1、专题五 分子动理论、气体及热力学定律 一、构建体系 透析考情析考情明考向_考情分析_透视命题规律思维导图思维导图1.高考对本讲的命题会有选择题和计算题两种形式。选择题主要考查对物理概念和物理规律的理解以及简单的应用，比如对分子动理论、内能、热力学定律的理解，固体、液体和气体的性质的理解等知识，如2020年山东卷第6题和2020年天津卷第5题；计算题往往以玻璃管或汽缸等为载体，考查气体实验定律、理想气体状态方程及图像问题，如2020年山东卷第15题。2.2021年高考命题热点仍以基础知识为主，综合性不会太强。另外，油膜法估测分子大小、分子力等内容，复习中也要引起重视，可能会成为新的命题点。另外还
2、要注意微观量的估算问题，特别要注意气体实验定律、气体状态变化图像与热力学定律的综合性问题。考情分析二、熟记规律 高效突破1分子动理论：分子直径的数量级是1010 m；分子永不停息地做无规则运动；分子间存在着相互作用的引力和斥力。2两种微观模型(1)球体模型(适用于固体、液体)：一个分子的体积V043(d2)316d3，d为分子的直径。(2)立方体模型(适用于气体)：一个分子占据的平均空间V0d3，d为分子间的距离。3晶体、非晶体的关键性区别为是否具有固定的熔点，只有单晶体才可能具有各向异性。晶体与非晶体可以相互转化。4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、
3、电学物理性质上表现出各向异性，但不是所有性质都表现为各向异性。5气体的“三定律、一方程”6热力学定律(1)热力学第一定律：UQW(第一类永动机不可能制成)。(2)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(第二类永动机不可能制成)。7牢记以下几个结论(1)热量不能自发地由低温物体传递给高温物体。(2)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。(3)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。(4)温度变化意味着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随之发生同样的变化。(5)内能与机械能不同
4、。内能由物体内分子运动和分子间作用决定，与物体的温度和体积有关，具体值难确定，但永不为零；机械能由物体的速度、物体间相互作用、物体的质量决定，可以为零。考向一 分子动理论、内能及热力学定律1分子动理论要掌握的“一个桥梁、三个核心”(1)宏观量与微观量的转换桥梁研考向提能力_考向研析_掌握应试技能(2)分子模型、分子数分子模型：球模型V43R3，立方体模型Va3。分子数：NnNA mMmol NA VVmolNA(固体、液体)。(3)分子运动：分子永不停息地做无规则运动，温度越高，分子的无规则运动越剧烈，即平均速率越大，但某个分子的瞬时速率不一定大。(4)分子势能、分子力与分子间距离的关系2理想
5、气体相关三量U、W、Q的分析思路(1)内能变化量U的分析思路由气体温度变化分析气体内能变化。温度升高，内能增加；温度降低，内能减少。由公式UWQ分析内能变化。(2)做功情况W的分析思路由体积变化分析气体做功情况。体积膨胀，气体对外界做功；体积被压缩，外界对气体做功。由公式WUQ分析气体做功情况。(3)气体吸、放热Q的分析思路：一般由公式QUW分析气体的吸、放热情况。典例1(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，但它可以说明液体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某气体的摩尔
6、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 VV0ABC 解析 若外界对气体做的功大于气体放出的热量，气体温度升高，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；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 VV0，但对于气体此式不成立，故D错误。1根据热学知识可以判断，下列说法正确的是()A载重汽车卸去货物的过程中，外界对汽车轮胎内的气体做正功B气体的摩尔质量为M，分子质量为m，若1摩尔该气体的
