1、高考物理,新高考专用,专题十四 热学,考点一分子动理论内能,一、物体是由大量分子组成的1.分子的大小极小分子直径的数量级:10-10 m。分子直径可用油膜法估测。2.分子的质量很小,一般物质分子质量的数量级是:10-26 kg。,3.阿伏加德罗常数定义:1 mol的任何物质中含有相同的微粒个数,用符号NA表示,NA=6.021023 mol-1。阿伏加德罗常数是联系宏观和微观的桥梁。,4.分子的两种理想模型球模型:V=d3。立方体模型:V=d3。,二、分子永不停息地做无规则热运动扩散现象和布朗运动都说明分子在做无规则热运动,运动的剧烈程度与温度有关。1.扩散现象:相互接触的物体互相进入对方的现
2、象。温度越高,扩散越快。,2.布朗运动产生的原因:各个方向的液体分子对颗粒碰撞的不平衡。布朗运动的特点:布朗颗粒:布朗颗粒用肉眼直接看不到,但在显微镜下能看到,因此用肉眼看到的颗粒所做的运动,不能叫布朗运动。布朗颗粒直径约为10-6 m,而分子直径约为10-10 m,布朗颗粒的运动是分子无规则热运动的间接反映。,3.布朗运动和热运动的比较,三、分子间存在着相互作用力1.分子间同时存在相互作用的引力和斥力。2.分子力:引力和斥力的合力。3.r0为分子间引力和斥力大小相等时的距离,其数量级为10-10 m。,4.如图所示,分子间的引力和斥力都随分子间距离的增大而减小,随分子间距离的减小而增大,但引
3、力不如斥力变化快。r=r0时,F引=F斥,分子力F=0。rr0时,F引F斥,分子力F为引力。r10r0时,F引、F斥迅速减弱,几乎为零,分子力F0。,四、物体内能1.分子动能1)分子运动速率分布气体分子运动的速率按一定的规律分布,速率太大或速率太小的分子数目都很少。温度升高,分子运动的平均速率增大,且速率大的分子数增多,速率小的分子数减少,仍是“中间多,两头少”的分布规律。,2)概念:分子做热运动所具有的动能。3)特点:因分子热运动永不停息,分子动能永不为零。4)分子平均动能物体内所有分子动能的平均值。,温度是分子平均动能的标志。温度越高,分子平均动能越大,分子热运动越剧烈。温度相同时分子平均
4、动能一定相等。决定分子总动能的两个因素:分子平均动能(即物体的温度)、分子数目,2.分子势能1)定义:分子间存在着相互作用力,具有由分子间相对位置所决定的能量,叫作分子势能。2)与r的关系当rr0时,分子力表现为引力,随着r的增大,需不断克服分子引力做功,分子势能增大。当rr0时,分子力表现为斥力,随着r的减小,需不断克服分子斥力做功,分子势能增大。当r=r0时,分子力为零,分子势能为最小值。3)分子势能曲线:规定无限远(r)处分子势能为零时,分子势能曲线如图所示。,4)与体积的关系:宏观上,分子势能与物体的体积有关。物体体积改变,分子势能必定发生改变。大多数物质是体积越大,分子势能也越大;也
5、有少数反常物质,体积越大,分子势能反而越小。5)功能关系:分子力做功是分子势能变化的量度,分子力做正功分子势能减小,分子力做负功分子势能增大,分子势能变化量等于分子力所做功的负值。,3.物体的内能1)定义:物体内所有分子势能和分子动能的总和。2)决定内能的因素微观上:分子平均动能、分子势能、分子个数。宏观上:温度、体积、物质的量。3)改变物体的内能有两种方式做功:当做功使物体的内能发生改变的时候,外界对物体做了多少功,物体内能就增加多少;物体对外界做了多少功,物体内能就减少多少。热传递:当热传递使物体的内能发生改变的时候,物体吸收了多少热量,物体内能就增加多少;物体放出了多少热量,物体内能就减
