
[專題復習定位]1.能用分子動理論解釋固體、液體和氣體的微觀結(jié)構(gòu)及特點。2.能用氣體實驗定律、熱力學定律解釋生產(chǎn)生活中的一些現(xiàn)象,解決某些實際問題。
命題點1 氣體實驗定律和圖像的結(jié)合1.(2023·遼寧卷,T5)“空氣充電寶”是一種通過壓縮空氣實現(xiàn)儲能的裝置,可在用電低谷時儲存能量、用電高峰時釋放能量?!翱諝獬潆妼殹蹦硞€工作過程中,一定質(zhì)量理想氣體的p-T圖像如圖所示。該過程對應(yīng)的p-V圖像可能是( )
2.(2024·江西卷,T13)可逆斯特林熱機的工作循環(huán)如圖所示。一定質(zhì)量的理想氣體經(jīng)ABCDA完成循環(huán)過程,AB和CD均為等溫過程,BC和DA均為等容過程。已知T1=1 200 K,T2=300 K,氣體在狀態(tài)A的壓強pA=8.0×105 Pa,體積V1=1.0 m3,氣體在狀態(tài)C的壓強pC=1.0×105 Pa。求:
(1)氣體在狀態(tài)D的壓強pD;
答案:2×105 Pa
(2)氣體在狀態(tài)B的體積V2。解析:從C到D狀態(tài),根據(jù)玻意耳定律pCV2=pDV1解得V2=2.0 m3。答案:2.0 m3
命題點2 熱力學定律和氣體實驗定律3.(多選)(2024·新課標卷,T21)如圖,一定量理想氣體的循環(huán)由下面4個過程組成:1→2為絕熱過程(過程中氣體不與外界交換熱量),2→3為等壓過程,3→4為絕熱過程,4→1為等容過程。上述四個過程是四沖程柴油機工作循環(huán)的主要過程。下列說法正確的是( )A.1→2過程中,氣體內(nèi)能增加B.2→3過程中,氣體向外放熱C.3→4過程中,氣體內(nèi)能不變D.4→1過程中,氣體向外放熱
解析:1→2為絕熱過程,根據(jù)ΔU=Q+W可知此時氣體體積減小,外界對氣體做功,氣體內(nèi)能增加,故A正確;2→3為等壓過程,根據(jù)蓋-呂薩克定律可知氣體體積增大時溫度升高,內(nèi)能增大,此時氣體體積增大,氣體對外界做功WTa分析可知Tb>Tc,所以b到c過程氣體的內(nèi)能減少,故B錯誤。c→a過程為等溫過程,ΔUac=0,根據(jù)熱力學第一定律可知a→b→c過程,氣體從外界吸收的熱量全部用于對外做功,C正確。a→b→c→a一整個熱力學循環(huán)過程ΔU=0,整個過程氣體對外做功,因此a→b過程氣體從外界吸收的熱量不等于c→a過程放出的熱量,D錯誤。
7.(2023·廣東卷,T13)在駐波聲場作用下,水中小氣泡周圍液體的壓強會發(fā)生周期性變化,使小氣泡周期性膨脹和收縮,氣泡內(nèi)氣體可視為質(zhì)量不變的理想氣體,其膨脹和收縮過程可簡化為如圖所示的p-V圖像,氣泡內(nèi)氣體先從壓強為p0、體積為V0、溫度為T0的狀態(tài)A等溫膨脹到體積為5V0、壓強為pB的狀態(tài)B,然后從狀態(tài)B絕熱收縮到體積為V0、壓強為1.9p0、溫度為TC的狀態(tài)C,B到C過程中外界對氣體做功為W。已知p0、V0、T0和W。求:
答案:TC=1.9T0
(3)B到C過程,氣泡內(nèi)氣體的內(nèi)能變化了多少?解析:根據(jù)熱力學第一定律可知ΔU=W+Q其中Q=0,故氣體內(nèi)能增加ΔU=W。答案:W
命題點4 氣體實驗定律的綜合應(yīng)用8.(2024·廣東卷,T13)差壓閥可控制氣體進行單向流動,廣泛應(yīng)用于減震系統(tǒng)。如圖所示,A、B兩個導熱良好的汽缸通過差壓閥連接,A內(nèi)輕質(zhì)活塞的上方與大氣連通,B內(nèi)氣體體積不變。當A內(nèi)氣體壓強減去B內(nèi)氣體壓強大于Δp時差壓閥打開,A內(nèi)氣體緩慢進入B中;當該差值小于或等于Δp時差壓閥關(guān)閉。當環(huán)境溫度T1=300 K時,A內(nèi)氣體體積 VA1=4.0×102 m3,B內(nèi)氣體壓強pB1等于大氣壓強p0,已知活塞的橫截面積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內(nèi)的氣體可視為理想氣體,忽略活塞與汽缸間的摩擦,差壓閥與連接管內(nèi)的氣體體積不計。當環(huán)境溫度降到T2=270 K時:
