专题12 分子动理论　气体及热力学定律-2014年高考物理考纲解读及热点难点试题演练 Word版含解析

(1)分子动理论、物体的内能
(2)晶体与非晶体
(3)气体压强的计算
(4)气体实验定律的应用
(5)热力学定律的理解及应用
【命题趋势】
2014年高考对本专题内容的考查仍将以分子动理论和热力学定律及气体状态方程应用为重点，以组合题形式出现．
一、分子动理论与气体实验定律的组合
1.关于分子动理论的几个问题
(1)分子模型：①球形：V＝πd3.
②立方体形：V＝a3.
(2)分子数N＝nNA＝NA＝NA.
2．气体实验定律：气体的状态由热力学温度、体积和压强三个物理量决定．
(1)等温变化：pV＝C或p1V1＝p2V2
(2)等容变化：＝C或＝
(3)等压变化：＝C或＝
二、热力学定律、内能与气体实验定律的组合
1.热力学第一定律：ΔU＝Q＋W
2．在热力学第二定律的表述中，“自发地”、“不产生其他影响”的涵义．
(1)“自发地”指明了热传递等热力学宏观现象的方向性，不需要借助外界提供能量的帮助．
(2)“不产生其他影响”的涵义是发生的热力学宏观过程只在本系统内完成，对周围环境不产生热力学方面的影响，如吸热、放热、做功等．
3．热力学第一定律说明发生的任何过程中能量必定守恒，热力学第二定律说明并非所有能量守恒的过程都能实现．
考点1、分子动理论与气体实验定律的组合
1.关于分子动理论的几个问题
(1)分子模型：①球形：V＝πd3.
②立方体形：V＝a3.
(2)分子数N＝nNA＝NA＝NA.
(3)分子力、分子势能与分子间距离的关系．
2．气体实验定律：气体的状态由热力学温度、体积和压强三个物理量决定．
(1)等温变化：pV＝C或p1V1＝p2V2
(2)等容变化：＝C或＝
(3)等压变化：＝C或＝
【例1】
(1)下列说法正确的是______．(填入正确选项前的字母)．
A．已知某物质的摩尔质量为M，密度为ρ，阿伏加德罗常数为NA.则该种物质的分子体积为V0＝
B．布朗运动是在显微镜下看到的液体分子的无规则运动
C．分子质量不同的两种气体温度相同．它们分子的平均动能一定相同
D．两个分子间距增大的过程中，分子间的作用力一定减小
(2)
如图6－12－4所示，两端开口的U形玻璃管两边粗细不同，粗管横截面积是细管的2倍．管中装入水银，两管中水银面与管口距离均为12 cm，大气压强为p0＝75 cmHg.现将粗管管口封闭，然后将细管管口用一活塞封闭并将活塞缓慢推入管中，直到两管中水银面高度差达6 cm为止，求活塞下移的距离(假设环境温度不变)．
【特别提醒】
应用气体实验定律的解题思路
(1)选择对象——即某一定质量的理想气体；
(2)找出参量——气体在始末状态的参量p1、V1、T1及p2、V2、T2；
(3)认识过程——认清变化过程是正确选用物理规律的前提；
(4)列出方程——选用某一实验定律或气态方程，代入具体数值求解，并讨论结果的合理性．　　　　　　　　　　
【变式探究】
(1)
两分子间的斥力和引力的合力F与分子间距离r的关系如图6－12－5中曲线所示，曲线与r轴交点的横坐标为r0.相距很远的两分子在分子力作用下，由静止开始相互接近．若两分子相距无穷远时分子势能为零，下列说法正确的是(　　)．
A．在r>r0阶段，F做正功，分子动能增加，势能减小
B．在rC．在r＝r0时，分子势能最小，动能最大
D．在r＝r0时，分子势能为零
E．分子动能和势能之和在整个过程中不变
(2)
某学校科技兴趣小组利用废旧物品制作了一个简易气温计：在一个空葡萄酒瓶中插入一根两端开口的玻璃管，玻璃管内有一段长度可忽略的水银柱，接口处用蜡密封，将酒瓶水平放置，如图6－12－6所示，已知该装置密封气体的体积为480 cm3，玻璃管内部横截面积为0.4 cm2，瓶口外的有效长度为48 cm.当气温为7 ℃时，水银柱刚好处在瓶口位置．
①求该气温计能测量的最高气温．
②假设水银柱从瓶口处缓慢移动到最右端的过程中，密封气体从外界吸收3 J热量，问在这一过程中该气体的内能如何变化？变化了多少？(已知大气压为1×105 Pa)
考点2、热力学定律、内能与气体实验定律的组合
【例2】 (2013·江苏卷，12A)
如图6－12－8所示，一定质量的理想气体从状态A依次经过状态B、C和D后再回到状态A.其中，A―→B和C―→D为等温过程，B―→C和D―→A为绝热过程(气体与外界无热量交换)．这就是著名的“卡诺循环”．
(1)该循环过程中，下列说法正确的是________．
A．A―→B过程中，外界对气体做功
B．B―→C过程中，气体分子的平均动能增大
C．C―→D过程中，单位时间内碰撞单位面积器壁的分子数增多
D．D―→A过程中，气体分子的速率分布曲线不发生变化
(2)该循环过程中，内能减小的过程是________(选填“A―→B”、“B―→C”、“C―→D”或“D―→A”)．若气体在A―→B过程中吸收63 kJ的热量，在C―→D过程中放出38 kJ的热量，则气体完成一次循环对外做的功为________kJ.
