2025届高考物理二轮复习讲义：第11讲 热学 【含答案】

2025届高考物理二轮复习讲义：第11讲 热学
【网络构建】
【关键能力】 理解分子动理论,知道固体、液体的性质,掌握气体实验定律、理想气体状态方程和热力学定律的适用条件和解题方法,关注气体状态变化(等温、等压、等容)图像的应用.热学计算题情境虽然抽象,但研究对象的模型通常有3类:汽缸—活塞模型、玻璃管—液柱模型和“变质量”模型.
题型1　分子动理论　固体、液体与气体
　　　　　 　　　　　 　　　　　
1.理解微观分子的结构模型,进而理解分子大小、分子数量、分子力、分子势能.
2.理解微观分子的运动模型,进而理解布朗运动、温度与压强、分子运动速率的正态分布规律.
3.理解微观分子力模型,进而理解液体表面张力与浸润不浸润现象.
4.知道区分晶体和非晶体的标准是看是否有确定的熔点.
5.理解影响气体压强的因素
(1)气体分子平均动能——温度.
(2)单位时间单位面积上的撞击次数——单位体积内分子数.
例1　[2024·舟山模拟] 下列说法中不正确的是(　)
A.图甲中,温度升高,曲线峰值向右移动
B.图甲中,同一温度下,气体分子的速率都呈“中间多、两头少”的分布
C.由图乙可知,当分子间的距离从r2逐渐减小为r0时,分子力先做正功后做负功
D.由图乙可知,当分子间的距离从r2逐渐减小为r0时,分子势能不断减小

【技法点拨】
针对甲图,需要注意以下几点:①同一温度下速率分布“中间多,两头少”;②温度越高,分子速率大的分子数占总分子数百分比增加,分子平均速率增大;③分子在整个速率范围(0~∞)内的概率总和为100%.
例2　(不定项)[2024·杭州高级中学模拟] 体积相同的玻璃瓶A、B分别装满温度为60 ℃的热水和0 ℃的冷水(如图所示),下列说法正确的是 (　)
A.由于温度越高,布朗运动越显著,所以A瓶中水分子的布朗运动比B瓶中水分子的布朗运动更显著
B.若把A、B两只玻璃瓶并靠在一起,则A、B瓶内水的内能都将发生改变,这种改变内能的方式叫传热
C.由于A、B两瓶水的体积相等,所以A、B两瓶中水分子的平均距离相等
D.已知水的相对分子质量是18,若B瓶中水的质量为3 kg,水的密度为1.0×103 kg/m3,阿伏加德罗常数NA=6.02×1023 mol-1,则B瓶中水分子个数约为1.0×1026个
【技法点拨】
温度是分子平均动能的标志,水分子数与A、B瓶内水的体积有关,内能也与水的体积有关,相同体积不同温度水分子的个数不同,平均距离就不同,故平均距离与温度有关.已知B瓶中水的质量、水的相对分子质量和阿伏加德罗常数,根据它们之间的关系式即可计算水分子数.
【迁移拓展】
1.[2024·湖州模拟] 关于下列各图所对应现象的描述,正确的是 (　)
A.图甲中水黾可以停在水面,是因为受到水的浮力作用
B.图乙中玻璃容器中的小水银滴呈球形,是因为表面张力
C.图丙中插入水中的塑料笔芯内水面下降,说明水浸润塑料笔芯
D.图丁中拖拉机锄松土壤,是为了利用毛细现象将土壤里的水分引上来
2.(不定项)[2024·舟山模拟] 在中国首次太空授课活动中,航天员展示了失重环境下的物理现象,其中有一实验是航天员挤出的水在空中形成水球.水球蕴涵着很多物理知识,下列说法正确的是(　)
A.水球中的水分子的直径数量级为10-8 m
B.1 kg 0 ℃水的内能比1 kg 0 ℃冰的内能大
C.挤出的水呈球形是水的表面张力作用的结果
D.悬浮在水中的小颗粒做无规则运动,说明水分子间存在相互作用力
题型2　气体实验定律　理想气体状态方程
　　　　　 　　　　　 　　　　　
1.气体实验定律及理想气体状态方程
(1)适用条件:质量一定的理想气体.
(2)玻意耳定律、盖-吕萨克定律、查理定律这三个气体实验定律是理想气体状态方程在其中一个状态参量不变情况下的特例.
2.合理选取气体变化所遵循的规律列方程
(1)若气体质量一定,p、V、T中有一个量不发生变化,则选用对应的气体实验定律列方程求解.
(2)若气体质量一定,p、V、T均发生变化,则选用理想气体状态方程列式求解.