(1)求B內(nèi)氣體壓強pB2;(2)求A內(nèi)氣體體積VA2;
答案:(1)9×104 Pa (2)3.6×102 m3
(3)在活塞上緩慢倒入鐵砂,若B內(nèi)氣體壓強回到p0并保持不變,求已倒入鐵砂的質(zhì)量m。
答案:1.1×102 kg
9.(2024·安徽卷,T13)某人駕駛汽車,從北京到哈爾濱,在哈爾濱發(fā)現(xiàn)汽車的某個輪胎內(nèi)氣體的壓強有所下降(假設(shè)輪胎內(nèi)氣體的體積不變,且沒有漏氣,可視為理想氣體)。于是在哈爾濱給該輪胎充入壓強與大氣壓相同的空氣,使其內(nèi)部氣體的壓強恢復到出發(fā)時的壓強(假設(shè)充氣過程中,輪胎內(nèi)氣體的溫度與環(huán)境相同,且保持不變)。已知該輪胎內(nèi)氣體的體積V0=30 L,從北京出發(fā)時,該輪胎氣體的溫度t1=-3 ℃,壓強p1=2.7×105 Pa,哈爾濱的環(huán)境溫度t2=-23 ℃,大氣壓強p0取1.0×105 Pa。求:
(1)在哈爾濱時,充氣前該輪胎氣體壓強的大??;
答案:2.5×105 Pa
(2)充進該輪胎的空氣體積。解析:由玻意耳定律p2V0+p0V=p1V0代入數(shù)據(jù)解得,充進該輪胎的空氣體積V=6 L。答案:6 L
10.(2024·江蘇卷,T13)某科研實驗站有一個密閉容器,容器內(nèi)有溫度為300 K,壓強為105 Pa的氣體,容器內(nèi)有一個面積0.06 m2的觀測臺,現(xiàn)將這個容器移動到月球,容器內(nèi)的溫度變成240 K,整個過程可認為氣體的體積不變,月球表面為真空狀態(tài)。求:(1)氣體現(xiàn)在的壓強;
答案:8×104 Pa
(2)觀測臺對氣體的壓力。解析:根據(jù)壓強的定義,觀測臺對氣體的壓力F=p2S=4.8×103 N。答案:4.8×103 N
11.(2024·山東卷,T16)圖甲為戰(zhàn)國時期青銅汲酒器,根據(jù)其原理制作了由中空圓柱形長柄和儲液罐組成的汲液器,如圖乙所示。長柄頂部封閉,橫截面積S1=1.0 cm2,長度H=100.0 cm,側(cè)壁有一小孔A。儲液罐的橫截面積S2=90.0 cm2,高度h=20.0 cm,罐底有一小孔B。汲液時,將汲液器豎直浸入液體,液體從孔B進入,空氣由孔A排出;當內(nèi)外液面相平時,長柄浸入液面部分的長度為x;堵住孔A,緩慢地將汲液器豎直提出液面,儲液罐內(nèi)剛好儲滿液體。已知液體密度ρ=1.0×103 kg/m3,重力加速度大小g取10 m/s2,大氣壓p0=1.0×105 Pa。整個過程溫度保持不變,空氣可視為理想氣體,忽略器壁厚度。
解析:由題意可知緩慢地將汲液器豎直提出液面過程,氣體發(fā)生等溫變化,所以有p1(H-x)S1=p2HS1又因為p1=p0p2+ρgh=p0解得x=2 cm。
(2)松開孔A,從外界進入壓強為p0、體積為V的空氣,使?jié)M儲液罐中液體緩緩流出,堵住孔A,穩(wěn)定后罐中恰好剩余一半的液體,求V。
答案:8.92×10-4 m3
(1)最終汽缸內(nèi)氣體的壓強;
(2)彈簧的勁度系數(shù)和添加的沙子質(zhì)量。
考向2 分子動理論1.擴散現(xiàn)象、布朗運動與熱運動
2.分子力和分子勢能分子力F、分子勢能Ep與分子間距離r的關(guān)系圖線如圖所示(取無窮遠處分子勢能Ep=0)。(1)當r>r0時,分子力表現(xiàn)為引力,當r增大時,分子力做負功,分子勢能增加。(2)當r<r0時,分子力表現(xiàn)為斥力,當r減小時,分子力做負功,分子勢能增加。(3)當r=r0時,分子勢能最小。