7、体积为V，则该气体分子的体积为mVMC一定量100 的水变成100 的水蒸气，其分子之间的势能增加D空调的压缩机制冷时，将热量从温度较低的室内送到温度较高的室外，所以这一过程不遵守热力学第二定律C 解析：载重汽车卸去货物的过程中，轮胎体积变大，则汽车轮胎内的气体对外界做正功，故A错误；1摩尔该气体的体积为VNAV0，NAMm，则该气体分子所占空间的体积为V0 mVM，气体分子的体积远小于该气体分子所占空间的体积，故B错误；因为水变成水蒸气要吸收能量，水变成水蒸气的过程中温度恒定，也就是说分子动能不变，吸收的能量转化为分子势能，所以分子之间的势能增加，故C正确；空调的压缩机制冷时，空调压缩机做功
8、，消耗电能，将热量从温度较低的室内送到温度较高的室外，所以这一过程遵守热力学第二定律，故D错误。2(多选)关于气体的内能，下列说法正确的是()A气体被压缩时，内能可能不变B质量和温度都相同的气体，内能一定相同C一定量的某种理想气体的内能只与温度有关D气体温度不变，整体运动速度越大，其内能越大AC 解析：气体被压缩时，外界对气体做功W0，如果向外界放热Q0，根据热力学第一定律UWQ可知U可能等于零，内能不变，故A正确；质量和温度都相同的气体，分子平均动能相同，但气体的分子数不一定相等，内能也不一定相同，故B错误；理想气体分子间无分子势能，理想气体的内能只与温度有关，故C正确；物体的内能与温度、体
9、积有关，与物体宏观整体运动的机械能无关，所以整体运动速度越大，其内能不一定越大，故D错误。3(多选)关于热力学定律，下列说法中正确的是()A对物体持续降温冷却后不可能把它的温度降为绝对零度B三个系统a、b、c，若a与b内能相等，b与c内能相等，则根据热平衡定律a与c接触时一定不会发生热交换C热量可以从低温物体传递到高温物体D自然界的能量是守恒的，所以我们可以不必节约能源AC解析：绝对零度是不可能达到的，故A正确；热平衡状态即为两物体的温度相同，但两物体内能相同时，温度不一定相同，故B错误；热量可以从低温物体传递到高温物体，例如电冰箱，但需要消耗电能，故C正确；自然界中能量在转化过程中具有单向性
10、，散失到环境中是不能回收的，因此要节约能源，故D错误。4.如图所示，一个内壁光滑、导热良好的汽缸悬挂在天花板上，轻质活塞上方封闭着一定质量的理想气体，若用向下的力F缓慢将活塞向下拉动一小段距离，则()A缸内气体的温度可能降低B缸内气体分子的平均动能会减小C缸内气体会吸热D若拉力F对活塞做的功为W，则缸内气体的内能减少了WC 解析：内壁光滑、导热良好的汽缸，在力F缓慢将活塞向下拉动一小段距离的过程中，缸内气体的温度保持不变，缸内气体分子的平均动能也保持不变，故A、B错误；由热力学第一定律UWQ知，在力F缓慢将活塞向下拉动一小段距离的过程中，气体对外做功W0，缸内气体会吸热，故C正确；拉力F对活塞
11、做的功与缸内气体内能的变化无关，故D错误。考向二 固体、液体和气体压强1固体和液体的主要特点(1)晶体和非晶体的分子结构不同，表现出的物理性质不同。晶体具有确定的熔点，单晶体表现出各向异性，多晶体和非晶体表现出各向同性。晶体和非晶体在适当的条件下可以相互转化。(2)液晶是一种特殊的物质状态，所处的状态介于固态和液态之间，液晶具有流动性，在光学、电学物理性质上表现出各向异性。(3)液体的表面张力使液体表面具有收缩到最小的趋势，表面张力的方向跟液面相切。2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。3相对湿度某温度时空气中水蒸气的压强与同一温度时水
12、的饱和汽压之比，即Bpps。4对气体压强的两点理解(1)气体对容器壁的压强是气体分子频繁碰撞容器壁的结果，温度越高，气体分子数密度越大，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。典例2(2020山东省济宁市高三下学期二模)下列说法正确的是()A晶体一定具有各向异性B温度升高，物体的内能一定增大C布朗运动是液体分子的无规则运动D自由下落的水滴呈球形是液体表面张力作用的结果解析 单晶体具有各向异性，多晶体具有各向同性，故A错误。物体的内能与物体的温度、体积和摩尔数等因素有关，所以温度升高物体的内能不一定增大，故B错误。布朗运动是悬浮在液体中固体微粒所做的无