6、少多少。,注意:温度相同的任意两个物体的分子平均动能相同,如温度相同的氢气和氧气分子平均动能相同,但由于氢气分子质量小于氧气分子质量,故氢气分子平均速率大于氧气分子平均速率。做功和热传递在改变物体内能上是等效的。,考点二固体、液体和气体,一、固体固体可分为晶体和非晶体,晶体又可分为单晶体和多晶体。,二、液体,1.液体的表面张力1)定义:作用在液体表面上的并使液体表面绷紧的力叫液体的表面张力。2)作用:液体的表面张力使液面具有收缩到表面积最小的趋势。3)方向:液体的表面张力跟液面相切,且跟这部分液面的分界线垂直。4)大小:表面张力的大小除与分界线长度有关外,还跟液体的种类、温度有关。5)表面张力
7、是根据效果命名的力,是液体表面层内大量分子力的宏观表现。,2.浸润和不浸润1)浸润:一种液体会润湿某种固体并附着在固体的表面上,这种现象叫作浸润。2)不浸润:一种液体不会润湿某种固体,也就不会附着在这种固体的表面,这种现象叫作不浸润。成因:浸润和不浸润是分子力作用的表现。3)毛细现象:浸润液体在细管中上升的现象,以及不浸润液体在细管中下降的现象。,3.液晶1)定义: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,人们把这些化合物叫液晶。2)物理性质具有液体的流动性;具有晶体的光学各向异性;在某个方向上看其分子排列比较整齐,但从另一个方向看,分子的排列是杂乱无章的。,4
8、.饱和汽、饱和汽压和相对湿度1)动态平衡:单位时间内回到水面上的分子数等于从水面出去的分子数。2)饱和汽:与液体处于动态平衡的蒸汽。3)未饱和汽:没有达到饱和状态的蒸汽。4)饱和汽压:在一定温度下,饱和汽的分子数密度是一定的,因而饱和汽的压强也是一定的,这个压强叫作这种液体的饱和汽压。5)绝对湿度:空气里所含水蒸气的压强。6)相对湿度:在某一温度下,水蒸气的压强与同温度下饱和汽压的比。相对湿度=,即B=100%。,三、气体,1.描述气体状态的物理量1)体积V几何参量:确定系统的空间范围。2)压强p力学参量:确定外界与系统之间或系统内部各部分之间力的作用。3)温度T热学参量:确定系统的冷热程度。
9、4)气体压强的微观解释产生机理:气体对容器的压强是大量气体分子不断撞击器壁的结果。器壁单位面积上受到的压力就是气体的压强。,决定因素,2.气体实验定律,3.理想气体状态方程1)理想气体:把在任何温度、任何压强下都遵从气体实验定律的气体称为理想气体。在压强不太大、温度不太低时,实际气体可以看作理想气体。理想气体的分子间除碰撞外不考虑其他作用,一定质量的某种理想气体的内能仅由温度决定。2)理想气体状态方程:=(质量一定的理想气体)。,考点三热力学定律与能量守恒定律,一、热力学第一定律1)内容:外界对物体做的功W与物体从外界吸收的热量Q之和等于物体内能的增量U。2)表达式:U=W+Q。3)符号规定,
10、二、热力学第二定律1.两种表述1)热量不能自发地从低温物体传到高温物体。2)不可能从单一热库吸收热量,使之完全变成功而不产生其他影响。2.任何自然过程中,一个孤立系统的总熵不会减少。3.一切自发过程总是朝着分子热运动无序性增大的方向进行。,4.热力学过程方向性实例1)高温物体低温物体2)功热3)气体体积V1气体体积V2(较大)4)不同气体A和B混合气体AB,三、能量守恒定律1.能量守恒定律的内容:能量既不会凭空产生,也不会凭空消失,它只能从一种形式转化为另一种形式,或者是从一个物体转移到别的物体,在转化或转移的过程中其总量保持不变。2.条件性:能量守恒定律是自然界的普遍规律,某一种形式的能是否
