高三物理一轮总复习 专题13.4 温度和温标 内能名师伴学

专题13.4 温度和温标内能
课前预习● 自我检测
1．下列有关“温度”的概念的说法中正确的是( )
A．温度反映了每个分子热运动的剧烈程度
B．温度是分子平均动能的标志
C．一定质量的某种物质，内能增加，温度一定升高
D．温度升高时物体的每个分子的动能都将增大
【答案】 B
【解析】温度是分子平均动能的标志，而对某个确定的分子来说，其热运动的情况无法确定，不能用温度反映．故A、D错，B对；温度不升高而仅使分子的势能增加，也可以使物体内能增加，冰熔化为同温度的水就是一个例证，故C错．
2． (多选)两分子间的斥力和引力的合力F与分子间距离r的关系如图中曲线所示，曲线与r轴交点的横坐标为r0.相距很远的两分子在分子力作用下，由静止开始相互接近．若两分子相距无穷远时分子势能为零，下列说法正确的是( )
A．在r>r0阶段，F做正功，分子动能增加，势能减小
B．在r<r0阶段，F做负功，分子动能减小，势能也减小
C．在r＝r0时，分子势能最小，动能最大
D．在r＝r0时，分子势能为零
E．分子动能和势能之和在整个过程中不变
【答案】ACE
3．下列关于分子力和分子势能的说法正确的是( )
A．当分子力表现为引力时，分子力和分子势能总是随分子间距离的增大而增大
B．当分子力表现为引力时，分子力和分子势能总是随分子间距离的增大而减小
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．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减小
【答案】 C
4．下列关于物体内能的说法正确的是( )
A．同一个物体，运动时比静止时的内能大
B．1 kg 0 ℃的水的内能比1 kg 0 ℃的冰的内能大
C．静止的物体的分子平均动能为零
D．物体被举得越高，其分子势能越大
【答案】 B
【解析】物体的内能与其宏观运动状态无关，A错；1 kg 0 ℃的水变成1 kg 0 ℃的冰要放出热量，故1 kg 0 ℃的水的内能大，B对；静止的物体的动能为零，但分子在永不停息地运动，其分子平均动能不为零，同理被举高的物体，势能增加，但其体积不变，分子势能不变，故C、D错.
课堂讲练● 典例分析
知识点一、状态参量与平衡态
1．热力学系统和外界
(1)热力学系统：由大量分子组成的研究对象叫做热力学系统，简称系统．
(2)外界：系统之外与系统发生相互作用的其他物体统称外界．
2．状态参量：用来描述系统状态的物理量．常用的状态参量有体积V、压强p、温度T 等．
3．平衡态：在没有外界影响的情况下，系统所有性质都不随时间而变化的稳定状态．
(1)热力学的平衡态是一种动态平衡，组成系统的分子仍在不停地做无规则运动，只是分子运动的平均效果不随时间变化，表现为系统的宏观性质不随时间变化．
(2)平衡态是一种理想情况，因为任何系统完全不受外界影响是不可能的．
知识点二、热平衡与温度
1．热平衡：两个相互接触的热力学系统，最后系统的状态参量都不再改变，这时两个系
统具有“共同性质”，我们就说这两个系统达到了热平衡．
2．热平衡定律：如果两个系统分别与第三个系统达到热平衡，那么这两个系统彼此之间也必定处于热平衡．
3．温度：热平衡中具有的“共同热学性质”叫做温度．这就是温度计能够用来测量温度的基本原理．
知识点三：分子动能
1．分子动能
做热运动的分子跟运动的物体一样也具有动能，这就是分子动能．
(1)物体由大量分子组成，每个分子都有分子动能且不为零．
(2)分子在永不停息地做无规则热运动，每个分子动能大小不同并且时刻在变化．
(3)热现象是大量分子无规则运动的统计结果，个别分子的动能没有实际意义．
2．分子的平均动能
热现象研究的是大量分子运动的宏观表现，重要的不是系统中某个分子的动能大小，而是所有分子的动能的平均值，叫做分子平均动能．
