高考物理二轮复习光学热学和近代物理专题十七热学课件（63页PPT）

(共63张PPT)
专题十七　热　学
[专题复习定位]
1．能用分子动理论解释固体、液体和气体的微观结构及特点。
2．能用气体实验定律、热力学定律解释生产生活中的一些现象，解决某些实际问题。
高考真题再现
命题点1　热学的基本概念和规律
1．(2025·江苏卷，T8)一定质量的理想气体，体积保持不变。在甲、乙两个状态下，该气体分子速率分布图像如图所示。与状态甲相比，该气体在状态乙时(　 　)

A.分子的数密度较大
B.分子间平均距离较小
C.分子的平均动能较大
D.单位时间内分子碰撞单位面积器壁的次数较少
√
解析：理想气体质量不变，则分子总数不变，气体体积不变，则分子的数密度不变，平均每个分子占据的空间大小不变，即分子间平均距离保持不变，A、B错误；
由图像可知气体在状态乙相比于在状态甲“各速率区间的分子数占总分子数的百分比”中分子速率大的占比更多，即气体在状态乙温度更高，分子的平均动能较大，C正确；
状态乙气体温度较高，分子的平均速率较大，气体体积不变，则单位时间内分子碰撞单位面积器壁的次数较多，D错误。
2．(2025·黑吉辽蒙卷，T2)某同学冬季乘火车旅行，在寒冷的站台上从气密性良好的糖果瓶中取出糖果后拧紧瓶盖，将糖果瓶带入温暖的车厢内一段时间后，与刚进入车厢时相比，瓶内气体(　 　)
A.内能变小　　　 　 B．压强变大
C.分子数密度变大 D．每个分子动能都变大
√
解析：糖果瓶从刚进入车厢到进入车厢一段时间后，瓶内气体温度升高，内能变大，A错误；
气体体积不变，由查理定律可知，温度升高，压强变大，B正确；
糖果瓶气密性良好，气体分子数不变，气体体积不变，则分子的数密度不变，C错误；
气体的温度升高，分子的平均动能变大，但并非每个分子动能都变大，D错误。
命题点2　热力学定律和气体实验定律的综合应用
3．(2025·安徽卷，T3)在恒温容器内的水中，让一个导热良好的气球缓慢上升。若气球无漏气，球内气体(可视为理想气体)温度不变，则气球上升过程中，球内气体(　 　)
A.对外做功，内能不变
B.向外放热，内能减少
C.分子的平均动能变小
D.吸收的热量等于内能的增加量
√
解析：由于该容器为恒温容器，气球上升过程中球内气体温度不变，内能不变，分子平均动能不变，B、C、D错误；
随着气球上升，水对气球的压强逐渐减小，球内气体压强也逐渐减小，气体温度不变，根据玻意耳定律可知气体体积逐渐增大，气体对外做功，A正确。
4．(2025·陕晋青宁卷，T13)某种卡车轮胎的标准胎压范围为2.8×105 Pa～3.5×105 Pa。卡车行驶过程中，一般胎内气体的温度会升高，体积及压强也会增大。若某一行驶过程中胎内气体压强p随体积V线性变化如图所示，温度T1为300 K时，体积V1和压强p1分别为0.528 m3、3.0×105 Pa；当胎内气体温度升高到T2为350 K时，体积增大到V2为0.560 m3，气体可视为理想气体。
(1)求此时胎内气体的压强p2。
答案：3.3×105 Pa　
(2)若该过程中胎内气体吸收的热量Q为7.608×104 J，求胎内气体的内能增加量ΔU。
答案：6.6×104 J
命题点3　热力学定律和图像的结合
5.(2024·山东卷，T6)一定质量理想气体经历如图所示的循环过程，a→b过程是等压过程，b→c过程中气体与外界无热量交换，c→a过程是等温过程。下列说法正确的是(　 　)

A.a→b过程，气体从外界吸收的热量全部用于对外做功
B.b→c过程，气体对外做功，内能增加
C.a→b→c过程，气体从外界吸收的热量全部用于对外做功
D.a→b过程，气体从外界吸收的热量等于c→a过程放出的热量
√