(3)若该循环过程中的气体为1 mol，气体在A状态时的体积为10 L，在B状态时压强为A状态时的.求气体在B状态时单位体积内的分子数．(已知阿伏加德罗常数NA＝6.0×1023mol－1，计算结果保留一位有效数字)
【特别提醒】
牢记以下的几个结论：
(1)热量不能自发地由低温物体传递给高温物体；
(2)气体压强是由气体分子频繁地碰撞器壁产生的，压强大小与分子热运动的剧烈程度和分子密度有关；
(3)做功和热传递都可以改变物体的内能，理想气体的内能只与温度有关；
(4)温度变化时，意味着物体内分子的平均动能随之变化，并非物体内每个分子的动能都随之发生同样的变化．　　　　　　　　　　
【变式探究】
(1)在研究性学习的过程中，针对能源问题、大气污染问题同学们提出了如下四个活动方案，从理论上讲可行的是(　　)．
A．利用浅层海水和深层海水之间的温度差制造一种热机，将海水的全部内能转化为机械能是可能的
B．制作一种制冷设备，使温度降至绝对零度以下
C．将房屋顶盖上太阳能板，可直接用太阳能来解决照明和热水问题
D．汽车尾气中各类有害气体排入大气后严重污染了空气，想办法使它们自发地分离，既清洁了空气，又变废为宝
(2)
如图6－12－9所示，汽缸放置在水平平台上，活塞质量10 kg，横截面积50 cm2，厚度1 cm，汽缸全长21 cm，汽缸质量20 kg，大气压强为1×105 Pa，当温度为7 ℃时，活塞封闭的气柱长10 cm，若将汽缸倒过来放置时，活塞下方的空气能通过平台上的缺口与大气相通．g取10 m/s2，求：
①汽缸倒置时，活塞封闭的气柱多长；
②当温度多高时，活塞刚好接触平台．
难点1、热学基本知识与气体实验定律的组合
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.液晶的性质
液晶是一种特殊的物质，既可以流动，又可以表现出单晶体的分子排列特点，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有收缩到球形的趋势，表面张力的方向跟液面相切．
【例1】 (2013·山东卷，36)(1)下列关于热现象的描述正确的一项是(　　)．
A．根据热力学定律，热机的效率可以达到100%
B．做功和热传递都是通过能量转化的方式改变系统内能的
C．温度是描述热运动的物理量，一个系统与另一个系统达到热平衡时两系统温度相同
D．物体由大量分子组成，其单个分子的运动是无规则的，大量分子的运动也是无规律的
(2)
我国“蛟龙”号深海探测船载人下潜超过七千米，再创载人深潜新纪录．在某次深潜实验中，“蛟龙”号探测到990 m深处的海水温度为280 K．某同学利用该数据来研究气体状态随海水深度的变化．如图6－12－11所示，导热良好的气缸内封闭一定质量的气体，不计活塞的质量和摩擦，气缸所处海平面的温度T0＝300 K，压强p0＝1 atm，封闭气体的体积V0＝3 m3.如果将该气缸下潜至990 m深处，此过程中封闭气体可视为理想气体．
①求990 m深处封闭气体的体积(1 atm相当于10 m深的海水产生的压强)．
②下潜过程中封闭气体________(填“吸热”或“放热”)，传递的热量________(填“大于”或“小于”)外界对气体所做的功．
代入数据得V＝2.8×10－2 m3③