3.氣體壓強的微觀解釋
關(guān)于熱現(xiàn)象,下列說法正確的是( )A.溫度由攝氏溫度t升至2t,對應(yīng)的熱力學溫度便由T升至2TB.相同溫度下液體中懸浮的花粉顆粒越大,布朗運動越劇烈C.做功和熱傳遞是改變物體內(nèi)能的兩種方式D.分子間距離越大,分子勢能越大,分子間距離越小,分子勢能也越小
[解析] 溫度由攝氏溫度t升至2t,對應(yīng)的熱力學溫度便由T升至T′,因T=t+273,T′=2t+273,所以T′不等于2T,故A錯誤。相同溫度下液體中懸浮的花粉顆粒越小,受力越不易平衡,布朗運動越劇烈,故B錯誤。根據(jù)熱力學第一定律可知,做功和熱傳遞是改變物體內(nèi)能的兩種方式,故C正確。分子力表現(xiàn)為斥力時,分子間距離變大,分子力做正功,分子勢能越小,分子間距離變小,分子力做負功,分子勢能越大;分子力表現(xiàn)為引力時,分子間距離變大,分子力做負功,分子勢能越大,分子間距離變小,分子力做正功,分子勢能越小,故D錯誤。
(多選)圖甲是三顆微粒做布朗運動的位置連線圖,圖乙是靜止在水面上的硬幣,圖丙是氧氣分子速率分布圖,圖丁是空氣壓縮儀點燃硝化棉。下列說法正確的是( )A.圖甲中,微粒越小,布朗運動越明顯B.圖乙中,硬幣能浮在水面上,主要是因為水的浮力C.圖丙中,溫度升高,所有氧分子的速率都增大D.圖丁中,壓縮空氣壓縮儀內(nèi)的空氣,空氣的溫度升高,內(nèi)能增大
[解析] 微粒越小,受力越不平衡,布朗運動越明顯,故A正確;硬幣浮在水面上,主要是因為水的表面張力,故B錯誤;溫度升高,氧氣分子的平均速率增大,但不是每一個分子速率都增大,故C錯誤;壓縮空氣,外界對氣體做功,空氣的溫度升高,內(nèi)能增大,故D正確。
考向3 固體和液體的性質(zhì)1.晶體和非晶體(1)單晶體具有各向異性,但不是在各種物理性質(zhì)上都表現(xiàn)出各向異性。(2)只要具有各向異性的物體必定是晶體,且是單晶體。(3)只要具有確定熔點的物體必定是晶體,反之,必是非晶體。2.液體表面張力(1)形成原因:表面層中分子間距離比液體內(nèi)部分子間距離大,分子間作用力表現(xiàn)為引力。(2)方向:和液面相切,垂直于液面上的各條分界線。
下列關(guān)于固體、液體、氣體的說法正確的是( )A.夏季干旱時,給莊稼松土是為了破壞土壤中的毛細管,防止水分蒸發(fā)B.晶體沿不同方向的導熱或?qū)щ娦阅懿煌?,但沿不同方向的光學性質(zhì)一定相同C.由于液體表面層分子間距離大于液體內(nèi)部分子間距離,所以存在浸潤現(xiàn)象D.炒菜時我們看到的煙氣,是因為油煙顆粒的熱運動
[解析] 土壤中存在一系列毛細管,水分通過毛細管能夠上升到地面蒸發(fā),夏季干旱時,給莊稼松土是為了破壞土壤中的毛細管,防止水分蒸發(fā),A正確;晶體分為單晶體與多晶體,單晶體在導熱、導電與光學性質(zhì)上表現(xiàn)出各向異性,即沿不同方向上的性能不相同,多晶體在導熱、導電與光學性質(zhì)上表現(xiàn)出各向同性,即沿不同方向上的性能相同,B錯誤;由于液體附著層分子間距離小于液體內(nèi)部分子間距離,所以存在浸潤現(xiàn)象,C錯誤;油煙顆粒是宏觀粒子,油煙顆粒的運動不是熱運動,D錯誤。
“天宮課堂”中,航天員王亞平演示了“液橋演示實驗”,即在太空中,兩個塑料板間用水搭建一座長約10 cm的橋,如圖1所示。受其啟發(fā),某學生設(shè)想“天地同一實驗”,即在空間站和地面做同一個實驗,觀察實驗現(xiàn)象,下列說法正確的是( )A.液橋的建立是由于液體表面存在張力,在地面做相同實驗,也能觀察到同樣長度的橋B.用圖2中的器材做單擺實驗,空間站和地面實驗現(xiàn)象相同C.圖3相同密閉容器內(nèi)裝著完全相同的氣體,在相同溫度下,空間站和地面容器內(nèi)氣體壓強不同D.圖4將兩端開口的圓柱形毛細管豎直插入水中,相同裝置在空間站和地面觀察到管中液面升高的高度不同
