分子動理與熱力學定律備考建議

■河南省平頂山市一中 許彥廷

分子動理與熱力學定律備考建議

■河南省平頂山市一中 許彥廷

選修3-3是2017年高考兩個選考模塊之一,備考2017年高考,同學們需要掌握的選修3-3中有關分子動理論與熱力學定律的主要內容包括以下五個方面。

一、分子動能

1.分子由于運動而具有的能叫分子動能。物體內部各個分子的運動速度大小不一,所以各個分子的動能也有大有小,且同一個分子的運動速度時刻變化,因此研究一個分子的動能沒有實際意義。

2.物體中所有分子的動能的平均值叫分子熱運動的平均動能。溫度是分子熱運動劇烈程度的標志,是大量分子熱運動的平均動能的標志,溫度越高分子熱運動的平均動能越大。溫度是一個宏觀量,對個別分子講溫度是沒有意義的。

3.分子熱運動的平均動能與物體宏觀機械運動的速度無關。

關于分子的動能,下列說法中正確的是( )。

A.物體運動的速度大,物體中分子的動能一定大

B.物體的溫度升高,物體中每個分子的動能都增大

C.物體的溫度降低,物體中所有分子熱運動的平均動能一定減小

D.物體的溫度是0℃時,物體中所有分子熱運動的平均動能為零

解析:物體中的分子熱運動與物體的宏觀機械運動無關,因此物體運動的速度大,物體中分子的動能不一定大,選項A錯誤。物體的溫度升高(降低),物體中所有分子的平均動能一定增大(減小),但不能確定某一個分子的動能是否增大(減小),選項B錯誤、C正確。物體的溫度是0℃時,分子的熱運動并不會停止,因此分子熱運動的平均動能不為零,選項D錯誤。答案為C。

二、分子勢能

1.分子間具有由它們的相對位置所決定的勢能,叫分子勢能。分子勢能的變化用分子力做功來量度。分子力做正功,分子勢能減小;分子力做負功,分子勢能增大。

2.分子勢能與物體的體積有關。當分子間距r>r0時,分子勢能隨體積的增大(減小)而增大(減小);當分子間距r

關于分子勢能,下列說法中正確的是( )。

A.物體的溫度越高,物體中的分子勢能越大

B.物體的體積越大,物體中的分子勢能越大

C.當分子間的作用力減小時,分子勢能必定減小

D.當分子間的作用力表現為斥力時,分子間距越小,分子勢能越大

解析:分子勢能與物體的溫度無關,選項A錯誤。若在分子間距rr0區域內,物體的體積增大,則分子力做負功,分子勢能增大。因此選項B錯誤。當分子間的作用力減小時,分子力是做正功還是做負功無法確定,因此選項C錯誤。當分子間的作用力表現為斥力時,分子間距減小,則分子力做負功,分子勢能一定增大,選項D正確。答案為D。

三、物體的內能

1.物體中所有分子熱運動的動能和分子勢能的總和叫物體的內能。物體的內能與物質的量、溫度和體積等三個因素有關。

2.內能和機械能是兩種不同形式的能。內能是由大量分子的熱運動和分子間相對位置所決定的能量。機械能是由物體做機械運動和物體發生形變所決定的能量。機械能可以等于零,而內能永遠不會等于零。物體可以同時具有內能和機械能。在一定條件下,物體的內能和機械能可以相互轉化。

3.做功和熱傳遞是改變內能的兩種方式。做功是其他形式的能與內能的相互轉化過程,內能的改變量可以用做功的數值來量度;熱傳遞是物體間內能的轉移過程,內能的轉移量用熱量來量度。

關于物體的內能,下列說法中正確的是( )。

A.質量和溫度相同的物體,其內能一定相同

B.一定量0℃的水結成0℃的冰,其內能一定減小

C.若外界對物體做功,則物體的內能一定增加

D.物體不從外界吸收熱量,其內能也可能增加

解析:物體的內能取決于溫度、體積和物質的量等三個因素,故選項A錯誤。當一定量0℃的水結成0℃的冰時,將放出熱量,該過程中分子熱運動的平均動能不變,分子勢能減小,使得內能減小,選項B正確。當外界對物體做功時,若物體同時放出熱量,則其內能不一定增加,選項C錯誤。物體不從外界吸收熱量,但可以通過對其做功,使得物體的內能增加,選項D正確。答案為BD。

四、熱力學第一定律

1.一個熱力學系統的內能增量ΔU等于外界向它傳遞的熱量Q和外界對它所做的功W的和,這個關系叫熱力學第一定律。表達式為ΔU=Q+W。

2.能量既不會憑空產生,也不會憑空消失,它只能從一種形式轉化為另一種形式,或者從一個物體轉移到別的物體,在轉化或轉移的過程中其總量不變,這個規律叫能量守恒定律。

3.物質的不同運動形式對應著不同形式的能,各種形式的能可以在一定條件下相互轉化或轉移。

圖1

如圖1所示,兩個相通的容器P、Q間裝有閥門K。容器P內充滿氣體,容器Q內為真空,整個系統與外界沒有熱交換。打開閥門K后,容器P中的氣體進入容器Q中,最終達到平衡,則( )。