(1)温度是大量分子无规则热运动的宏观表现，具有统计意义．温度升高，分子平均动能增大，但不是每一个分子的动能都增大．个别分子动能可能增大也可能减小，个别分子甚至几万个分子热运动的动能大小与温度是没有关系的，但总体上所有分子的动能之和一定是增加的．
(2)只要温度相同，任何分子的平均动能都相同．由于不同物质的分子质量不尽相同，所以同一温度下，不同物质的分子运动平均速率大小一般不相同．
3．温度的微观解释
温度是物体分子热运动平均动能的标志．
知识点四：分子势能
1．定义：由分子间的分子力和分子间的相互位置决定的能．
2．决定因素
(1)宏观上：分子势能的大小与物体的体积有关．
(2)微观上：分子势能与分子之间的距离有关．
3．分子势能与分子力做功的关系
(1)分子力做正功，分子势能减少，分子力做了多少正功，分子势能就减少多少．
(2)分子力做负功，分子势能增加，克服分子力做了多少功，分子势能就增加多少．
4．分子势能与分子间距的关系
如图所示，为分子间作用力F合和分子势能E p随r变化的图象．可以看到：
(1)当r＝r0时，F合＝0，E p最小(若以分子间距无限远处为0势能点，则此时E p<0)．
(2)当r>r0时，F合<0，即为引力，所以此时增大r，克服分子力做功，E p增大．
(3)当r<r0时，F合>0即为斥力，所以此时减小r，克服分子力做功，E p增大．
5．分子势能与体积的关系
分子势能与体积有关，一般体积变化，势能就变化(气体除外)，但不能说体积变大，势能就变大．
知识点五：内能
1．定义：物体中所有分子热运动动能与分子势能的总和．
2．内能的普遍性：组成任何物体的分子都在做无规则的热运动，所以任何物体都具有内能．
3．决定因素
(1)物体所含的分子总数由物质的量决定．
(2)分子的热运动平均动能由温度决定．
(3)分子势能与物体的体积有关，故物体的内能由物质的量、温度、体积共同决定，同时受物态变化的影响．
4．内能与机械能的区别和联系
【典例1】下列关于系统是否处于平衡态的说法正确的是( )
A．将一根铁丝的一端插入100 ℃的水中，另一端插入0 ℃的冰水混合物中，经过足够长的时间，铁丝处于平衡态
B．两个温度不同的物体相互接触时，这两个物体组成的系统处于非平衡态
C．0 ℃的冰水混合物放入1 ℃的环境中，冰水混合物处于平衡态
D．压缩密闭容器中的空气，空气处于平衡态
【答案】 B
【反思总结】
1两步法判断热力学系统是否处于平衡态
（1）判断热力学系统是否受到外界的影响.
（2）判断系统的状态参量压强、体积和温度是否发生变化.如果系统不受外界的影响，且状态参量不发生变化，系统就处于平衡态，否则就是非平衡态.
2. 处理平衡态的问题要注意以下三点
（1）平衡态与热平衡不同，平衡态指的是一个系统内部达到的一种动态平衡．
（2）必须要经过较长一段时间，直到系统内所有性质都不随时间变化为止．
（3）系统与外界没有能量的交换．
【典例2】对不同的物体而言，下列说法中不正确的是( )
A．高温物体内分子的平均动能一定比低温物体内分子的平均动能大
B．高温物体内每一个分子的动能一定大于低温物体内每一个分子的动能
C．高温物体内分子运动的平均速率一定比低温物体内分子运动的平均速率大
D．高温物体内每一个分子运动的速率一定大于低温物体内每一个分子运动的速率
E．若两物体的质量和温度都相同，两物体分子热运动的总动能不一定相等
【答案】BCD
【解析】温度是分子平均动能的标志，温度高的物体，分子的平均动能一定大，但分子的平均速率不一定大，因为不同物质分子的质量不同；对单个分子的速率、动能讨论温度是没有意义的，因为温度是大量分子表现出的宏观规律；虽然物体质量和分子平均动能都相等，由于摩尔质量不同，分子数目不同，总动能不一定相等．
【典例3】．相同质量的氧气和氢气温度相同，下列说法不正确的是( )
A．每个氧分子的动能都比氢分子的动能大
B．每个氢分子的速率都比氧分子的速率大