【答案】(1)C　(2)①2.8×10－2 m3　②放热　大于
【变式探究】
(1)科学家在“哥伦比亚”号航天飞机上进行了一次微重力条件(即失重状态)下制造泡沫金属的实验．把锂、镁、铝、钛等轻金属放在一个石英瓶内，用太阳能将这些金属融化成液体，然后在融化的金属中充入氢气，使金属内产生大量气泡，金属冷凝后就形成到处是微孔的泡沫金属．下列说法正确的是(　　)．
A．失重条件下液态金属呈现球状是由于液体表面分子间只存在引力
图6－12－12
B．在失重条件下充入金属液体内的气体气泡不能无限地膨胀是因为液体表面张力的约束
C．泡沫金属物理性质各向异性，说明它是晶体
D．泡沫金属物理性质各向异性，说明它是非晶体
(2)如图6－12－12所示的导热汽缸固定于水平面上，缸内用活塞密封一定质量的理想气体，外界大气压强保持不变，现使汽缸内气体温度由27 ℃缓慢升高到87 ℃，此过程中气体对活塞做功240 J，内能增加了60 J．活塞与汽缸间无摩擦、不漏气，且不计气体的重力，活塞可以缓慢自由滑动．则：
①缸内气体从外界吸收了多少热量？
②升温后缸内气体体积是升温前气体体积的多少倍？
【变式探究】
(1)下列说法中正确的是(　　)．
A．雨水没有透过布雨伞是因为液体表面存在张力
B．分子间的距离r增大，分子间的作用力做负功，分子势能增大
C．气体自发的扩散运动总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行
D．悬浮在液体中的微粒越大，在某一瞬间撞击它的液体分子数越多，布朗运动越明显
(2)
如图6－12－13所示，水平放置的汽缸内壁光滑，活塞的厚度不计，在A、B两处设有限制装置，使活塞只能在A、B之间运动，A左侧汽缸的容积为V0，A、B之间容积为0.1 V0，开始时活塞在A处，缸内气体压强为0.9p0(p0为大气压强)，温度为297 K，现通过对气体缓慢加热使活塞恰好移动到B.求
①活塞移动到B时，缸内气体温度TB；
②阐述活塞由A到B过程中，缸内气体吸热的理由．
1．(2013·浙江卷，13)一定质量的理想气体，从初始状态A经状态B、C、D再回到状态A，其体积V与温度T的关系如图6－12－14所示．图中TA、VA和TD为已知量．
(1)从状态A到B，气体经历的是________过程(填“等温”、“等容”或“等压”)；
(2)从B到C的过程中，气体的内能________(填“增大”、“减小”或“不变”)；
(3)从C到D的过程中，气体对外________(填“做正功”、“做负功”或“不做功”)，同时________(填“吸热”或“放热”)；
(4)气体在状态D时的体积VD＝________.
2．(1)下列说法正确的是________．
A．区分晶体与非晶体最有效的方法是看有没有规则的几何外形
B．已知某种液体的密度为ρ，摩尔质量为M，阿伏加德罗常数为NA，则该液体分子间的平均距离可以表示为或
C．分子间距离减小时，分子力一定增大
D．空气的相对湿度等于水蒸气的实际压强与同温下水的饱和汽压的比值
(2)用活塞将一定质量的理想气体密封在汽缸内，当汽缸开口竖直向上时封闭气体的长度为h，如图6－12－15甲所示．将汽缸慢慢转至开口竖直向下时，如图6－12－15乙所示，封闭气柱的长度为h.已知汽缸的导热性能良好，活塞与缸壁间的摩擦不计，外界温度不变，大气压强为p0.