[解析] 液橋的建立是由于液體表面存在張力,液體表面張力很弱,而在地面做相同實驗,由于重力的影響,不會看到相同長度的液橋,故A錯誤;用一根繩子系著一個金屬球,拉開一個角度,靜止釋放后,由于“天上”完全失重,小球相對于空間站靜止不動,“地上”由于重力的影響,小球?qū)⒆龊喼C運動,所以觀察到的實驗現(xiàn)象不相同,故B錯誤;氣體壓強是由于氣體分子頻繁碰撞器壁而產(chǎn)生的,如題圖3中相同密閉容器內(nèi)裝著完全相同的氣體,在相同的溫度下,分子平均動能相同,“天上”和“地上”容器內(nèi)氣體壓強相同,故C錯誤;如題圖4中用相同裝置在空間站和地面觀察管中液面上升的高度,由于“天上”完全失重,觀察到水上升到毛細管頂部,“地上”由于重力的影響,觀察到水上升一小段距離后靜止不動,所以觀察到的實驗現(xiàn)象不相同,故D正確。
題型二 熱力學定律和圖像考向1 對熱力學定律的理解1.熱力學第一定律(1)改變物體內(nèi)能的兩種方式:做功和傳熱。(2)熱力學第一定律①內(nèi)容:一個熱力學系統(tǒng)的內(nèi)能變化量等于外界向它傳遞的熱量與外界對它所做的功的和。②表達式:ΔU=Q+W。
③ΔU=Q+W中正、負號法則
2.熱力學第二定律(1)兩種表述①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。②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。(2)能量耗散:分散在環(huán)境中的內(nèi)能不管數(shù)量多么巨大,它也只不過能使地球、大氣稍稍變暖一點,卻再也不能自動聚集起來驅(qū)動機器做功了。
內(nèi)壁光滑的“U”形導熱汽缸用不計質(zhì)量的輕活塞封閉一定體積的空氣(可視為理想氣體),浸在盛有大量冰水混合物的水槽中,活塞在水面下,如圖所示?,F(xiàn)在輕活塞上方緩慢倒入沙子,下列說法正確的是( )A.封閉空氣分子的平均動能增大B.活塞壓縮封閉空氣做功,封閉空氣內(nèi)能增大C.封閉空氣的壓強變大D.封閉空氣從外界吸收了熱量
[解析] 當將沙子緩慢倒在汽缸活塞上時,氣體被壓縮,外界對氣體做功,但由于汽缸導熱,且浸在盛有大量冰水混合物的水槽中,因此缸內(nèi)氣體的溫度不變,則可知氣體的內(nèi)能不變,而溫度是衡量分子平均動能的標志,溫度不變則分子平均動能不變,故A、B錯誤;外界對氣體做功,氣體的體積減小,單位體積內(nèi)的分子數(shù)目增多,而汽缸導熱,溫度不變,氣體分子平均運動速率不變,則可知比起之前的狀態(tài),單位時間內(nèi)單位體積的分子對器壁的碰撞次數(shù)增加,因此封閉氣體的壓強變大,故C正確;根據(jù)熱力學第一定律可知ΔU=Q+W,由于汽缸導熱,封閉氣體的溫度不變,即內(nèi)能不變,而外界又對氣體做功,因此氣體要向外界放熱,故D錯誤。
下列說法正確的是( )A.物體的溫度越高,分子熱運動就越劇烈,每個分子動能也越大B.布朗運動就是液體分子的熱運動C.一定質(zhì)量的理想氣體從外界吸收熱量,其內(nèi)能可能不變D.根據(jù)熱力學第二定律可知熱量只能從高溫物體傳到低溫物體,但不可能從低溫物體傳到高溫物體
[解析] 物體的溫度越高,分子的平均動能就越大,并不是每個分子的動能都增大,A錯誤;布朗運動是懸浮在液體中的固體小顆粒的運動,不是液體分子的運動,但能反映液體分子的運動,B錯誤;做功和熱傳遞都能改變內(nèi)能,一定質(zhì)量的理想氣體從外界吸收熱量,同時對外做等量的正功,內(nèi)能不會發(fā)生改變,C正確;根據(jù)熱力學第二定律可知,熱量能自發(fā)地從高溫物體傳到低溫物體,但不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體,但在消耗其他能量的情況下可以實現(xiàn)熱量從低溫物體傳到高溫物體,D錯誤。