解析：a→b过程压强不变，是等压变化且体积增大，气体对外做功，W<0，由盖 -吕萨克定律可知Tb>Ta，即内能增大，ΔUab>0，根据ΔU＝Q＋W可知a→b过程，气体从外界吸收的热量一部分用于对外做功，另一部分用于增加内能，A错误；
c→a过程为等温过程，所以Tc＝Ta，结合Tb>Ta分析可知Tb>Tc，所以b到c过程气体的内能减少，故B错误；
c→a过程为等温过程，ΔUac＝0，根据热力学第一定律可知a→b→c过程，气体从外界吸收的热量全部用于对外做功，C正确；
a→b→c→a一整个热力学循环过程ΔU＝0，整个过程气体对外做功，因此a→b过程气体从外界吸收的热量不等于c→a过程放出的热量，D错误。
6.(2023·广东卷，T13)在驻波声场作用下，水中小气泡周围液体的压强会发生周期性变化，使小气泡周期性膨胀和收缩，气泡内气体可视为质量不变的理想气体，其膨胀和收缩过程可简化为如图所示的pV图像，气泡内气体先从压强为p0、体积为V0、温度为T0的状态A等温膨胀到体积为5V0、压强为pB的状态B，然后从状态B绝热收缩到体积为V0、压强为1.9p0、温度为TC的状态C，B到C过程中外界对气体做功为W。已知p0、V0、T0和W。求：
(1)pB的表达式；
(2)TC的表达式；
答案：TC＝1.9T0　
(3)B到C过程，气泡内气体的内能变化量。
解析：根据热力学第一定律可知ΔU＝W＋Q
其中Q＝0，故气体内能增加量ΔU＝W。
答案：W
命题点4　气体实验定律的综合应用
7.(2025·湖北卷，T3)如图所示，内壁光滑的气缸内用活塞密封一定量理想气体，气缸和活塞均绝热。用电热丝对密封气体加热，并在活塞上施加一外力F，使气体的热力学温度缓慢增大到初态的2倍，同时其体积缓慢减小。关于此过程，下列说法正确的是(　　)
A.外力F保持不变
B.密封气体内能增加
C.密封气体对外做正功
D.密封气体的末态压强是初态的2倍
√
气体体积减小，气体对外界做负功，C错误；
8.(2024·广东卷，T13)差压阀可控制气体进行单向流动，广泛应用于减震系统。如图所示，A、B两个导热良好的气缸通过差压阀连接，A内轻质活塞的上方与大气连通，B内气体体积不变。当A内气体压强减去B内气体压强大于Δp时差压阀打开，A内气体缓慢进入B中；当该差值小于或等于Δp时差压阀关闭。当环境温度T1＝300 K时，A内气体体积 VA1＝4.0×102 m3，B内气体压强pB1等于大气压强p0，已知活塞的横截面积S＝0.10 m2，Δp＝0.11p0，p0＝1.0×105 Pa，重力加速度大小g取10 m/s2，A、B内的气体可视为理想气体，忽略活塞与气缸间的摩擦，差压阀与连接管内的气体体积不计。当环境温度降到T2＝270 K时：
(1)求B内气体压强pB2；
(2)求A内气体体积 VA2；
解析：(1)(2)假设温度降低到T2时，差压阀没有打开，A、B两个气缸导热良好，B内气体做等容变化
初态pB1＝p0，T1＝300 K
末态T2＝270 K
答案：(1)9×104 Pa　(2)3.6×102 m3
(3)在活塞上缓慢倒入铁砂，若B内气体压强回到p0并保持不变，求已倒入铁砂的质量m。
答案：1.1×102 kg
9.(2025·广东卷，T13)如图是某铸造原理示意图，往气室注入空气增加压强，使金属液沿升液管进入已预热的铸型室，待铸型室内金属液冷却凝固后获得铸件。柱状铸型室通过排气孔与大气相通，大气压强p0＝1.0×105 Pa，铸型室底面积S1＝0.2 m2，高度h1＝0.2 m，底面与注气前气室内金属液面高度差H＝0.15 m，柱状气室底面积S2＝0.8 m2，注气前气室内气体压强为p0，金属液的密度ρ＝5.0×103 kg/m3，重力加速度g取10 m/s2，空气可视为理想气体，不计升液管的体积。
(1)求金属液刚好充满铸型室时，气室内金属液面下降的高度h2和气室内气体压强p1。