3.热系统的宏观表现主要有三个方面,一是热力平衡,二是热参量的实验定律,三是热力学三定律(包括能量守恒定律).
(1)压强的宏观表现为对象的力平衡,根据平衡求解气体压强;
(2)掌握几个典型的热过程(等温、等容、等压),初、末状态参量规律与图像表述;
(3)根据受力做功与温度变化(内能由温度决定)分析功与内能的变化,进而确定吸热、放热.
例3　[2024·绍兴模拟] 如图所示,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.这就是热机的“卡诺循环”,则(　)
A.A→B过程说明,热机可以从单一热源吸热对外做功而不引起其他变化
B.B→C过程中,气体分子在单位时间内碰撞单位面积器壁的平均冲量增大
C.C→D过程中,气体的内能增大
D.整个循环过程中,气体从外界吸收热量
例4　[2024·浙江1月选考] 如图所示,一个固定在水平面上的绝热容器被隔板A分成体积均为V1=750 cm3的左右两部分.面积为S=100 cm2的绝热活塞B被锁定,隔板A的左侧为真空,右侧中一定质量的理想气体处于温度T1=300 K、压强p1=2.04×105 Pa的状态1.抽取隔板A,右侧中的气体就会扩散到左侧中,最终达到状态2.然后解锁活塞B,同时施加水平恒力F,仍使其保持静止.当电阻丝C加热时,活塞B能缓慢滑动(无摩擦),使气体达到温度T3=350 K的状态3,气体内能增加ΔU=63.8 J.已知大气压强p0=1.01×105 Pa,隔板厚度不计.
(1)气体从状态1到状态2是　　　　　(选填“可逆”或“不可逆”)过程,分子平均动能　　　　(选填“增大”“减小”或“不变”);
(2)求水平恒力F的大小;
(3)求电阻丝C放出的热量Q.
【迁移拓展】
1.[2024·杭州模拟] 如图所示,在一个绝热的汽缸中,用一个横截面积S=80 cm2的绝热活塞A和固定的导热隔板B密封了两份氮气Ⅰ和Ⅱ,氮气Ⅰ、Ⅱ物质的量相等.当氮气Ⅰ和氮气Ⅱ达到热平衡时,体积均为V0=480 cm3,氮气Ⅰ压强为p1=1.03×105 Pa,温度为T1=300 K.现通过电热丝缓慢加热,当氮气Ⅱ的温度增加到T2=450 K时停止加热,该过程氮气Ⅱ内能增加了ΔU=60 J,已知大气压p0=1.01×105 Pa,重力加速度g取10 m/s2,活塞A与汽缸之间的摩擦不计.
(1)缓慢加热过程中,氮气Ⅰ、氮气Ⅱ具有相同的　　　　(选填“压强”“体积”或“温度”).
(2)求活塞A的质量;
(3)求氮气Ⅰ最终的体积;
(4)求氮气Ⅱ从电热丝上吸收的总热量.
2.[2024·宁波模拟] 某兴趣小组设计了一温度报警装置,原理图如图所示,竖直放置的导热汽缸内用质量m=0.2 kg、横截面积S=100 mm2、上表面涂有导电物质的活塞封闭一定质量的理想气体,当缸内气体的温度T1=300 K时,活塞下表面与汽缸底部的距离h1=6 cm,上表面与a、b两触点的距离h2=3 cm.当活塞上移至卡口处时,上表面恰好与a、b两触点接触,触发报警器报警.不计一切摩擦,大气压强恒为p0=1.0×105 Pa,重力加速度g取10 m/s2.
(1)求该报警装置报警的最低热力学温度T2;
(2)当环境温度缓慢升高到T3=600 K时,求封闭气体的压强p2;
(3)若环境温度由T1=300 K缓慢升高到T3=600 K时,汽缸内气体吸收热量1.8 J,求该部分气体内能的增量ΔU.
参考答案与详细解析
题型1
例1　C　[解析] 温度越高,分子运动越剧烈,图甲中,温度升高,曲线峰值向右移动,故A正确,不符合题意;图甲中,同一温度下,气体分子的速率都呈“中间多、两头少”的分布,故B正确,不符合题意;由图乙可知,当分子间的距离从r2逐渐减小为r0时,分子力一直表现为引力,分子力一直做正功,故C错误,符合题意;由图乙可知,当分子间的距离从r2逐渐减小为r0时,分子力一直做正功,分子势能不断减小,故D正确,不符合题意.