13、规则运动，不是液体分子的运动；布朗运动是由大量液体分子撞击微粒引起的，反映了液体分子的无规则运动，故C错误。自由下落的水滴由于液体表面张力作用而呈球形，故D正确。D 5(多选)(2020山东省日照市高三下学期二模)下列说法正确的是()A.当分子间的距离增大时，分子间引力增大、斥力减小B当不浸润的某种液体和固体接触时，附着层的液体分子比液体内部稀疏C布朗运动说明了固体分子永不停息地做无规则热运动D雨后荷叶上有晶莹剔透的水珠，这是水的表面张力作用使水珠成球形BD 解析：若分子间的距离增大，分子间的引力减小，斥力也减小，故A错误；当不浸润的某种液体和固体接触时，附着层里的液体分子比液体内部分子稀疏，
14、附着层内液体分子间距离大于r0，附着层内分子间作用表现为引力，附着层有收缩的趋势，表现为不浸润，选项B正确；布朗运动说明了液体分子永不停息地做无规则热运动，而不是说明了固体分子永不停息地做无规则热运动，故C错误；雨后荷叶上有晶莹剔透的水珠，表面分子间距离大于内部分子间的距离，表现为引力，所以由于水的表面张力作用使水珠成球形，故D正确。6(多选)下列说法正确的是()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
15、以转化为晶体BCD 解析：晶体有固定的熔点，并不会因为颗粒的大小而改变，即使敲碎为小颗粒，仍旧是晶体，选项A错误；固体分为晶体和非晶体两类，有些晶体在不同方向上光学性质不同，表现为晶体具有各向异性，选项B正确；同种元素构成的固体可能由于原子的排列方式不同而形成不同的晶体，如金刚石和石墨，选项C正确；晶体的分子排列结构如果遭到破坏就可能形成非晶体，反之亦然，选项D正确。7(多选)以下说法正确的是()A单晶体和多晶体都表现出各向异性B当液体和固体的附着层内的分子距离比较小，分子力表现为斥力，从而形成浸润现象C晶体和非晶体在一定条件下可以相互转化D晶体熔化时吸收的热量全部转化为分子势能BCD 解析：
16、单晶体表现为各向异性，多晶体表现为各向同性，故A错误；当液体和固体的附着层内的分子距离比较小，分子力表现为斥力，从而形成浸润现象，故B正确；晶体和非晶体在一定条件下可以相互转化，例如，天然水晶是晶体，而熔化以后再凝结的水晶(即石英玻璃)为非晶体，故C正确；晶体有固定的熔点，在熔化过程中，温度不变，分子的平均动能不变，晶体熔化时吸收的热量全部转化为分子势能，故D正确。考向三 气体实验定律与理想气体状态方程1压强的计算(1)被活塞、汽缸封闭的气体，通常分析活塞或汽缸的受力，应用平衡条件或牛顿第二定律列式计算。(2)被液柱封闭的气体的压强，通常分析液片或液柱的受力，应用平衡条件或牛顿第二定律求解。2
17、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方程求解。(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。4在“充气、抽气、灌气(分装)、漏气”问题中通过巧选研究对象可以把变质量问题转化为定质量的问题。典例3 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)
18、。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。思路点拨(1)打开K2，A、B气体均做等温变化。(2)打开K3，判定活塞位置可用假设法。(3)再缓慢加热，汽缸内气体做等容变化。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p0Vp1V1(3p0)Vp1(
19、2VV1)联立式得V1V2p12p0(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，活塞下气体压强为p2。由玻意耳定律得(3p0)Vp2V2由式得p23VV2p0由式知，打开K3后活塞上升直到B的顶部为止；此时p2为p232p0。(3)设加热后活塞下方气体的压强为p3，气体温度从T1300 K升高到T2320 K的等容过程中，由查理定律得p2T1p3T2将有关数据代入式得p31.6p0答案(1)V2 2p0(2)上升到B的顶部(3)1.6p0规律总结应用气体实验定律的“三个重点环节”(1)正确选择研究对象：对于变质量问题要研究质量不变的部分；对
