熱學知識四講四練助力高考

■湖南省汨羅市一中 蔣緯

《選修3—3》熱學知識主要的考點有四個方面：分子動理論和內(nèi)能，固體和液體，熱力學三大定律及永動機，氣體及氣體狀態(tài)方程的動態(tài)分析。

第一講：分子動理論和內(nèi)能

1.分子熱運動的實驗基礎：擴散現(xiàn)象和布朗運動。

（1）擴散現(xiàn)象的特點：溫度越高，擴散得越快。

（2）布朗運動的特點：液體內(nèi)固體小顆粒永不停息、無規(guī)則的運動，顆粒越小、溫度越高，運動得越劇烈。

2.分子動能：大量做熱運動的分子具有的動能叫分子動能，溫度是分子熱運動的平均動能的標志。溫度越高，分子動能越大；溫度越低，分子動能越小。

3.分子間的相互作用力和分子勢能。

（1）分子力：分子間引力與斥力的合力。分子間距離增大，引力和斥力均減小；分子間距離減小，引力和斥力均增大。斥力總比引力變化得快。

（2）分子勢能：分子力做正功，分子勢能減小；分子力做負功，分子勢能增大；當分子間的距離為r0（分子間的距離為r0時，分子間作用的合力為0）時，分子勢能最小。

4.內(nèi)能：物體中所有分子的熱運動動能與分子勢能的總和叫物體的內(nèi)能。改變內(nèi)能的兩種方式：一是做功，其本質(zhì)是其他形式的能和內(nèi)能之間的相互轉化；二是熱傳遞，其本質(zhì)是物體間內(nèi)能的轉移。做功和熱傳遞在改變物體的內(nèi)能上是等效的，但在本質(zhì)上存在區(qū)別。

例1對于分子動理論和物體內(nèi)能的理解，下列說法中正確的是____。

A.溫度高的物體內(nèi)能不一定大，但分子平均動能一定大

B.外界對物體做功，物體內(nèi)能一定增加

C.溫度越高，布朗運動越顯著

D.當分子間的距離增大時，分子間的作用力就一直減小

E.當分子間作用力的合力表現(xiàn)為斥力時，分子勢能隨分子間距離的減小而增大

解析：溫度高的物體，分子平均動能一定大，但其內(nèi)能不一定大，因為物體的內(nèi)能除了與溫度有關，還與物體的體積和質(zhì)量有關，選項A正確。外界對物體做功的同時，物體可能放熱，若放出的熱量較大，則物體的內(nèi)能就會減少，選項B錯誤。溫度越高，固體顆粒的尺寸越小，布朗運動越顯著，選項C正確。當分子間的距離從r0逐漸增大到無窮大時，分子間的作用力先增大后減小，選項D錯誤。當分子間作用力的合力表現(xiàn)為斥力時，若分子間的距離逐漸減小，則分子力做負功，分子勢能增大，選項E正確。

答案：ACE

第二講：固體和液體

1.固體可以分為晶體和非晶體兩類。晶體和非晶體的分子結構不同，表現(xiàn)出的物理性質(zhì)不同。晶體具有確定的熔點。單晶體表現(xiàn)出各向異性，多晶體和非晶體表現(xiàn)出各向同性。晶體和非晶體在適當?shù)臈l件下可以相互轉化。

2.液晶是一種特殊的物質(zhì)，所處的狀態(tài)介于固態(tài)和液態(tài)之間。液晶具有流動性，在光學物理性質(zhì)上表現(xiàn)出各向異性。

3.液體的表面張力使液體表面具有收縮到最小的趨勢，表面張力的方向跟液面相切。

例2下列說法中正確的是____。

A.將一塊晶體敲碎后，得到的小顆粒是非晶體

B.固體可以分為晶體和非晶體兩類，有些晶體在不同方向上有不同的光學性質(zhì)

C.由同種元素構成的固體，可能會由于原子的排列方式不同而成為不同的晶體

D.在合適的條件下，某些晶體可以轉化為非晶體，某些非晶體也可以轉化為晶體

E.在熔化過程中，晶體要吸收熱量，但溫度保持不變，內(nèi)能也保持不變

解析：晶體有固定的熔點，并不會因為顆粒的大小而改變，即使將其敲碎為小顆粒，仍舊是晶體，選項A錯誤。固體分為晶體和非晶體兩類，有些晶體沿不同方向的光學性質(zhì)不同，表現(xiàn)為晶體具有各向異性，選項B正確。同種元素構成的固體可能由于原子的排列方式不同而形成不同的晶體，如金剛石和石墨，選項C正確。晶體的分子排列結構如果遭到破壞就可能形成非晶體，反之亦然，選項D正確。在熔化過程中，晶體要吸熱，溫度不變，但是內(nèi)能增大，選項E錯誤。