解析：金属液刚好充满铸型室时，有h1S1＝h2S2，代入数据解得h2＝0.05 m，则气室内气体的压强p1＝p0＋ρg(h1＋H＋h2)，代入数据解得p1＝1.2×105 Pa。
答案：0.05 m　1.2×105 Pa　
(2)若在注气前关闭排气孔使铸型室密封，且注气过程中铸型室内温度不变，求注气后铸型室内的金属液高度h3＝0.04 m时，气室内气体的压强p2。
解析：设注气后气室金属液液面下降的高度为h4，则有h3S1＝h4S2，解得h4＝0.01 m，由于注气过程中铸型室内温度不变，则对铸型室内气体，由玻意耳定律有p0S1h1＝p′S1(h1－h3)，解得注气后铸型室内气体的压强p′＝1.25×105 Pa，所以注气后气室内气体压强p2＝p′＋ρg(h3＋H＋h4)，解得p2＝1.35×105 Pa。
答案：1.35×105 Pa
题型分类讲练
√
考向2　分子动理论
1．扩散现象、布朗运动与热运动
现象 扩散现象 布朗运动 热运动
活动主体 分子 固体微小颗粒 分子
共同
点 (1)都是无规则运动；
(2)都随温度的升高而更加剧烈
区别 是分子的运动，发生在固体、液体、气体任何两种物质之间 是比分子大得多的颗粒的运动，只能在液体、气体中发生 是分子的运动，不能通过光学显微镜直接观察到
联系 扩散现象、布朗运动都反映了分子做无规则的热运动
2.分子力和分子势能
分子力F、分子势能Ep与分子间距离r的关系图线如图所示
(取无穷远处分子势能Ep＝0)。
(1)当r＞r0时，分子力表现为引力，当r增大时，分子力做负功，分子势能增加。
(2)当r＜r0时，分子力表现为斥力，当r减小时，分子力做负功，分子势能增加。
(3)当r＝r0时，分子势能最小。
3．气体压强的微观解释
　关于热现象，下列说法正确的是(　 　)
A．温度由摄氏温度t升至2t，对应的热力学温度便由T升至2T
B．相同温度下液体中悬浮的花粉颗粒越大，布朗运动越剧烈
C．做功和热传递是改变物体内能的两种方式
D．分子间距离越大，分子势能越大，分子间距离越小，分子势能也越小
√
解析：温度由摄氏温度t升至2t，对应的热力学温度便由T升至T′，因T＝t＋273，T′＝2t＋273，所以T′不等于2T，故A错误。
相同温度下液体中悬浮的花粉颗粒越小，受力越不易平衡，布朗运动越剧烈，故B错误。
根据热力学第一定律可知，做功和热传递是改变物体内能的两种方式，故C正确。
分子力表现为斥力时，分子间距离变大，分子力做正功，分子势能越小，分子间距离变小，分子力做负功，分子势能越大；分子力表现为引力时，分子间距离变大，分子力做负功，分子势能越大，分子间距离变小，分子力做正功，分子势能越小，故D错误。
　(多选)图甲是三颗微粒做布朗运动的位置连线图，图乙是静止在水面上的硬币，图丙是氧气分子速率分布图，图丁是空气压缩仪点燃硝化棉。下列说法正确的是(　 　)

A.图甲中，微粒越小，布朗运动越明显
B．图乙中，硬币能浮在水面上，主要是因为水的浮力
C．图丙中，温度升高，所有氧气分子的速率都增大
D．图丁中，压缩空气压缩仪内的空气，空气的温度升高，内能增大
√
√
解析：微粒越小，受力越不平衡，布朗运动越明显，故A正确；
硬币浮在水面上，主要是因为水的表面张力，故B错误；
温度升高，氧气分子的平均速率增大，但不是每一个分子速率都增大，故C错误；
压缩空气，外界对气体做功，空气的温度升高，内能增大，故D正确。
考向3　固体和液体的性质
1．晶体和非晶体
(1)单晶体具有各向异性，但不是在各种物理性质上都表现出各向异性。
(2)只要具有各向异性的物体必定是晶体，且是单晶体。
(3)只要具有确定熔点的物体必定是晶体，反之，必是非晶体。
2．液体表面张力
(1)形成原因：表面层中分子间距离比液体内部分子间距离大，分子间作用力表现为引力。
(2)方向：和液面相切，垂直于液面上的各条分界线。