11、守恒是有条件的,例如,机械能守恒定律具有适用条件,而能量守恒定律是无条件的,是一切自然现象都遵守的基本规律。,3.两类永动机1)第一类永动机:不消耗任何能量,却源源不断地对外做功的机器。违背能量守恒定律,因此不可能实现。2)第二类永动机:从单一热库吸收热量并把它全部用来对外做功,而不引起其他变化的机器。违背热力学第二定律,不可能实现。,拓展一微观量的计算,1.微观量:分子的质量m0,分子体积V0,分子直径d。2.宏观量:物质的质量m,体积V,密度,摩尔质量M,摩尔体积Vmol。,3.物理量的计算1)阿伏加德罗常数:NA=。2)分子的质量:m0=。3)分子的体积:V0=。对于气体,由于分子间空隙
12、很大,V0指的是一个分子所占据的活动空间。4)分子的大小:球模型直径d=,立方体模型棱长d=。5)物质所含的分子数:N=nNA=NA=NA。,例1已知汞的摩尔质量为M=200.510-3 kg/mol,密度为=13.6103 kg/m3,阿伏加德罗常数NA=6.01023 mol-1。求:(1)一个汞原子的质量(用相应的字母表示即可);(2)一个汞原子的体积(结果保留一位有效数字);(3)体积为1 cm3的汞中汞原子的个数(结果保留一位有效数字)。,解析(1)一个汞原子的质量为m0=。(2)一个汞原子的体积为V0=m3210-29 m3。(3)1 cm3的汞中含汞原子的个数N=41022(个)
13、。,答案见解析,拓展二气体状态方程与热力学第一定律的综合应用,1.热力学第一定律的四种典型过程1)若过程是绝热的,热力学第一定律表达式U=W+Q中的Q=0,则W=U,其含义为外界对物体做的功等于物体内能的增加量;2)若过程中不做功,即W=0,则Q=U,物体吸收的热量等于物体内能的增加量;3)若过程的初、末状态物体的内能不变,即U=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。4)若是等压膨胀,气体对外做的功为W=pV。,2.解题思路,注意:题中有图像的,解题时先由=C求出竖直轴的表达式,从而可以找出图像上的点与到原点连线斜率的物理含义,找到解题突破口。,例2如图所示,内壁光滑
14、、足够高的圆柱形汽缸竖直放置,内有一质量为m的活塞封闭一定质量的理想气体。已知活塞横截面积为S,外界大气压强为p0,缸内气体温度为T1。现对汽缸内气体缓慢加热,使气体体积由V1增大到V2,该过程中气体吸收的热量为Q1,停止加热并保持体积V2不变,使其降温到T1,已知重力加速度为g,求:(1)停止加热时缸内气体的温度;(2)降温过程中气体放出的热量。,解析(1)因为是缓慢加热,故加热过程中气体等压膨胀,由=,得:T2=T1。(2)设缓慢加热过程中,从开始加热到加热结束,封闭气体内能增加U。由热力学第一定律知:U=Q1+W缓慢加热可认为活塞处于平衡状态,对活塞受力分析有pS=p0S+mg;V2-V
15、10,气体对外做功,W为负,故W=-pV=-(p0+)(V2-V1)从停止加热到降温为T1的过程,由于理想气体内能只与温度有关,故再次降温到T1时,放出的热量等于加热过程中内能的增量U,即Q2=UQ2=Q1-(p0+)(V2-V1)。,答案(1)T1(2)Q1-(p0+)(V2-V1),模型一气体的变质量问题模型分析气体质量改变问题时,可以通过巧妙地选择合适的研究对象,使这类问题转化为质量一定的气体问题,用气体实验定律或理想气体状态方程求解。,1.打气问题选择原有气体和即将充入的气体整体作为研究对象。2.抽气问题把抽气过程中抽出的气体和剩余气体整体作为研究对象,可看成质量不变的等温膨胀过程。3
