熱學(xué)知識(shí)四講四練助力高考

■湖南省汨羅市一中 蔣緯

《選修3—3》熱學(xué)知識(shí)主要的考點(diǎn)有四個(gè)方面：分子動(dòng)理論和內(nèi)能，固體和液體，熱力學(xué)三大定律及永動(dòng)機(jī)，氣體及氣體狀態(tài)方程的動(dòng)態(tài)分析。

第一講：分子動(dòng)理論和內(nèi)能

1.分子熱運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)：擴(kuò)散現(xiàn)象和布朗運(yùn)動(dòng)。

（1）擴(kuò)散現(xiàn)象的特點(diǎn)：溫度越高，擴(kuò)散得越快。

（2）布朗運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)：液體內(nèi)固體小顆粒永不停息、無(wú)規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，顆粒越小、溫度越高，運(yùn)動(dòng)得越劇烈。

2.分子動(dòng)能：大量做熱運(yùn)動(dòng)的分子具有的動(dòng)能叫分子動(dòng)能，溫度是分子熱運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能的標(biāo)志。溫度越高，分子動(dòng)能越大；溫度越低，分子動(dòng)能越小。

3.分子間的相互作用力和分子勢(shì)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??；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(shì)能：分子力做正功，分子勢(shì)能減??；分子力做負(fù)功，分子勢(shì)能增大；當(dāng)分子間的距離為r0（分子間的距離為r0時(shí)，分子間作用的合力為0）時(shí)，分子勢(shì)能最小。

4.內(nèi)能：物體中所有分子的熱運(yùn)動(dòng)動(dòng)能與分子勢(shì)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(zhuǎn)化；二是熱傳遞，其本質(zhì)是物體間內(nèi)能的轉(zhuǎn)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(duì)于分子動(dòng)理論和物體內(nèi)能的理解，下列說(shuō)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(dòng)能一定大

B.外界對(duì)物體做功，物體內(nèi)能一定增加

C.溫度越高，布朗運(yùn)動(dòng)越顯著

D.當(dāng)分子間的距離增大時(shí)，分子間的作用力就一直減小

E.當(dāng)分子間作用力的合力表現(xiàn)為斥力時(shí)，分子勢(shì)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(dòng)能一定大，但其內(nèi)能不一定大，因?yàn)槲矬w的內(nèi)能除了與溫度有關(guān)，還與物體的體積和質(zhì)量有關(guān)，選項(xiàng)A正確。外界對(duì)物體做功的同時(shí)，物體可能放熱，若放出的熱量較大，則物體的內(nèi)能就會(huì)減少，選項(xiàng)B錯(cuò)誤。溫度越高，固體顆粒的尺寸越小，布朗運(yùn)動(dòng)越顯著，選項(xiàng)C正確。當(dāng)分子間的距離從r0逐漸增大到無(wú)窮大時(shí)，分子間的作用力先增大后減小，選項(xiàng)D錯(cuò)誤。當(dāng)分子間作用力的合力表現(xiàn)為斥力時(shí)，若分子間的距離逐漸減小，則分子力做負(fù)功，分子勢(shì)能增大，選項(xiàng)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(jié)構(gòu)不同，表現(xiàn)出的物理性質(zhì)不同。晶體具有確定的熔點(diǎn)。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(dāng)?shù)臈l件下可以相互轉(zhuǎn)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(dòng)性，在光學(xué)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(shì)，表面張力的方向跟液面相切。

例2下列說(shuō)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(xué)性質(zhì)

C.由同種元素構(gòu)成的固體，可能會(huì)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(zhuǎn)化為非晶體，某些非晶體也可以轉(zhuǎn)化為晶體

E.在熔化過(guò)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(diǎn)，并不會(huì)因?yàn)轭w粒的大小而改變，即使將其敲碎為小顆粒，仍舊是晶體，選項(xiàng)A錯(cuò)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(xué)性質(zhì)不同，表現(xiàn)為晶體具有各向異性，選項(xiàng)B正確。同種元素構(gòu)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(xiàng)C正確。晶體的分子排列結(jié)構(gòu)如果遭到破壞就可能形成非晶體，反之亦然，選項(xiàng)D正確。在熔化過(guò)程中，晶體要吸熱，溫度不變，但是內(nèi)能增大，選項(xiàng)E錯(cuò)誤。

答案：BCD

第三講：熱力學(xué)三大定律及永動(dòng)機(jī)

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

2.熱力學(xué)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(kāi)爾文表述）不可能從單一熱庫(kù)吸收熱量，使之完全變成功，而不產(chǎn)生其他影響。

對(duì)熱力學(xué)第二定律的理解：

（1）“自發(fā)”指明了熱傳遞等熱力學(xué)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(xué)宏觀過(guò)程只在系統(tǒng)內(nèi)完成，對(duì)周圍環(huán)境不產(chǎn)生熱力學(xué)方面的影響，如吸熱、放熱、做功等。