　下列关于固体、液体、气体的说法正确的是(　 　)
A．夏季干旱时，给庄稼松土是为了破坏土壤中的毛细管，防止水分蒸发
B．晶体沿不同方向的导热或导电性能不同，但沿不同方向的光学性质一定相同
C．由于液体表面层分子间距离大于液体内部分子间距离，所以存在浸润现象
D．炒菜时我们看到的烟气，是因为油烟颗粒的热运动
√
解析：土壤中存在一系列毛细管，水分通过毛细管能够上升到地面蒸发，夏季干旱时，给庄稼松土是为了破坏土壤中的毛细管，防止水分蒸发，A正确；
晶体分为单晶体与多晶体，单晶体在导热、导电与光学性质上表现出各向异性，即沿不同方向上的性能不相同，多晶体在导热、导电与光学性质上表现出各向同性，即沿不同方向上的性能相同，B错误；
由于液体附着层分子间距离小于液体内部分子间距离，所以存在浸润现象，C错误；
油烟颗粒是宏观粒子，油烟颗粒的运动不是热运动，D错误。
　“天宫课堂”中，航天员王亚平演示了“液桥演示实验”，即在太空中，两个塑料板间用水搭建一座长约10 cm的桥，如图1所示。受其启发，某学生设想“天地同一实验”，即在空间站和地面做同一个实验，观察实验现象，下列说法正确的是(　 　)
A．液桥的建立是由于液体表面存在张力，
在地面做相同实验，也能观察到同样长度的桥
B．用图2中的器材做单摆实验，空间站和地面实验现象相同
C.图3相同密闭容器内装着完全相同的气体，在相同温度下，空间站和地面容器内气体压强不同
D．图4将两端开口的圆柱形毛细管竖直插入水中，相同装置在空间站和地面观察到管中液面升高的高度不同
√
解析：液桥的建立是由于液体表面存在张力，液体表面张力很弱，而在地面做相同实验，由于重力的影响，不会看到相同长度的液桥，故A错误；
用一根绳子系着一个金属球，拉开一个角度，静止释放后，由于“天上”完全失重，小球相对于空间站静止不动，“地上”由于重力的影响，小球将做简谐运动，所以观察到的实验现象不相同，故B错误；
气体压强是由于气体分子频繁碰撞器壁而产生的，题图3中相同密闭容器内装着完全相同的气体，在相同的温度下，分子平均动能相同，“天上”和“地上”容器内气体压强相同，故C错误；
题图4中用相同装置在空间站和地面观察管中液面上升的高度，由于“天上”完全失重，观察到水上升到毛细管顶部，“地上”由于重力的影响，观察到水上升一小段距离后静止不动，所以观察到的实验现象不相同，故D正确。
题型二　热力学定律和气体实验定律
考向1　热力学定律
1．热力学第一定律
(1)改变物体内能的两种方式：做功和传热。
(2)热力学第一定律
①内容：一个热力学系统的内能变化量等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的和。
②表达式：ΔU＝Q＋W。
③ΔU＝Q＋W中正、负号法则
物理量 W Q ΔU
＋ 外界对
物体做功 物体吸收热量 内能增加
－ 物体对外
界做功 物体放出热量 内能减少
2.热力学第二定律
(1)两种表述
①克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传到高温物体。
②开尔文表述：不可能从单一热库吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响。
(2)能量耗散：分散在环境中的内能不管数量多么巨大，它也只不过能使地球、大气稍稍变暖一点，却再也不能自动聚集起来驱动机器做功了。
　内壁光滑的“U”形导热气缸用不计质量的轻活塞封闭一定体积的空气(可视为理想气体)，浸在盛有大量冰水混合物的水槽中，活塞在水面下，如图所示。现在轻活塞上方缓慢倒入沙子，下列说法正确的是(　 　)

A．封闭空气分子的平均动能增大
B．活塞压缩封闭空气做功，封闭空气内能增大
C．封闭空气的压强变大
D．封闭空气从外界吸收了热量
√