例2　BD　[解析] 温度是分子平均动能的标志,布朗运动是悬浮在液体中固体颗粒的无规则运动,不是水分子的运动,A错误;若把A、B两只玻璃瓶并靠在一起,则A、B瓶内水的内能都将发生改变,热量会由A传递到B,这种改变内能的方式叫传热,B正确;相同体积不同温度时水分子的平均距离不同,C错误;已知B瓶中水的质量为m=3 kg,水的摩尔质量M=18 g/mol,则水分子的个数n=NA=1×1026个,D正确.
【迁移拓展】
1.B　[解析] 水黾可以停在水面是因为水的表面张力,故A错误;水银的表面张力比较大,同时水银和空气之间的相互作用力也比较小,这就导致了水银在接触到其他物体时,会尽可能地减少表面积,从而形成球状,故B正确;当一根内径很细的管垂直插入液体中时,浸润液体在管里上升,而不浸润液体在管内下降,故C错误;拖拉机锄松土壤,是为了破坏毛细管减小水分蒸发,故D错误.
2.BC　[解析] 水分子的直径数量级为10-10 m,故A错误;质量相同时,0 ℃水凝结成冰的过程要放出热量,内能减小,所以1 kg 0 ℃水的内能比1 kg 0 ℃冰的内能大,故B正确;液体的表面张力使液体表面有收缩的趋势,而同样体积的物体,球体的表面积最小,水呈球形是水的表面张力作用的结果,故C正确;悬浮在水中的小颗粒做无规则运动,是由于小颗粒受到水分子碰撞导致受力不平衡,说明了水分子在做永不停息的无规则运动,故D错误.
题型2
例3　D　[解析] 根据热力学第二定律可知,不可能从单一热源吸热全部用来对外做功而不引起其他变化,A错误;B→C过程中,绝热膨胀,气体对外做功,内能减小,温度降低,分子的平均动能减小,压强变小,根据I=pSΔt可知,气体分子在单位时间内碰撞单位面积器壁的平均冲量减小,B错误;C→D为等温过程,温度是理想气体的内能大小的标度,故温度恒定,内能不变,C错误;整个循环过程中,气体对外做功,从状态A回到状态A,温度相同,根据热力学第一定律可知气体必从外界吸收热量,D正确.
例4　(1)不可逆　不变　(2)10 N　
(3)89.3 J
[解析] (1)气体从状态1到状态2是气体向真空扩散的过程,属于热现象中的自发过程,是不可逆的;由于气体与外界间没有做功且不传热,所以气体内能不变,理想气体温度不变,分子平均动能不变.
(2)气体从状态1到状态2,根据玻意耳定律得p1V1=p2V2
其中V2=2V1
解得p2=1.02×105 Pa
对活塞B有F+p0S=p2S
解得F=10 N
(3)气体从状态2到状态3,根据盖-吕萨克定律得=
解得V3=1750 cm3
根据热力学第一定律ΔU=W+Q
其中W=-p2(V3-V2)
解得Q=89.3 J
【迁移拓展】
1.(1)温度　(2)1.6 kg　(3)720 cm3　(4)144.72 J
[解析] (1)缓慢加热过程中,氮气Ⅰ、氮气Ⅱ通过导热隔板B传热,具有相同的温度.
(2)对氮气Ⅰ有
p1=p0+
解得活塞A的质量
m=1.6 kg
(3)加热前后氮气Ⅰ压强不变,由盖-吕萨克定律得
=
解得氮气Ⅰ最终的体积
V1=720 cm3
(4)导热隔板B固定,氮气Ⅱ的体积不变,外界对气体做功
W=0
由热力学第一定律ΔU=W+Q,可得氮气Ⅱ从电热丝及氮气Ⅰ上吸收的总热量
Q=ΔU=60 J
氮气Ⅰ、Ⅱ物质的量相等,温度相同,所以内能也相同,故内能变化量也相同,氮气Ⅰ内能变化量为
ΔU'=ΔU=60 J
氮气Ⅰ发生等压变化,得
ΔU'=Q'+W
W=-p1(V1-V0)
联立解得Q'=84.72 J
故氮气Ⅱ从电热丝上吸收的总热量为
Q总=Q+Q'=144.72 J
2.(1)450 K　(2)1.6×105 Pa　
(3)1.44 J
[解析] (1)环境温度缓慢上升,活塞刚到达卡扣处,此过程中封闭气体处于等压膨胀过程,则有
=
解得T2=450 K
(2)加热之前,根据平衡条件有
mg+p0S=p1S
解得p1=1.2×105 Pa
当环境的热力学温度升高到T3=600 K时,根据理想气体状态方程有
=
解得p2=1.6×105 Pa
(3)环境的热力学温度由T1=300 K升高到T3=600 K时,外界对气体做功为
W=-p1Sh2=-0.36 J
由热力学第一定律可得
ΔU=W+Q
可得ΔU=1.44 J