C．两种气体的分子平均动能一定相等
D．两种气体的分子平均速率一定相等
E．氢气分子的平均速率大于氧气分子的平均速率
【答案】ABD
【反思总结】
理解分子动能的三点注意
(1)温度是分子平均动能的“标志”或者说“量度”，温度只与物体内大量分子热运动的统计意义上的平均动能相对应，与单个分子的动能没有关系．
(2)每个分子都有分子动能且不为零，热现象是大量分子无规则运动的统计结果，个别分子动能没有实际意义．
(3)温度高的物体，分子的平均速率不一定大，还与分子质量有关．
【典例4】关于分子势能，下列说法正确的是( )
A．分子间表现为引力时，分子间距离越小，分子势能越小
B．分子间表现为斥力时，分子间距离越小，分子势能越小
C．物体在热胀冷缩时，分子势能发生变化
D．物体在做自由落体运动时，分子势能越来越小
E．分子间分子力为零时；分子势能最小
【答案】ACE
【典例5】．如图所示，甲分子固定在坐标原点O，乙分子位于x轴上，甲分子对乙分子的作用力与两分子间的距离的关系如图中曲线所示．F＞0为斥力，F＜0为引力．a、b、c、d 为x轴上四个特定的位置．现把乙分子从a处由静止释放，则( )
A．乙分子由a到b做加速运动，由b到c做减速运动
B．乙分子由a到c做加速运动，到达c时速度最大
C．乙分子由a到b的过程中，两分子间的分子势能一直减小
D．乙分子由b到d的过程中，两分子间的分子势能一直增大
E．乙分子由b到d的过程中，两分子间的分子势能先减小后增加
【答案】BCE
【解析】乙分子由a运动到c的过程，一直受到甲分子的引力作用而做加速运动，到c 时速度达到最大，而后受甲的斥力作用做减速运动，A错，B对；乙分子由a到b的过程所受引力做正功，分子势能一直减小，C正确；而乙分子从b到d的过程，先是引力做正功，分子势能减少，后来克服斥力做功，分子势能增加，故D错，E对．
【反思总结】
分子势能图象问题的解题技巧
(1)首先要明确分子势能、分子力与分子间距离关系图象中拐点意义的不同．分子势能图象的最低点(最小值)对应的距离是分子平衡距离r0，而分子力图象的最低点(引力最大值)对
应的距离大于r0.
分子势能图象与r轴交点的距离小于r0，分子力图象与r轴交点表示平衡距离r0.
(2)其次要把图象上的信息转化为分子间距离，再求解其他问题．
【典例6】．下列有关温度与分子动能、物体内能的说法中正确的是( )
A．温度升高，每个分子的动能一定都变大
B．温度升高，分子的平均速率一定变大
C．温度升高时，分子的平均动能一定变大
D．温度降低，物体的内能必然变小
E．温度降低，物体的内能可能增大
【答案】BCE
【典例7】．一辆运输瓶装氧气的货车，由于某种原因，司机紧急刹车，最后停下来，则下列说法不正确的是( )
A．汽车机械能减小，氧气内能增加
B．汽车机械能减小，氧气内能减小
C．汽车机械能减小，氧气内能不变
D．汽车机械能减小，汽车(轮胎)内能增加
E．汽车机械能减小，汽车(轮胎)内能减小
【答案】ABE
【解析】氧气温度不变，体积没变，内能不变，A、B错，C对；汽车机械能减小，转化为内能，D对，E错．
【反思总结】
对内能理解的要点
1．内能是一种与分子热运动及分子间相互作用相关的能量形式，与物体宏观有序运动状态无关，它取决于物质的量、温度、体积及物态；
2．研究热现象时，一般不考虑机械能，在机械运动中有摩擦时，有可能发生机械能转化为内能．
3．物体温度升高，内能不一定增加；温度不变，内能可能改变；温度降低，内能可能增加．
课后巩固● 课时作业
1．下列关于热平衡定律的理解，正确的是( )
A．两系统的温度相同时，才能达到热平衡
B．A、B两系统分别与C系统达到热平衡，则A、B两系统达到热平衡
C．甲、乙、丙物体温度不相等，先把甲、乙接触，最终达到热平衡，再将丙与乙接触最终也达到热平衡，则甲、丙是处于热平衡的
D．热平衡时，两系统的温度相同，压强、体积也一定相同
