物理选修3-3固体-液体和气体

第2讲固体液体和气体知识一固体和液体分类比较晶体非晶体单晶体多晶体外形规则不规则熔点确定不确定物理性质各向异性各向同性原子排列有规则，但多晶体每个晶体间的排列无规则无规则形成与转化有的物质在不同条件下能够形成不同的形态．同一物质可能以晶体和非晶体两种不同的形态出现，有些非晶体在一定条件下也可转化为晶体典型物质石英、云母、食盐、硫酸铜玻璃、蜂蜡、松香(1)作用：液体的表面力使液面具有收缩的趋势．(2)方向：表面力跟液面相切，跟这部分液面的分界线垂直．3．液晶的物理性质(1)具有液体的流动性．(2)具有晶体的光学各向异性．(3)从某个方向上看其分子排列比较整齐，但从另一方向看，分子的排列是杂乱无章的．(1)只有单晶体和液晶具有各向异性的特性，多晶体和非晶体都是各向同性．(2)液体表面力是液体表面分子作用力的表现．液体表面分子间的作用力表现为引力．(3)浸润与不浸润也是表面力的表现．知识二饱和汽、饱和汽压和湿度1．饱和汽与饱和汽压(1)饱和汽与未饱和汽①饱和汽：与液体处于动态平衡的蒸汽．②未饱和汽：没有达到饱和状态的蒸汽．(2)饱和汽压①定义：饱和汽所具有的压强．②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．2．湿度(1)定义：空气的干湿程度．(2)描述湿度的物理量①绝对湿度：空气中所含水蒸气的压强．②相对湿度：某温度时空气中水蒸气的压强与同一温度时饱和水汽压的百分比，即：B ＝pp s×100 %. 知识三 气体分子动理论和气体压强1．气体分子之间的距离大约是分子直径的10倍，气体分子之间的作用力十分微弱，可以忽略不计．2．气体分子的速率分布，表现出“中间多，两头少”的统计分布规律． 3．气体分子向各个方向运动的机会均等．4．温度一定时，某种气体分子的速率分布是确定的，速率的平均值也是确定的，温度升高，气体分子的平均速率增大．5．气体压强 (1)产生的原因由于大量分子无规则地运动而碰撞器壁，形成对器壁各处均匀、持续的压力，作用在器壁单位面积上的压力叫做气体的压强．(2)决定气体压强大小的因素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数密度．知识四 气体实验定律和理想气体状态方程1．气体的三个实验定律 (1)等温变化——玻意耳定律①容：一定质量的某种气体，在温度不变的情况下，压强与体积成反比． ②公式：p 1V 1＝p 2V 2或pV ＝C (常量)． (2)等容变化——查理定律①容：一定质量的某种气体，在体积不变的情况下，压强与热力学温度成正比． ②公式：p 1p 2＝T 1T 2或p T＝C (常数)．(3)等压变化——盖—吕萨克定律①容：一定质量的某种气体，在压强不变的情况下，其体积与热力学温度成正比． ②公式：V 1V 2＝T 1T 2或V T＝C (常数)．2．理想气体及其状态方程 (1)理想气体①宏观上讲，理想气体是指在任何条件下始终遵守气体实验定律的气体．实际气体在压强不太大、温度不太低的条件下，可视为理想气体．②微观上讲，理想气体的分子间除碰撞外无其他作用力，分子本身没有体积，即它所占据的空间认为都是可以被压缩的空间．(2)状态方程：p 1V 1T 1＝p 2V 2T 2或pVT＝C (常数).考点一 气体实验定律及状态方程的应用应用气体定律或状态方程解题的一般步骤： 1．明确研究对象，即某一定质量的气体．2．确定气体在始末状态的参量p 1、V 1、T 1及p 2、V 2、T 2. 3．由状态方程列式求解． 4．讨论结果的合理性．————————————(2013·高考)汽车未装载货物时，某个轮胎气体的体积为V 0，压强为p 0；装载货物后，该轮胎气体的压强增强了Δp .若轮胎气体视为理想气体，其质量、温度在装载货物前后均不变，求装载货物前后此轮胎气体体积的变化量．【解析】 对轮胎的气体： 初状态p 1＝p 0，V 1＝V 0末状态p 2＝p 0＋Δp ，V 2＝ΔV ＋V 0 由玻意耳定律得p 1V 1＝p 2V 2解得：ΔV ＝－ΔpV 0Δp ＋p 0【答案】 ΔV ＝－ΔpV 0Δp ＋p 0————————————图11－2－1(2013·新课标全国卷Ⅰ)如图11－2－1，两个侧壁绝热、顶部和底部都导热的相同气缸直立放置，气缸底部和顶部均有细管连通，顶部的细管带有阀门K.两气缸的容积均为V 0，气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p 0和p 03；左活塞在气缸正中间，其上方为真空；右活塞上方气体体积为V 04.现使气缸底与一恒温热源接触，平衡后左活塞升至气缸顶部，且与顶部刚好没有接触；然后打开K ，经过一段时间，重新达到平衡．