高中物理二轮复习2021届专题学案七 选考模块第1讲 分子动理论 固体、液体和气体 热力学定律

第1讲选修3－3分子动理论固体、液体和气体热力学定律

热学基础知识与气体实验定律的组合

1.分子动理论

(1)微观量与宏观量的关系

(2)分子热运动的实验基础:扩散现象和布朗运动

现象扩散现象布朗运动热运动

活动

主体

分子微小固体颗粒分子

区别分子的运动,发生在固

体、液体、气体任何两

种物质之间

比分子大得多的微粒

的运动,只能在液体、

气体中发生

分子的运动,不能通过

光学显微镜直接观察

到

共同点①都是无规则运动；②都随温度的升高而更加激烈联系扩散现象、布朗运动都反映无规则的热运动

(3)分子力、分子势能与分子间距离的关系

分子力F、分子势能E p与分子间距离r的关系图线如图1所示(取无穷远处分子势能E p＝0)。

图1

①当r>r0时,分子力表现为引力,当r增大时,分子力做负功,分子势能增加。

②当r

③当r＝r0时,分子势能最小。

2.固体和液体

(1)晶体和非晶体

比较

晶体

非晶体单晶体多晶体

形状规则不规则不规则

熔点固定固定不固定

特性各向异性各向同性各向同性

(2)

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。

3.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。

4.相对湿度

某温度时空气中水蒸气的实际压强与同温度水的饱和汽压的百分比。即:B＝p p s

×100%。

5.气体实验定律

【例1】(2020·全国卷Ⅰ,33)[物理——选修3－3](15分)

(1)(5分)分子间作用力F与分子间距r的关系如图2所示,r＝r1时,F＝0。分子间势能由r决定,规定两分子相距无穷远时分子间的势能为零。若一分子固定于原点O,另一分子从距O点很远处向O点运动,在两分子间距减小到r2的过程中,势能________(填“减小”“不变”或“增大”)；在间距由r2减小到r1的过程中,势能________(填“减小”“不变”或“增大”)；在间距等于r1处,势能________(填“大于”“等于”或“小于”)零。

图2

(2)(10分)甲、乙两个储气罐储存有同种气体(可视为理想气体)。甲罐的容积为

V,罐中气体的压强为p；乙罐的容积为2V,罐中气体的压强为1

2p。现通过连接两

罐的细管把甲罐中的部分气体调配到乙罐中去,两罐中气体温度相同且在调配过程中保持不变,调配后两罐中气体的压强相等。求调配后

(ⅰ)两罐中气体的压强；

(ⅱ)甲罐中气体的质量与甲罐中原有气体的质量之比。

【试题解析】(1)若一分子固定于原点O,另一分子从距O点很远处向O点运动,在两分子间距减小到r2的过程中,分子力做正功,势能减小；由r2减小到r1的过程中,分子力仍做正功,势能减小；在间距为r1处,势能小于零。

(2)(ⅰ)假设乙罐中的气体被压缩到压强为p,其体积变为V1,由玻意耳定律有1

2p(2V)

＝pV1①

现两罐气体压强均为p ,总体积为(V ＋V 1)。设调配后两罐中气体的压强为p ′,由玻意耳定律有

p (V ＋V 1)＝p ′(V ＋2V )②

联立①②式可得p ′＝23p ③

(ⅱ)若调配后甲罐中的气体再被压缩到原来的压强p 时,体积为V 2,由玻意耳定律有

p ′V ＝pV 2④

设调配后甲罐中气体的质量与甲罐中原有气体的质量之比为k ,

k ＝V 2V ⑤

联立③④⑤式可得k ＝23⑥

【试题参考答案】 (1)减小 减小 小于

(2)(ⅰ)23p (ⅱ)23

【例2】 [物理——选修3－3](15分)

(1)(5分)下列说法正确的是__________。(填正确【试题参考答案】 标号。选对1个得2分,选对2个得4分,选对3个得5分。每选错1个扣3分,最低得分为0分)

A.布朗运动不是液体分子的运动,但它说明液体分子不停地做无规则热运动

B.0 ℃时水已经结为冰,部分水分子已经停止了热运动

C.随分子间距离的增大,分子势能可能先减小后增大

D.热量不可能从低温物体传到高温物体

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

(2)(10分)如图3甲所示,内壁光滑的汽缸横截面积为S ＝10 cm 2,内有两个质量可忽略不计的活塞a 、b 将汽缸分成高度均为h ＝50 cm 的两部分。两活塞之间拴有一轻质弹簧,劲度系数为k ＝400 N/m 。开始时,活塞a 恰好与汽缸口相平,弹簧处于原长。初始状态A 、B 两部分气体和外界的温度均为27 ℃。活塞a 是导热的,汽缸和活塞b 是绝热的。现在活塞a 上轻放一质量为m ＝20 kg 的重物。待活塞稳定后,对B 部分气体缓慢加热,使活塞a 再次恰好与汽缸口相平,如图乙所示。已知

外界大气压强为p0＝1×105 Pa,重力加速度大小g＝10 m/s2,求此时B部分气体温度。

图3

【试题解析】(1)布朗运动是悬浮在液体中的固体微小颗粒在液体分子无规则运动的碰撞下产生的无规则运动,选项A正确；固体分子也在永不停息地做无规则运动,选项B错误；由分子势能随分子间距变化的图象可知,从分子间距很小开始,在分子间距逐渐增大的过程中,分子势能先减小再增大,当分子间作用力为零时,分子势能最小,选项C正确；热量不可能从低温物体传到高温物体而不引起其他变化,这里一定要强调“不引起其他变化”,譬如,在消耗电能的前提下,冰箱等制冷设备可以将热量从低温的内部空间传递到高温的外部空间,选项D错误；根据理想气体状态方程可知,对一定质量的理想气体,等压膨胀温度一定升高,体积增大,气体对外做功,温度升高,内能一定增大,再根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W可知,W＜0,ΔU>0,故Q＞0,即一定从外界吸热,选项E正确。

(2)对A部分气体,初状态有

p A＝p0,V A＝hS

设末状态弹簧压缩量为Δx,则有

V A′＝(h－Δx)S

由玻意耳定律得

p A V A＝p A′V A′

对活塞a由平衡条件得

p A′S＋kΔx＝p0S＋mg

解得Δx＝0.25 m

对B部分气体,初状态有

p B＝p0,V B＝hS,T B＝300 K

末状态有