答案：BCD

第三講：熱力學三大定律及永動機

1.熱力學第一定律：一個熱力學系統(tǒng)的內(nèi)能增量等于外界向它傳遞的熱量與外界對它所做的功的和，它揭示了能量守恒定律。表達式為ΔU=Q+W。

2.熱力學第二定律：（克勞修斯表述）熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體；（開爾文表述）不可能從單一熱庫吸收熱量，使之完全變成功，而不產(chǎn)生其他影響。

對熱力學第二定律的理解：

（1）“自發(fā)”指明了熱傳遞等熱力學宏觀現(xiàn)象的方向性，不需要借助外界提供能量的幫助。

（2）“不產(chǎn)生其他影響”的涵義是發(fā)生的熱力學宏觀過程只在系統(tǒng)內(nèi)完成，對周圍環(huán)境不產(chǎn)生熱力學方面的影響，如吸熱、放熱、做功等。

3.熱力學第三定律：熱力學零度（-273℃）不可能達到。

4.永動機。

（1）第一類永動機：是指不消耗能量而對外界不斷做功的機器。不可能制成是因為違背了能量守恒定律。

（2）第二類永動機：是指只能從單一熱源吸收熱量并把它全部用來做功，而不引起其他變化的熱機。不可能制成是因為熱機的效率不可能達到100%。

例3下列說法中正確的是____。

A.隨著科學技術的發(fā)展，制冷機的制冷溫度可以降到-280℃

B.隨著科學技術的發(fā)展，熱量可以從低溫物體傳到高溫物體

C.隨著科學技術的發(fā)展，熱機的效率可以達到100%

D.無論科技怎樣發(fā)展，第二類永動機都不可能實現(xiàn)

E.無論科技怎樣發(fā)展，都無法判斷一溫度升高的物體是通過做功還是熱傳遞實現(xiàn)的

解析：熱力學溫度與分子的平均動能成正比，分子熱運動的平均動能不可能為零，因此制冷機的制冷溫度不可以降到-273℃以下，選項A錯誤。隨著科學技術的發(fā)展，熱量可以從低溫物體傳到高溫物體，選項B正確。根據(jù)熱力學第二定律可知，熱機的效率不可以達到100%，選項C錯誤。不可能從單一熱源取熱使之完全轉換為有用的功而不產(chǎn)生其他影響，即第二類永動機都不可能實現(xiàn)，選項D正確。做功和熱傳遞都可以改變物體的內(nèi)能，無論科技怎樣發(fā)展，都無法判斷一溫度升高的物體是通過做功還是熱傳遞實現(xiàn)的，選項E正確。

答案：BDE

第四講：氣體及氣體狀態(tài)的動態(tài)分析

理想氣體是指在任何溫度、任何壓強下都遵從氣體實驗定律的氣體。

1.氣體狀態(tài)參量：溫度（T）、體積（V）、壓強（p）。

2.氣體實驗定律。

（1）等溫變化：pV=C或p1V1=p2V2（玻意耳定律）。

例4如圖1所示，一固定的豎直汽缸由一大一小兩個同軸圓筒組成，兩圓筒中各有一個活塞。已知大活塞的質(zhì)量m1=2.5kg，橫截面積S1=80cm2；小活塞的質(zhì)量m2=1.5kg，橫截面積S2=40cm2；兩活塞用剛性輕桿連接，間距l(xiāng)=40cm；汽缸外大氣的壓強p=1×105Pa，溫度T=303K。初始時大活塞與大圓筒底部相距為，兩活塞間封閉氣體的溫度T1=495K。現(xiàn)汽缸內(nèi)氣體溫度緩慢下降，活塞緩慢下移。忽略兩活塞與汽缸壁之間的摩擦，取g=10m/s2。求：