解析：当将沙子缓慢倒在气缸活塞上时，气体被压缩，外界对气体做功，但由于气缸导热，且浸在盛有大量冰水混合物的水槽中，因此缸内气体的温度不变，则可知气体的内能不变，而温度是衡量分子平均动能的标志，温度不变则分子平均动能不变，故A、B错误；
外界对气体做功，气体的体积减小，单位体积内的分子数目增多，而气缸导热，温度不变，气体分子平均运动速率不变，则可知比起之前的状态，单位时间内单位体积的分子对器壁的碰撞次数增加，因此封闭气体的压强变大，故C正确；
根据热力学第一定律可知ΔU＝Q＋W，由于气缸导热，封闭气体的温度不变，即内能不变，而外界又对气体做功，因此气体要向外界放热，故D错误。
　 (2023·江苏卷，T3)如图所示，密闭容器内一定质量的理想气体由状态A变化到状态B。该过程中(　 　)

A．气体分子的数密度增大
B．气体分子的平均动能增大
C．单位时间内气体分子对单位面积器壁的作用力减小
D．单位时间内与单位面积器壁碰撞的气体分子数减小
√
从A到B气体的温度升高，则气体分子的平均动能增大，B正确；
从A到B气体的压强增大，气体分子的平均速率增大，则单位时间内气体分子对单位面积的器壁的作用力增大，C错误；
气体的分子密度不变，从A到B气体分子的平均速率增大，则单位时间内与单位面积器壁碰撞的气体分子数增大，D错误。
(1)活塞恰好上升到气缸顶部时气体的温度和气体吸收的热量；
答案：3T1　3RT1＋2p0LS　
(2)当加热到热力学温度为6T1时气体的压强。
答案：2p0
题型三　气体“变质量”问题
1．化变质量为恒质量——等效的方法
在充气、抽气的问题中可以假设把充进或抽出的气体包含在气体变化的始末状态中，即用等效法把变质量问题转化为恒定质量的问题。
2．应用克拉伯龙方程
其方程为pV＝nRT。这个方程有4个变量：p是指理想气体的压强，V为理想气体的体积，n表示气体的物质的量，而T表示理想气体的热力学温度，还有一个常量R为理想气体常数。
　高压锅结构示意图如图所示，气孔1使锅内气体与外界连通，随着温度升高，锅内液体汽化加剧，当温度升到某一值时，小活塞上移，气孔1封闭。锅内气体温度继续升高，当气体压强增大到设计的最大值1.4p0时，气孔2上的限压阀被顶起，气孔2开始放气。气孔2的横截面积为12 mm2，锅内气体可视为理想气体。已知大气压p0＝1.0×105 Pa，重力加速度g取
10 m/s2，不计一切摩擦。
(1)求限压阀的质量m。
解析：当锅内气体压强增大到设计的最大值p1＝1.4p0时，限压阀被顶起，由平衡条件可得
p1S＝p0S＋mg
解得m＝0.048 kg。
答案：0.048 kg　
(2)若限压阀被顶起后，立即用夹子夹住限压阀使其放气，假设放气过程锅内气体温度不变，则当锅内气压降至p0时，求放出的气体与限压阀被顶起前锅内气体的质量比。
答案：2∶7
题型四　气体实验定律的综合应用
　 某山地车气压避震器主要部件为活塞杆和圆柱形
气缸(出厂时已充入一定量气体)。气缸内气柱长度变化
范围为40 mm～100 mm，气缸导热性良好，不计活塞杆
与气缸间摩擦。
(1)将其竖直放置于足够大的加热箱中(加热箱中气压恒定)，当温度T1＝
300 K时空气柱长度为60 mm，当温度缓慢升至T2＝360 K时空气柱长度为72 mm，通过计算判断该避震器的气密性是否良好。
答案：见解析　
(2)在室外将避震器安装在山地车上，此时空气柱长度为100 mm，气缸内的压强为5p0，骑行过程中颠簸导致气柱长度在最大范围内变化(假定过程中气体温度恒定)，求气缸内的最大压强。(结果用p0表示)
解析：骑行过程中，气缸内气体为等温变化，有
p3l3S＝p4l4S
代入p3＝5p0，l3＝100 mm，l4＝40 mm
解得p4＝12.5p0
骑行过程中气缸内的压强最大值为12.5p0。
答案：12.5p0