动,选项A错误;晶体有确定的熔点,非晶体没有确定的熔点,选项B正确;根据热力学第二定律,热量不可能从低温物体传到高温物体,而不引起其他变化,选项C错误;物体的体积增大,分子力可能做正功,分
14、子势能可能减小,选项D正确;一定质量的理想气体,如果压强不变,体积增大,对外做功,同时温度升高,内能增大,根据热力学第一定律,那么它一定从外界吸热,选项E正确。,-27-,1,2,3,4,3.一定质量理想气体的压强p与体积V的关系图象如图所示,它由状态A经等容过程到状态B,再经等压过程到状态C。设A、B、C状态对应的温度分别为TA、TB、TC,则TA= TC。从状态B到状态C过程气体 (选填“吸”或“放”)热。,-28-,1,2,3,4,4.(2018全国卷)(1)(多选)如图所示,一定量的理想气体从状态a变化到状态b,其过程如p-V图中从a到b的直线所示。在此过程中( ) A.气体温度一直降
15、低 B.气体内能一直增加 C.气体一直对外做功 D.气体一直从外界吸热 E.气体吸收的热量一直全部用于对外做功 (2)在两端封闭、粗细均匀的U形细玻璃管内有一段水银柱,水银柱的两端各封闭有一段空气。当U形管两端竖直朝上时,左、右两边空气柱的长度分别为l1=18.0 cm和l2=12.0 cm,左边气体的压强相当于12.0 cm高的水银柱产生的压强。现将U形管缓慢平放在水平桌面上,没有气体从管的一边通过水银逸入另一边。求U形管平放时两边空气柱的长度。在整个过程中,气体温度不变。,-29-,1,2,3,4,答案:(1)BCD (2)22.5 cm 7.5 cm,以气体温度升高,内能增加,A错、B对
16、;气体的体积增大,气体对外做功,C对;根据热力学第一定律U=W+Q,其中U0,W0,从外界吸收热量,D对;气体吸收的热量,一部分对外做功,另一部分增加了气体的内能,E错。,-30-,1,2,3,4,(2)设U形管两端竖直朝上时,左、右两边气体的压强分别为p1和p2。U形管水平放置时,两边气体压强相等,设为p,此时原左、右两边气柱长度分别变为l1和l2。由力的平衡条件有 p1=p2+g(l1-l2) 式中为水银密度,g为重力加速度大小。由玻意耳定律有 p1l1=pl1 p2l2=pl2 两边气柱长度的变化量大小相等 l1-l1=l2-l2 由式和题给条件得 l1=22.5 cm l2=7.5 c
17、m。,-31-,汽缸、活塞类问题分析 【典例示范】 如图所示,一直立的汽缸用质量为m的活塞封闭一定质量的理想气体,活塞横截面积为S,气体最初的体积为V0,最初的压强为 ,汽缸内壁光滑且缸壁导热性能良好。开始活塞被固定在A处,打开固定螺栓K,活塞下落,经过足够长时间后,活塞停在B处。设周围环境温度保持不变,已知大气压强为p0,重力加速度为g,若一定质量理想气体的内能仅由温度决定。求:(1)活塞停在B处时缸内封闭气体的体积V。 (2)整个过程中通过缸壁传递的热量Q。,-32-,分析推理:1.汽缸内气体温度与周围环境温度相同。 2.活塞停在B处说明活塞此时受力平衡。 3.汽缸内气体内能不变。,-33
18、-,思维流程,-34-,以题说法解决此类问题的关键是合理选取研究气体,找出研究气体的初、末状态参量,特别是压强,然后选择气体实验定律及状态方程求解。求气体的压强时常常把研究对象转换为活塞,对活塞进行受力分析,然后根据平衡条件或牛顿第二定律求解。,-35-,针对训练(2017全国卷)如图所示,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
19、。(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。,-36-,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=p1V1 (3p0)V=p1(2V-V1) 联立式得,p1=2p0。,-37-,(2)打开K3后,由式知,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(V22V)时,活塞下方气体压强为p2。由玻意耳定律得 (3p0)V=p2V2 由式得,(3)设加热后活塞下方气体的压强为p3,气体温度从T1=300 K升高到T2=320 K的等容过程中,由查理定律得,将有关数据代入式得 p3=1.6p0。,