20、于多部分气体问题，要各部分独立研究，各部分之间一般通过压强及体积找联系，如典例中打开K2后的两部分气体总体积保持不变。(2)列出各状态的参量：气体在初、末状态，往往会有两个(或三个)参量发生变化，把这些状态参量罗列出来会帮助同学们比较准确、快速地找到规律，如典例中打开K2后，A部分气体体积变大，压强减小，B部分气体体积减小，压强增大。(3)认清变化过程：准确分析变化过程以便正确选用气体实验定律，如典例中打开K2后的两部分气体都为等温变化。8(2020高考山东卷)中医拔罐的物理原理是利用玻璃罐内外的气压差使罐吸附在人体穴位上，进而治疗某些疾病。常见拔罐有两种，如图所示，左侧为火罐，下端开口；右侧
21、为抽气拔罐，下端开口，上端留有抽气阀门。使用火罐时，先加热罐中气体，然后迅速按到皮肤上，自然降温后火罐内部气压低于外部大气压，使火罐紧紧吸附在皮肤上。抽气拔罐是先把罐体按在皮肤上，再通过抽气降低罐内气体压强。某次使用火罐时，罐内气体初始压强与外部大气压相同，温度为450 K，最终降到300 K，因皮肤凸起，内部气体体积变为罐容积的2021。若换用抽气拔罐，抽气后罐内剩余气体体积变为抽气拔罐容积的2021，罐内气压与火罐降温后的内部气压相同。罐内气体均可视为理想气体，忽略抽气过程中气体温度的变化。求应抽出气体的质量与抽气前罐内气体质量的比值。解析：设火罐内气体初始状态参量分别为p1、T1、V1，
22、温度降低后状态参量分别为p2、T2、V2，罐的容积为V0，由题意知p1p0、T1450 K、V1V0、T2300 K、V22021V0由理想气体状态方程得p0V0T1 p22021V0T2代入数据得p20.7p0对于抽气拔罐，设初态气体状态参量分别为p3、V3，末态气体状态参量分别为p4、V4，罐的容积为V0，由题意知p3p0、V3V0、p4p2 由玻意耳定律得p0V0p2V4联立式，代入数据得V4107 V0设抽出的气体的体积为V，由题意知VV42021V0故应抽出气体的质量与抽气前罐内气体质量的比值为mm VV4联立式，代入数据得mm 13答案：139.(2020四川成都一诊)如图所示，为
23、了测量某刚性导热容器A的容积，用细管把它与水平固定的导热汽缸B相连。汽缸中活塞的横截面积S100 cm2。起初时，环境温度T300 K，活塞离缸底距离d40 cm。现用水平向左的力F缓慢推活塞，当F1.0103 N时，活塞离缸底距离d10 cm。已知大气压强p0 1.0105 Pa。不计一切摩擦，整个装置气密性良好。求：(1)容器A的容积VA；(2)保持力F1.0103 N不变，当外界温度缓慢变化时，活塞向缸底缓慢移动了d3 cm时，此时环境温度为多少摄氏度？解析：(1)依题意，汽缸和容器内所有气体先做等温变化，有p1V1p2V2其中压缩前：p1p0，V1VAdS压缩后：p2p0FS，V2VA
24、dS代入数据，解得VA2 L。(2)依题意，接着做等压变化，有V2T2V3T3其中变化前：T2T变化后：V3V2dS代入数据，解得T270 K即t33。答案：(1)2L(2)3 10.如图所示，总体积为V的圆柱形汽缸中，有一个厚度不计的轻质活塞，活塞横截面积为S，与汽缸壁之间可以无摩擦滑动。在温度为T0、大气压强为p0的环境中，用活塞密封一定质量的空气，并在活塞上放一个质量为m的重物(mgp0S)，系统达到平衡状态后，系统的体积为V2，并与环境温度相同。为使活塞升至汽缸顶部，现用一个打气筒对汽缸充气，打气筒一次可以把一个标准大气压下体积为 V100的空气充入汽缸。(空气看作理想气体，21.41
25、4)(1)在缓慢充气的情况下，缸内气体温度不变，求至少充气多少次才能使活塞升至汽缸顶部？(2)在快速充气的情况下，缸内气体来不及散热，且每次充气可以使缸内气体温度升高 T0100，求至少充气多少次才能使活塞升至汽缸顶部？解析：(1)设至少充气n次，则n次充气的气体体积为 nV100，压强为p0，充气后压强为2p0，体积为V2，由玻意耳定律有p0nV1002p0V2解得n100次(2)设至少充气N次，则N次充气的气体体积为 NV100，压强为p0，温度为T0；汽缸原有气体体积 V2，压强为2p0，温度为T0；充气后体积为V，压强为2p0，温度为T0NT0100。由理想气体状态方程，得p0NV10
26、02p0V2T0 2p0VT0NT0100整理得到(1 N100)22解得N100(21)根据题意，取N42次答案：(1)100次(2)42次考向四 气体的状态变化图像与热力学定律的综合问题1一定质量的理想气体的状态变化图像类别图像特点其他图像pVCT(其中C为恒量)，pV之积越大，温度越高，等温线离原点越远等温线pCT1V，斜率kCT，即斜率越大，温度越高 等容线pCVT，斜率kCV，即斜率越大，体积越小 等压线VCpT，斜率kCp，即斜率越大，压强越小 2.对热力学第一定律的考查(1)定性判断利用题中的条件和符号法则对W、Q、U中的其中两个量做出准确的符号判断，然后利用UWQ对第三个量做出