3.熱力學(xué)第三定律：熱力學(xué)零度（-273℃）不可能達(dá)到。

4.永動(dòng)機(jī)。

（1）第一類永動(dòng)機(jī)：是指不消耗能量而對(duì)外界不斷做功的機(jī)器。不可能制成是因?yàn)檫`背了能量守恒定律。

（2）第二類永動(dòng)機(jī)：是指只能從單一熱源吸收熱量并把它全部用來(lái)做功，而不引起其他變化的熱機(jī)。不可能制成是因?yàn)闊釞C(jī)的效率不可能達(dá)到100%。

例3下列說(shuō)法中正確的是____。

A.隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，制冷機(jī)的制冷溫度可以降到-280℃

B.隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，熱量可以從低溫物體傳到高溫物體

C.隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，熱機(jī)的效率可以達(dá)到100%

D.無(wú)論科技怎樣發(fā)展，第二類永動(dòng)機(jī)都不可能實(shí)現(xiàn)

E.無(wú)論科技怎樣發(fā)展，都無(wú)法判斷一溫度升高的物體是通過(guò)做功還是熱傳遞實(shí)現(xiàn)的

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

答案：BDE

第四講：氣體及氣體狀態(tài)的動(dòng)態(tài)分析

理想氣體是指在任何溫度、任何壓強(qiáng)下都遵從氣體實(shí)驗(yàn)定律的氣體。

1.氣體狀態(tài)參量：溫度（T）、體積（V）、壓強(qiáng)（p）。

2.氣體實(shí)驗(yàn)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(gè)同軸圓筒組成，兩圓筒中各有一個(gè)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(qiáng)p=1×105Pa，溫度T=303K。初始時(shí)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?，F(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(dá)到熱平衡時(shí)，汽缸內(nèi)封閉氣體的壓強(qiáng)。

解析：（1）大小活塞在緩慢下移的過(guò)程中，受力情況不變，汽缸內(nèi)氣體的壓強(qiáng)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(duì)大、小活塞組成的整體進(jìn)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(dá)到熱平衡的過(guò)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(xùn)練

1.下列說(shuō)法中正確的是____。

A.布朗運(yùn)動(dòng)反映了液體分子在永不停息地做無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)

B.氣體分子的平均動(dòng)能增大，壓強(qiáng)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(jié)果

E.分子動(dòng)理論認(rèn)為，單個(gè)分子的運(yùn)動(dòng)是無(wú)規(guī)則的，但是大量分子的運(yùn)動(dòng)仍然有一定的規(guī)律

2.下列說(shuō)法中正確的是____。

A.懸浮在水中的花粉的布朗運(yùn)動(dòng)反映了花粉分子的熱運(yùn)動(dòng)

B.空氣中的小雨滴呈球形是水的表面張力作用的結(jié)果

C.彩色液晶顯示器利用了液晶的光學(xué)性質(zhì)具有各向異性的特點(diǎn)

D.高原地區(qū)水的沸點(diǎn)較低，這是高原地區(qū)溫度較低的緣故

E.干濕泡濕度計(jì)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(jié)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(shì)能可忽略。現(xiàn)通過(guò)電熱絲對(duì)氣體a加熱一段時(shí)間后，氣體a、b各自達(dá)到新的平衡，則____。

A.氣體a的體積增大了，壓強(qiáng)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(yùn)動(dòng)比氣體b的分子熱運(yùn)動(dòng)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(qiáng)大于氣體b的壓強(qiáng)

圖2

4.一定質(zhì)量的理想氣體從狀態(tài)a開(kāi)始，經(jīng)歷三個(gè)過(guò)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(qiáng)，下列判斷正確的是____。

圖3

A.過(guò)程ab中氣體一定吸熱

B.pc=pb＞pa

C.過(guò)程bc中分子勢(shì)能不斷增大

D.過(guò)程bc中每一個(gè)分子的速率都減小

E.過(guò)程ca中氣體吸收的熱量等于對(duì)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(guò)活塞壓縮氣體b對(duì)b做功，氣體b的體積減小，由熱力學(xué)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(qiáng)增大，最終達(dá)到平衡時(shí)，氣體a、b的壓強(qiáng)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(xué)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(xiàng)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?yàn)橛蔂顟B(tài)a到狀態(tài)b，氣體的溫度升高，壓強(qiáng)變大，即pb＞pa，所以pc=pb＞pa，選項(xiàng)B正確。因?yàn)槭抢硐霘怏w，所以不考慮氣體的分子勢(shì)能，選項(xiàng)C錯(cuò)誤。過(guò)程bc中，氣體的溫度降低，分子的平均動(dòng)能降低，平均速率減小，但不是每一個(gè)分子的速率都減小，選項(xiàng)D錯(cuò)誤。由狀態(tài)c到狀態(tài)a，氣體做等溫變化，根據(jù)熱力學(xué)第一定律ΔU=Q+W可知，氣體吸收的熱量等于對(duì)外做的功，選項(xiàng)E正確。