16、.灌气分装把大容器中的剩余气体和多个小容器中的气体整体作为研究对象。,4.漏气问题选容器内剩余气体和漏出气体整体作为研究对象,便可使漏气过程中气体质量变化问题转化为一定质量气体问题。,例1某自行车轮胎的容积为V,里面已有压强为p0的空气,现在要使轮胎内的气压增大到p,设充气过程为等温过程,空气可看作理想气体,轮胎容积保持不变,则还要向轮胎充入温度相同、压强也是p0的空气的体积为()A.VB.VC.VD.V,解析设需再充入体积为Vx的空气,把轮胎里体积为V的空气和外面体积为Vx的空气当作一定质量的理想气体,充气过程为等温过程,有p0(V+Vx)=pV,得到Vx=V,C正确。,答案C,模型二气体关
17、联模型,1.汽缸活塞类模型1)确定研究对象热学研究对象(一定质量的理想气体);力学研究对象(汽缸或活塞)。2)分析物理过程对热学研究对象明确初、末状态及状态变化过程,依据气体实验定律列出方程;对力学研究对象要正确地进行受力分析,依据力学规律列出方程。3)挖掘题目的隐含条件,如几何关系等,列出辅助方程。4)关联气体分析时应分别研究各部分气体,找出它们各自遵循的规律,并写出相应的方程,还要写出各部分气体之间压强或体积的关系式,最后联立求解。,2.玻璃管液柱模型1)液体因重力产生的压强为p=gh(其中h为液体的高度);2)不要漏掉大气压强,同时又要尽可能平衡掉某些大气的压力;3)有时可直接应用连通器
18、原理连通器内静止的液体,同种液体在同一水平面上各处压强相等;4)当液体为水银时,可灵活应用压强单位“cmHg”,使计算过程简捷。,3.两类气体压强计算的比较,例2如图,两个侧壁绝热、顶部和底部都导热的相同汽缸直立放置,汽缸底部和顶部均有细管(容积可忽略)连通,顶部的细管带有阀门K。两汽缸的容积均为V0,汽缸中各有一个绝热活塞(质量不同,厚度可忽略)。开始时K关闭,两活塞下方和右活塞上方充有气体(可视为理想气体),压强分别为p0和;左活塞在汽缸正中间,其上方为真空;右活塞上方气体体积为V0/4。现使汽缸底与一恒温热源接触,平衡后左活塞升至汽缸顶部,且与顶部刚好没有接触;然后打开K,经过一段时间,
19、重新达到平衡。已知外界温度为T0,不计活塞与汽缸壁间的摩擦。求:,()恒温热源的温度T;()重新达到平衡后左汽缸中活塞上方气体的体积Vx。,解析()与恒温热源接触后,在K未打开时,右活塞不动,两活塞下方的气体经历等压过程,由盖-吕萨克定律得=由此得T=T0()汽缸底与恒温热源接触前,对左右活塞有p0S=m左g、p0S=m右g,故m左=m右;打开K后,两活塞下方气体压强、温度都相同,故平衡时左活塞下降至某一位置,右活塞升至汽缸顶。,设左活塞上方气体压强为p,汽缸顶部导热,温度始终为T0,由玻意耳定律得对上方气体,pVx=对下方气体,从打开K到重新平衡,温度始终为T,故有(p+p0)(2V0-Vx
20、)=p0V0联立可得6-V0Vx-=0,其解为Vx=V0另一解Vx=-V0不合题意,舍去。,答案()T0(),例3竖直放置的一粗细均匀的U形细玻璃管中,两边分别灌有水银,水平部分有一空气柱,各部分长度如图所示,单位为cm。现将管的右端封闭,从左管口缓慢倒入水银,恰好使水平部分右端的水银全部进入右管中。已知大气压强p0=75 cmHg,环境温度不变,左管足够长。求:,(1)此时右管封闭气体的压强;(2)左管中需要倒入水银柱的长度。,解析(1)设玻璃管的横截面积为S,对右管中的气体,由玻意耳定律有:p1V1=p2V2p1=p0,V1=30 cmS,V2=25 cmS解得:p2=90 cmHg(2)对水平部分的空气柱,初态:p=p0+15 cmHg=90 cmHg,V=11 cmS末态:p=p2+20 cmHg=110 cmHg根据玻意耳定律:pV=pV,解得V=9 cmS,则水平部分的空气柱长度变为9 cm,此时原来左侧竖直管中15 cm水银柱已有7 cm进入到水平部分,所以左侧部分倒入水银柱的长度应该是110 cm-75 cm-(15-7)cm=27 cm,答案(1)90 cmHg(2)27 cm,