E．温度是决定两个系统是否达到热平衡状态的唯一物理量
【答案】ABE
【解析】两个系统达到热平衡的标志是它们温度相同但压强、体积不一定相同，故A、
B、E对，
C、D错．
2. 关于热平衡，下列说法正确的是( )
A．系统甲与系统乙达到热平衡就是它们的温度达到相同的数值
B．标准状况下冰水混合物与0 ℃的水未达到热平衡
C．量体温时温度计需和身体接触达到5 min是为了让温度计跟身体达到热平衡
D．冷热程度相同的两系统处于热平衡状态
E．两个处于热平衡的系统，温度可以有微小的差别
【答案】ACD
3．气体内能是所有气体分子热运动动能和势能的总和，其大小与气体的状态有关，分子热运动的平均动能与分子间势能分别取决于气体的哪些因素，下列说法不正确的是 ( ) A．温度和体积 B．体积和压强
C．温度和分子间距离 D．温度和压强
E．压强和温度
【答案】BDE
【解析】温度是分子平均动能的标志．温度高，分子平均动能大．分子间势能与分子间距离r有关，分子间距离r变化，分子间势能就发生变化，所以A、C正确．【答案】是B、D、E.
4．容器中盛有冰水混合物，冰的质量和水的质量相等且保持不变，则下列说法不正确的是( )
A．冰的分子平均动能大于水的分子平均动能
B．水的分子平均动能大于冰的分子平均动能
C．冰和水的分子平均动能相等
D．水的内能大于冰的内能
E．冰的内能大于水的内能
【答案】ABE
【解析】冰水混合物温度为0 ℃，冰、水温度相同，故二者分子平均动能相同，A、B 错，C对；水分子势能大于冰分子势能，故等质量的冰、水内能相比较，水的内能大于冰的内能，D对，E错．
5．关于物体内能，下列说法中正确的是( )
A．每一个分子的动能与分子势能的和叫物体的内能
B．物体所有分子的动能与分子势能的总和叫物体的内能
C．一个物体，当它的机械能发生变化时，其内能也一定发生变化
D．一个物体内能的多少与它的机械能多少无关
E．物体的温度不变，体积减小时，物体的内能可能减小
【答案】BDE
6．下列关于分子力和分子势能的说法中，不正确的是( )
A．当分子力表现为引力时，分子力和分子势能总是随分子间距离的增大而增大
B．当分子力表现为引力时，分子力和分子势能总是随分子间距离的增大而减小
C．当分子力表现为引力时，分子力先增大后减小，分子势能增大
D．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
E．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减小
【答案】ABE
【解析】当分子力表现为引力时，分子间距离r>r0，随分子间距离的增大，分子力先增大后减小，分子势能增大，A、B错，C对．当分子力表现为斥力时，分子间距离r<r0，随分子间距离的减小，分子力和分子势能都增大，D对，E错．
7．甲、乙两个分子相距较远，它们间的分子力为零，在它们逐渐接近到不能再接近的全过程中，分子力大小的变化和分子势能大小的变化情况不正确的是( ) A．分子力先增大，后减小；分子势能一直减小
B．分子力先增大，后减小；分子势能先减小，后增大
C．分子力先增大，再减小，后又增大；分子势能先减小，再增大，后又减小
D．分子力先增大，再减小，后又增大；分子势能先减小，后增大
E．分子力为零时，分子势能最小
【答案】ABC
8．把一个物体竖直下抛，下列哪种情况是在下落的过程中发生的(不考虑空气阻力)( )
A．物体的动能增加，分子的平均动能也增加
B．物体的重力势能减少，分子势能却增加
C．物体的重力势能减少，分子的平均动能和分子势能都保持不变
D．物体的机械能保持不变
E．物体的内能保持不变
【答案】CDE
【解析】物体下落的过程，不考虑空气阻力，只有重力做功，机械能不变；物体下落
过程中，物体的温度和体积也没有发生变化，所以分子热运动的平均动能和分子势能都保持不变．因此，选项A、B错误，C、D、E正确．。