①此过程气体是吸热还是放热？
②汽缸开口向上时，缸内气体的压强为多少？
3．(1)人类对自然的认识是从宏观到微观不断深入的过程，以下说法正确的是________．
A．液体的分子势能与体积有关
B．晶体的物理性质都是各向异性的
C．气体压强越大，气体分子的平均动能就越大
D．外界对气体做功，气体的内能一定增加
(2)气体温度计结构如图6－12－16所示，玻璃测温泡A内充有理想气体，通过细玻璃管B和水银压强计相连．开始时A处于冰水混合物中，左管C中水银面在O点处，右管D中水银面高出O点h1＝14 cm，后将A放入待测恒温槽中，上下移动D，使C中水银面仍在O点处，测得D中水银面高出O点h2＝44 cm.(已知外界大气压为1个标准大气压，1标准大气压相当于76 cmHg)
①求恒温槽的温度．
②此过程A内气体内能________(填“增大”或“减小”)，气体不对外做功，气体将________(填“吸热”或“放热”)．
p1＝p0＋ph1
4．(2013·重庆卷，10)(1)某未密闭房间内的空气温度与室外的相同，现对该室内空气缓慢加热，当室内空气温度高于室外空气温度时(　　)．
A．室内空气的压强比室外的小
B．室内空气分子的平均动能比室外的大
C．室内空气的密度比室外的大
D．室内空气对室外空气做了负功
(2)汽车未装载货物时，某个轮胎内气体的体积为V0，压强为p0；装载货物后，该轮胎内气体的压强增加了Δp.若轮胎内气体视为理想气体，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内气体体积的变化量．
5．(1)下列说法正确的是(　　)．
A．某种液体的饱和蒸汽压与温度有关
B．物体内所有分子热运动动能的总和就是物体的内能
C．气体的温度升高，每个分子的动能都增大
D．不是所有晶体都具有各向异性的特点
(2)
一定质量的理想气体，经过如图6－12－17所示的p－V图象由A经B到C的状态变化．设状态A的温度为400 K，求：
①状态C的温度TC为多少K
②如果由A经B到C的状态变化的整个过程中，气体对外做了400 J的功，气体的内能增加了20 J，则这个过程气体是吸收热量还是放出热量？其数值为多少？
(1)如图6－12－18所示，甲分子固定在坐标原点O，乙分子位于x轴上，甲分子对乙分子的作用力与两分子间距离的关系如图中曲线所示．F>0为斥力，F<0为引力，a、b、c、d为x轴上四个特定的位置，现把乙分子从a处静止释放，则(　　)．
A．乙分子从a到b做加速运动，由b到c做减速运动
B．乙分子由a到c做加速运动，到达c时速度最大
C．乙分子由a到b的过程中，两分子间的分子势能一直增加
D．乙分子由b到d的过程中，两分子间的分子势能一直增加
(2)一定质量的理想气体由状态A经状态B变成状态C，其中A→B过程为等压变化，B→C过程为等容变化．已知VA＝0.3 m3，TA＝TC＝300 K，TB＝400 K.
①求气体在状态B时的体积．
②说明B→C过程压强变化的微观原因．
③设A→B过程气体吸收热量为Q1，B→C过程气体放出热量为Q2，比较Q1、Q2的大小并说明原因．
7．(1)下列说法正确的是________．
A．液体的分子势能与液体的体积无关
B．为了保存玉米地的水分，可以锄松地面，破坏土壤里的毛细管
C．从微观角度看，气体对容器的压强是大量气体分子对容器壁的频繁碰撞引起的
D．扩散现象可以在液体、气体中进行，不能在固体中发生
(2)
一定质量的理想气体体积V与热力学温度T的关系图象如图6－12－19所示，气体在状态A时的压强p0＝1.0×105 Pa，线段AB与V轴平行．
①求状态B时的压强为多大？
②气体从状态A变化到状态B过程中，对外界做的功为10 J，求该过程中气体吸收的热量为多少？
8.如图所示，一密闭的截面积为S的圆筒形气缸，高为H，中间有一薄活塞，用一劲度系数为k的轻弹簧吊着，活塞重为G，与气缸紧密接触不导热，若Ⅰ、Ⅱ气体是同种气体，且质量、温度、压强都相同时，活塞恰好位于气缸的正中央，设活塞与气缸壁间的摩擦可不计，气缸内初始压强为p0=1.0×105 Pa，温度为T0，求；
(1)弹簧原长。
(2)如果将气缸倒置，保持气缸Ⅱ部分的温度不变，使气缸Ⅰ部分升温，使得活塞在气缸内的位置不变，则汽缸Ⅰ部分气体的温度升高多少
9.如图所示，在长为L=57 cm的一端封闭、另一端开口向上的竖直玻璃管内，用4 cm高的水银柱封闭着51 cm长的理想气体，管内外气体的温度均为33 ℃。现将水银徐徐注入管中，直到水银面与管口相平，此时管中气体的压强为多少 接着缓慢对玻璃管加热升温至多少时，管中刚好只剩4 cm高的水银柱 (大气压强p0=76 cmHg)
10.如图所示pV图中，一定质量的理想气体由状态A经过ACB过程至状态B，气体对外做功280 J，放出热量410 J;气体又从状态B经BDA过程回到状态A，这一过程中外界对气体做功200 J。
(1)ACB过程中气体的内能如何变化 变化了多少
(2)BDA过程中气体吸收还是放出多少热量