A.氣體體積膨脹,內能不變

B.氣體分子勢能減小,內能增加

C.氣體分子勢能增加,壓強可能不變

D.氣體體積膨脹,內能減小

解析:氣體在真空中自由膨脹,對外不做功,故由熱力學第一定律ΔU=W+Q可得,氣體的內能不變,選項A正確,B、D錯誤。氣體的體積增大,壓強減小,故選項C錯誤。答案為A。

注意:雖然體積與分子勢能有關,但卻不能說體積增大,分子勢能就增大或減小,也不能說體積增大就一定對外做功。做功和熱傳遞,這兩種方式都能改變物體的內能,但二者在本質上是不同的。做功過程是其他形式的能與內能之間的轉化,而熱傳遞是內能的轉移,其能量的形式沒有改變。

圖2

如圖2所示是用導熱性能良好的材料制成的氣體實驗裝置,開始時封閉的空氣柱長度為22cm。現用豎直向下的外力F壓縮氣體,使封閉的空氣柱長度變為2cm,人對活塞做功100J,大氣壓強p0=1×

105Pa,不計活塞的重力,活塞的橫截面積S=1cm2。問:

(1)若用足夠長的時間緩慢壓縮氣體,求壓縮后氣體的壓強。

(2)若以適當的速度壓縮氣體,向外散失的熱量為20J,則氣體的內能增加多少?

解析:(1)因為緩慢壓縮氣體,所以氣體溫度保持不變。設壓縮后氣體的壓強為p,則根據玻意耳定律得p0V0=pV,由題意得l0=22cm,l=2cm,V0=l0S,V=lS,解得p=1.1×106Pa。

(2)大氣壓力對活塞做功W1=p0S(l0-l)=2J,人對活塞做功W2=100J,外界向氣體傳遞的熱量Q=-20J,根據熱力學第一跟蹤訓練定律得氣體內能的增加量ΔU=W1+W2+ Q=82J。

五、熱力學第二定律

1.熱力學第二定律的兩種表述:第一種,不可能使熱量由低溫物體傳遞到高溫物體,而不引起其他變化;第二種,不可能從單一熱源吸收熱量并把它全部用來做功,而不引起其他變化。

2.熱力學第二定律的第一種表述是按照熱傳導過程的方向性表述的,第二種表述則是按照機械能與內能轉化過程的方向性來表述的。這兩種表述是等價的,都揭示了自然界的基本規律,即一切與熱現象有關的實際宏觀過程都是不可逆的。

3.第一類永動機和第二類永動機都是不可制成的,但兩者不能制成的原因不同。第一類永動機不能制成是因為其違背能量守恒定律;第二類永動機并不違背能量守恒定律,但與熱力學第二定律相矛盾,即違背與熱現象有關的宏觀過程不可逆的原則。

根據熱力學定律,下列判斷正確的是( )。

A.我們可以把火爐散失到周圍環境中的能量全部收集到火爐中再次用來取暖

B.滿足能量守恒定律的過程都可以自發地進行

C.冰箱的制冷系統能將冰箱內的熱量傳給外界較高溫度的空氣,而不引起其他變化

D.氣體分子自發的擴散運動只能向著分子均勻分布的方向進行

解析:火爐通過能量耗散把內能傳遞到大氣中去,變為大氣的內能,根據熱力學第二定律可知,這些能量不可能再全部收集到火爐中,故選項A錯誤。自然界中與熱現象有關的宏觀過程既要滿足能量守恒定律又要滿足熱力學第二定律,故選項B錯誤。根據熱力學第二定律可知,冰箱的制冷系統將冰箱內的熱量傳給外界較高溫度的空氣的時候需要電流做功,氣體分子自發的擴散運動只能向著分子均勻分布的方向進行,故選項C錯誤,D正確。答案為D。

點評:理解熱力學第二定律方向性的意義時,應該明確逆向過程不是不可進行,而是會引起其他方面的變化。理解熱量不可能從低溫物體傳到高溫物體而不引起其他變化的具體含義時,應該明確熱量可能由低溫物體傳遞到高溫物體,但要產生其他影響。

圖3

1.如圖3所示,將完全相同的A、B兩球分別浸沒在初始溫度相同的水和水銀的同一深度處。已知A、B兩球用同一種特殊的材料制成,當溫度稍微升高時,球的體積會明顯變大。現讓兩種液體的溫度同時緩慢地升高到同一值,發現兩球膨脹后,體積相等。若忽略繩子、水和水銀由于溫度的變化而引起的體積膨脹,則以下判斷正確的是( )。

A.因為同一深度處水的壓強較小,所以A球在膨脹過程中對外做的功較多

B.因為同一深度處水銀的壓強較大,所以B球在膨脹過程中內能增加較多

C.在膨脹過程中,A球吸引的熱量較多D.在膨脹過程中,B球吸收的熱量較多

圖4

2.如圖4所示,一演示用的“永動機”轉輪由五根輕桿和轉軸構成,輕桿的末端裝有用形狀記憶合金制成的葉片。輕推轉輪后,進入熱水的葉片因伸展而“劃水”,推動轉輪轉動。離開熱水后,葉片形狀迅速恢復,轉輪因此能夠較長時間轉動。下列說法中正確的是( )。

A.轉輪依靠自身慣性轉動,不需要消耗外界能量

B.轉輪轉動所需能量來自形狀記憶合金自身

C.轉動的葉片不斷攪動熱水,水溫升高

D.葉片在熱水中吸收的熱量一定大于釋放在空氣中的熱量

參考答案:1.D 2.D

(責任編輯 張 巧)