27、判断。(2)定量计算一般计算等压变化过程的功，即WpV，然后结合其他条件，利用UWQ进行相关计算。(3)注意符号正、负的规定若研究对象为气体，对气体做功的正、负由气体体积的变化决定。气体体积增大，气体对外界做功，W0。典例4(2020高考山东卷)一定质量的理想气体从状态a开始，经ab、bc、ca三个过程后回到初始状态a，其pV图像如图所示。已知三个状态的坐标分别为a(V0，2p0)、b(2V0，p0)、c(3V0，2p0)。以下判断正确的是()A气体在ab过程中对外界做的功小于在bc过程中对外界做的功B气体在ab过程中从外界吸收的热量大于在bc过程中从外界吸收的热量C在ca过程中，外界对气体做
28、的功小于气体向外界放出的热量D气体在ca过程中内能的减少量大于bc过程中内能的增加量C 解析 根据气体做功的表达式WFxpSxpV可知pV图线和横轴围成的面积即为做功大小，所以气体在ab过程中对外界做的功等于bc过程中对外界做的功，A错误；气体从ab，由 pVT C可知，TaTb，所以Uab0，根据热力学第一定律UQW可知0QabWab，气体从bc，温度升高，所以Ubc0，根据热力学第一定律可知UbcQbcWbc，结合A选项可知WabWbcQab，即bc过程气体吸收的热量大于ab过程吸收的热量，B错误；气体从ca，温度降低，所以Uca0，根据热力学第一定律可知Qca0，放出热量，且Wca|Qc
29、a|，C正确；理想气体的内能只与温度有关，根据TaTb可知从|Tca|Tbc|，所以气体从ca过程中内能的减少量等于bc过程中内能的增加量，D错误。方法技巧应用热力学定律做到“三看”“三想”(1)看到“绝热过程”，想到Q0，则WU。(2)看到“等容过程”，想到W0，则QU。(3)看到“等温过程”，想到U0，则WQ0。11(2020山东省聊城市高三下学期二模)如图所示，一定质量的理想气体从状态A依次经过状态B、C和D后再回到状态A，其中，AB和CD为等温过程，BC和DA为绝热过程，这就是著名的“卡诺循环”。下列说法正确的是()AAB过程中，气体和外界无热交换BBC过程中，气体分子的平均动能增大C
30、CD过程中，单位时间内碰撞单位面积器壁的分子数增多DDA过程中，气体分子的速率分布曲线不发生变化C 解析：AB过程中，等温膨胀，体积增大，气体对外界做功，温度不变，内能不变，气体吸热，故A错误；BC过程中，绝热膨胀，气体对外做功，内能减小，温度降低，气体分子的平均动能减小，故B错误；CD过程中，等温压缩，体积变小，分子数密度变大，单位时间内碰撞单位面积器壁的分子数增多，故C正确；DA过程，绝热压缩，外界对气体做功，内能增加，温度升高，分子平均动能增大，气体分子的速率分布曲线发生变化，故D错误。12.(多选)如图是一定质量的理想气体的pT图像，气体从abca完成一次循环。关于气体的变化过程，下列
31、说法正确的是()A气体在a态的体积Va小于在c态的体积VcBab过程气体的分子数密度变大Cbc过程外界对气体做的功等于气体放出的热量Dca过程气体压强增大，从微观讲是由于气体分子与器壁碰撞的频繁程度增大引起的AD 解析：ca过程气体压强增大，温度降低，根据 pVT C可知体积减小，故气体在a态的体积Va小于在c态的体积Vc，故A正确；ab过程是等容变化，气体的分子数密度不变，故B错误；bc过程是等温变化，气体内能不变，U0，气体体积增大，气体对外界做功，W0，气体吸收热量，由以上分析可知，bc过程气体对外界做的功等于气体吸收的热量，故C错误；ca过程温度降低，气体分子的平均动能减小，气体压强增大，体积减小，气体的分子数密度增大，所以从微观讲是由于气体分子与器壁碰撞的频繁程度增大引起的，故D正确。13一定质量的理想气体经历了如图所示的状态变化。已知从A到B的过程中，气体的内能减少了300 J，气体在状态C时的温度TC300 K，则从A到B气体放出的热量是_J；气体在状态A时的温度为_K。解析：从A到B，外界对气体做功，有WpV15104(82)103 J900 J根据热力学第一定律UWQ得QUW1 200 J即从A到B气体放出的热量是1 200 J。根据理想气体状态方程有pAVATA pCVCTC解得TA1 200 K。答案：1 200 1 200限时练通高考 点击进入word.