考向2 圖像物理意義的理解 (2023·江蘇卷,T3)如圖所示,密閉容器內(nèi)一定質(zhì)量的理想氣體由狀態(tài)A變化到狀態(tài)B。該過程中( )A.氣體分子的數(shù)密度增大B.氣體分子的平均動能增大C.單位時間內(nèi)氣體分子對單位面積器壁的作用力減小D.單位時間內(nèi)與單位面積器壁碰撞的氣體分子數(shù)減小
[解析] 乒乓球放入熱水中,球內(nèi)氣體溫度升高,而溫度是分子平均動能的標志,故球內(nèi)氣體分子平均動能增大。
(2)求球被踩癟后和在熱水中恢復原形時,對應(yīng)球內(nèi)氣體的壓強p1和p2。
[答案] 1.1×105 Pa 1.2×105 Pa
如圖所示,生活中,我們用保溫杯接開水后擰緊杯蓋,待水冷卻后就很難擰開。某可顯示溫度的保溫杯容積為500 mL,倒入200 mL熱水后,擰緊杯蓋,此時顯示溫度為87 ℃,壓強與外界相同。已知外界大氣壓強p0為1.0×105 Pa,溫度為17 ℃,杯中氣體可視為理想氣體,不計水蒸氣產(chǎn)生的壓強。
(1)請寫出水冷卻后杯子很難擰開的原因;[解析] 水冷卻后杯子很難擰開的原因是:水冷卻后,杯內(nèi)氣體的溫度降低,在杯內(nèi)氣體質(zhì)量和體積一定時,根據(jù)查理定律可知,杯內(nèi)氣體壓強減小,外界大氣壓強大于杯內(nèi)氣體壓強,使杯蓋緊貼杯身,故杯子很難擰開。 [答案] 見解析
(2)求杯內(nèi)溫度降到17 ℃時,杯內(nèi)氣體的壓強。
[答案] 0.81×105 Pa
(1)活塞恰好上升到汽缸頂部時氣體的溫度和氣體吸收的熱量;
[答案] 3T1 3RT1+2p0LS
(2)當加熱到熱力學溫度為6T1時氣體的壓強。
題型三 氣體“變質(zhì)量”問題1.化變質(zhì)量為恒質(zhì)量——等效的方法在充氣、抽氣的問題中可以假設(shè)把充進或抽出的氣體包含在氣體變化的始末狀態(tài)中,即用等效法把變質(zhì)量問題轉(zhuǎn)化為恒定質(zhì)量的問題。2.應(yīng)用克拉伯龍方程其方程為pV=nRT。這個方程有4個變量:p是指理想氣體的壓強,V為理想氣體的體積,n表示氣體的物質(zhì)的量,而T表示理想氣體的熱力學溫度,還有一個常量R為理想氣體常數(shù)。
高壓鍋結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示,氣孔1使鍋內(nèi)氣體與外界連通,隨著溫度升高,鍋內(nèi)液體汽化加劇,當溫度升到某一值時,小活塞上移,氣孔1封閉。鍋內(nèi)氣體溫度繼續(xù)升高,當氣體壓強增大到設(shè)計的最大值1.4p0時,氣孔2上的限壓閥被頂起,氣孔2開始放氣。氣孔2的橫截面積為12 mm2,鍋內(nèi)氣體可視為理想氣體,已知大氣壓p0=1.0×105 Pa,重力加速度g取10 m/s2,不計一切摩擦。
(1)求限壓閥的質(zhì)量m;[解析] 當鍋內(nèi)氣體壓強增大到設(shè)計的最大值p1=1.4p0時,限壓閥被頂起,由平衡條件可得p1S=p0S+mg解得m=0.048 kg。[答案] 0.048 kg
(2)若限壓閥被頂起后,立即用夾子夾住限壓閥使其放氣,假設(shè)放氣過程鍋內(nèi)氣體溫度不變,當鍋內(nèi)氣壓降至p0,求放出的氣體與限壓閥被頂起前鍋內(nèi)氣體的質(zhì)量比。
(1)將其豎直放置于足夠大的加熱箱中(加熱箱中氣壓恒定),當溫度T1=300 K時空氣柱長度為60 mm,當溫度緩慢升至T2=360 K時空氣柱長度為72 mm,通過計算判斷該避震器的氣密性是否良好;
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