已知外界温度为T 0，不计活塞与气缸壁间的摩擦．求：(1)恒温热源的温度T ；(2)重新达到平衡后左气缸中活塞上方气体的体积V x . 【解析】(1)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T T 0＝7V 0/45V 0/4① 由此得 T ＝75T 0② (2)由初始状态的力学平衡条件可知，左活塞的质量比右活塞的大．打开K 后，左活塞下降至某一位置，右活塞必须升至气缸顶，才能满足力学平衡条件．气缸顶部与外界接触，底部与恒温热源接触，两部分气体各自经历等温过程，设左活塞上方气体压强为p ，由玻意耳定律得pV x ＝p 03·V 04③(p ＋p 0)(2V 0－V x )＝p 0·74V 0④联立③④式得 6V 2x －V 0V x －V 20＝0⑤ 其解为V x ＝12V 0⑥另一解V x ＝－13V 0，不合题意，舍去．【答案】 (1)75T 0 (212V 0考点二 用图象法分析气体的状态变化过程 类别图线 特点举例等温p －VpV ＝CT (其中C 为恒量)，即pV 之积越大的等温线温度越高，线离原点越远过程p －1Vp ＝CT 1V，斜率k ＝CT ，即斜率越大，温度越高等容过程p －Tp ＝C V T ，斜率k ＝CV，即斜率越大，体积越小等压过程V －TV ＝C p T ，斜率k ＝Cp，即斜率越大，压强越小————————————(2011·高考)如图11－2－2，一定质量的理想气体从状态a 沿直线变化到状态b ，在此过程中，其压强( )图11－2－2A ．逐渐增大B ．逐渐减小C ．始终不变D ．先增大后减小【解析】 由理想气体状态方程pV T ＝C 可得，气体的压强p ＝C T V，由图象可知，气体的温度升高，体积减小，所以气体的压强逐渐增大，故A 正确，B 、C 、D 错误．【答案】 A————————————一定质量的理想气体经历了温度缓慢升高的变化，如图11－2－3所示，p －T 和V －T 图各记录了其部分变化过程，试求：图11－2－3(1)温度600 K 时气体的压强；(2)在p －T 图象上将温度从400 K 升高到600 K 的变化过程补充完整． 【解析】 (1)由题图知，p 1＝1.0×105 Pa ，V 1＝2.5 m 3，T 1＝400 K p 2＝？，V 2＝3 m 3，T 2＝600 K 由理想气体状态方程得p 1V 1T 1＝p 2V 2T 2p 2＝p 1V 1T 2T 1V 2＝1.25×105Pa(2)在原p －T 图象上补充两段直线【答案】 (1)1. 25×105Pa (2)如图所示1．(2012·高考)图11－2－4为伽利略设计的一种测温装置示意图，玻璃管的上端与导热良好的玻璃泡连通，下端插入水中，玻璃泡中封闭有一定量的空气．若玻璃管水柱上升，则外界大气的变化可能是( )图11－2－4A．温度降低，压强增大B．温度升高，压强不变C．温度升高，压强减小D．温度不变，压强减小【答案】 A2.图11－2－5一定质量理想气体的状态经历了如图11－2－5所示的ab、bc、cd、da四个过程，其中bc的延长线通过原点，cd垂直于ab且与水平轴平行，da与bc平行，则气体体积在( ) A．ab过程中不断减小B．bc过程中保持不变C．cd过程中不断增加D．da过程中保持不变【解析】首先，因为bc的延长线通过原点，所以bc是等容线，即气体体积在bc过程中保持不变，B正确；ab是等温线，压强减小则体积增大，A错误；cd是等压线，温度降低则体积减小，C错误；连接aO交cd于e，则ae是等容线，即V a＝V e，因为V d<V e所以V d<V a，所以da过程中体积变化，D错误．【答案】 B3．下列说确的是( )A．空中下落的雨滴呈球形是因为液体有表面力B．布朗运动表明了分子越小，分子运动越剧烈C．由能的转化和守恒定律知道，能源是不会减少的D．液晶既有液体的流动性，又有光学性质的各向同性【解析】液体温度越高，液体分子运动越剧烈，B错误；由能的转化和守恒定律知道，能量是守恒的，但能源是会不断减少的，能量与能源的意义不同，C错误．液晶具有光学性质的各向异性，故D错误．【答案】 A4．液体的饱和汽压随温度的升高而增大( ) A ．其规律遵循查理定律B ．是因为饱和汽的质量随温度的升高而增大C ．是因为饱和汽的体积随温度的升高而增大D ．是因为饱和汽的密度和蒸汽分子的平均速率都随温度的升高而增大【解析】 当温度升高时，蒸汽分子的平均动能增大，导致饱和汽压增大；同时，液体中平均动能大的分子数增多，从液面飞出的分子数将增多，在体积不变时，将使饱和汽的密度增大，也会导致饱和汽压增大，故选D.