（1）在大活塞與大圓筒底部接觸前的瞬間，汽缸內(nèi)封閉氣體的溫度。

（2）汽缸內(nèi)封閉的氣體與汽缸外大氣達到熱平衡時，汽缸內(nèi)封閉氣體的壓強。

解析：（1）大小活塞在緩慢下移的過程中，受力情況不變，汽缸內(nèi)氣體的壓強不變，由蓋-呂薩克定律得，初狀態(tài)V=1，T=495K，末狀態(tài)V=lS，解122得T2=330K。

（2）對大、小活塞組成的整體進行受力分析，則m1g+m2g+pS1+p1S2=p1S1+pS2，解得p1=1.1×105Pa。汽缸內(nèi)封閉的氣體與汽缸外大氣達到熱平衡的過程中，氣體體積不變，由查理定律得，T=3T=303K，解得p2=1.01×105Pa。

圖1

跟蹤訓練

1.下列說法中正確的是____。

A.布朗運動反映了液體分子在永不停息地做無規(guī)則熱運動

B.氣體分子的平均動能增大，壓強也一定增大

C.不同溫度下，水的飽和汽壓都是相同的

D.完全失重狀態(tài)下懸浮的水滴呈球狀是液體表面張力作用的結果

E.分子動理論認為，單個分子的運動是無規(guī)則的，但是大量分子的運動仍然有一定的規(guī)律

2.下列說法中正確的是____。

A.懸浮在水中的花粉的布朗運動反映了花粉分子的熱運動

B.空氣中的小雨滴呈球形是水的表面張力作用的結果

C.彩色液晶顯示器利用了液晶的光學性質(zhì)具有各向異性的特點

D.高原地區(qū)水的沸點較低，這是高原地區(qū)溫度較低的緣故

E.干濕泡濕度計的濕泡顯示的溫度低于干泡顯示的溫度，這是濕泡外紗布中的水蒸發(fā)吸熱的結果

3.如圖2所示，絕熱隔板K把絕熱的汽缸分隔成體積相等的兩部分，隔板K與汽缸壁間是光滑的。兩部分中分別盛有相同質(zhì)量、相同溫度的同種氣體a和b。氣體分子之間的勢能可忽略。現(xiàn)通過電熱絲對氣體a加熱一段時間后，氣體a、b各自達到新的平衡，則____。

A.氣體a的體積增大了，壓強變小了

B.氣體b的溫度升高了

C.加熱后氣體a的分子熱運動比氣體b的分子熱運動更劇烈

D.氣體a增加的內(nèi)能大于氣體b增加的內(nèi)能

E.氣體a的壓強大于氣體b的壓強

圖2

4.一定質(zhì)量的理想氣體從狀態(tài)a開始，經(jīng)歷三個過程ab、bc、ca回到原狀態(tài)，其V-T圖像如圖3所示，pa、pb、pc分別表示狀態(tài)a、b、c的壓強，下列判斷正確的是____。

圖3

A.過程ab中氣體一定吸熱

B.pc=pb＞pa

C.過程bc中分子勢能不斷增大

D.過程bc中每一個分子的速率都減小

E.過程ca中氣體吸收的熱量等于對外做的功

參考答案：1.ADE 2.BCE

3.BCD 提示：氣體a受熱膨脹，通過活塞壓縮氣體b對b做功，氣體b的體積減小，由熱力學第一定律可知，氣體b的內(nèi)能增加，溫度升高，則氣體b的壓強增大，最終達到平衡時，氣體a、b的壓強相等，而氣體a的體積變大，所以氣體a的溫度高于氣體b的溫度。

4.ABE 提示：由狀態(tài)a到狀態(tài)b，氣體做等容變化，根據(jù)熱力學第一定律ΔU=Q+W可知，溫度升高、內(nèi)能增大，氣體一定吸熱，選項A正確。由狀態(tài)b到狀態(tài)c，氣體做等壓變化，即pc=pb，又因為由狀態(tài)a到狀態(tài)b，氣體的溫度升高，壓強變大，即pb＞pa，所以pc=pb＞pa，選項B正確。因為是理想氣體，所以不考慮氣體的分子勢能，選項C錯誤。過程bc中，氣體的溫度降低，分子的平均動能降低，平均速率減小，但不是每一個分子的速率都減小，選項D錯誤。由狀態(tài)c到狀態(tài)a，氣體做等溫變化，根據(jù)熱力學第一定律ΔU=Q+W可知，氣體吸收的熱量等于對外做的功，選項E正確。