【答案】 D5．如图11－2－6所示，某种自动洗衣机进水时，与洗衣缸相连的细管中会封闭一定质量的空气，通过压力传感器感知管中的空气压力，从而控制进水量．设温度不变，洗衣缸水位升高，则细管中被封闭的空气( )图11－2－6A ．体积不变，压强变小B ．体积变小，压强变大C ．体积不变，压强变大D ．体积变小，压强变小【解析】 细管中封闭的气体，可以看成是一定质量的理想气体，洗衣缸水位升高，气体压强增大，因温度不变，故做等温变化，由玻意耳定律pV ＝C 得，气体体积减小，B 选项正确．【答案】 B6．为了将空气装入气瓶，现将一定质量的空气等温压缩，空气可视为理想气体．下列图象能正确表示该过程中空气的压强p 和体积V 关系的是( )【解析】 由玻意耳定律可知，在等温变化过程中，压强p 与1V成正比，故选B 项．【答案】 B7．(2012·高考)空气压缩机的储气罐中储有1.0 atm 的空气6.0 L ，现再充入1.0 atm 的空气9.0 L ．设充气过程为等温过程，空气可看做理想气体，则充气后储气罐中气体压强为( )A ．2.5 atmB ．2.0 atmC ．1.5 atmD ．1.0 atm【解析】 取全部气体为研究对象，由p 1V 1＋p 2V 2＝pV 1得p ＝2.5 atm ，故A 正确． 【答案】 A8．(多选)(2013·高考)图11－2－7为某同学设计的喷水装置．部装有2 L 水，上部密封1 atm 的空气0.5 L ．保持阀门关闭，再充入1 atm 的空气0.1 L ．设在所有过程中空气可看作理想气体，且温度不变．下列说确的有( )图11－2－7A．充气后，密封气体压强增加B．充气后，密封气体的分子平均动能增加C．打开阀门后，密封气体对外界做正功D．打开阀门后，不再充气也能把水喷光【解析】对理想气体，由于充气前后发生的是等温变化，有pV＝C，充气后体积变小，压强增大，A选项正确；温度不变，气体分子平均动能不变，B选项错误；充气前后由玻意耳定律p1(V1＋ΔV)＝p1′V1，得p1′＝1.2 atm，由于p1′＞P0，打开阀门，水就会在气体压力作用下外流，气体膨胀对外做功，C选项正确；当封闭气体压强变小与外界大气压强相等时，上部的空气变为0.6 L，喷出0.1 L的水后就不再喷水了，故D选项错误．【答案】AC9．(2012·高考)(1)下列现象中，能说明液体存在表面力的有( )A．水黾可以停在水面上B．叶面上的露珠呈球形C．滴入水中的红墨水很快散开D．悬浮在水中的花粉做无规则运动(2)密闭在钢瓶中的理想气体，温度升高时压强增大．从分子动理论的角度分析，这是由于分子热运动的______增大了．该气体在温度T1、T2时的分子速率分布图象如图11－2－8所示，则T1__________T2(选填“大于”或“小于”)．图11－2－8【解析】(1)红墨水散开和花粉的无规则运动直接或间接说明分子的无规则运动，选项C、D错误；水黾停在水面上、露珠呈球形均是因为液体存在表面力，选项A、B正确．(2)温度升高时，气体分子平均速率变大，平均动能增大，即分子速率较大的分子占总分子数的比例较大，所以T1＜T2.【答案】(1)AB (2)平均动能小于10．(2012·新课标全国高考)如图11－2－9，由U形管和细管连接的玻璃泡A、B和C浸泡在温度均为0 ℃的水槽中，B的容积是A的3倍．阀门S将A和B两部分隔开．A为真空，B和C都充有气体． U形管左边水银柱比右边的低60 mm.打开阀门S，整个系统稳定后，U形管左右水银柱高度相等．假设U形管和细管中的气体体积远小于玻璃泡的容积．图11－2－9(1)求玻璃泡C中气体的压强(以mmHg为单位)；(2)将右侧水槽的水从0 ℃加热到一定温度时，U形管左右水银柱高度差又为60 mm，求加热后右侧水槽的水温．【解析】(1)在打开阀门S前，两水槽水温均为T0＝273 K．设玻璃泡B中气体的压强为p1，体积为V B，玻璃泡C中气体的压强为p C，依题意有p 1＝p C ＋Δp ①式中Δp ＝60 mmHg.打开阀门S 后，两水槽水温仍为T 0，设玻璃泡B 中气体的压强为p B .依题意有，p B ＝p C ②玻璃泡A 和B 中气体的体积为 V 2＝V A ＋V B ③根据玻意耳定律得 p 1V B ＝p B V 2④联立①②③④式，并代入题给数据得p C ＝V BV AΔp ＝180 mmHg.⑤(2)当右侧水槽的水温加热到T ′时，U 形管左右水银柱高度差为Δp ，玻璃泡C 中气体的压强为p ′C ＝p B ＋Δp ⑥玻璃泡C 中的气体体积不变，根据查理定律得 p C T 0＝p ′C T ′⑦ 联立②⑤⑥⑦式，并代入题给数据得 T ′＝364 K ．⑧【答案】 (1)180 mmHg (2)364 K。