高考物理四海八荒易错集专题15 分子动理论 气体及热力学定律.docx

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高考物理四海八荒易错集专题15分子动理论气体及热力学定律

专题15分子动理论气体及热力学定律

1.

(1)(多选)下列说法中正确的是________。

A.一定量气体膨胀对外做功100J,同时从外界吸收120J的热量,则它的内能增大20J

B.在使两个分子间的距离由很远(r>10-9m)减小到很难再靠近的过程中,分子间作用力先减小后增大,分子势能不断增大

C.由于液体表面层分子间距离大于液体内部分子间距离,液体表面存在张力

D.用油膜法测出油分子的直径后,要测定阿伏加德罗常数,只需再知道油的密度即可

E.空气相对湿度越大时,空气中水蒸气压强越接近同温度水的饱和汽压,水蒸发越慢。

(2)一定质量的理想气体从状态A变化到状态B,再变化到状态C,其状态变化过程的pV图像如图所示。

已知该气体在状态A时的温度为27℃。

则:

①该气体在状态B、C时的温度分别为多少℃?

②该气体从状态A到状态C的过程中内能的变化量是多大?

③该气体从状态A到状态C的过程中是吸热,还是放热?

传递的热量是多少?

(2)①状态A:

tA=300K,pA=3×105Pa,VA=1×10-3m3

状态B:

tB=?

pB=1×105Pa,VB=1×10-3m3

状态C:

tC=?

pC=1×105Pa,VC=3×10-3m3

A到B过程等容变化,由等容变化规律得:

,代入数据得:

tB=100K=-173℃

B到C为等压变化,由等压变化规律得:

,代入数据得:

tC=300K=27℃。

②因为状态A和状态C温度相等,且气体的内能是所有分子的动能之和,温度是分子平均动能的标志

所以在这个过程中:

ΔU=0。

③由热力学第一定律得:

ΔU=Q+W,因为ΔU=0

故:

Q=-W

在整个过程中,气体在B到C过程对外做功,所以:

W=-pΔV=-1×105×(3×10-3-1×10-3)J=-200J

即:

Q=200J,是正值,故在这个过程中吸热。

答案:

(1)ACE 

(2)①-173℃ 27℃ ②0 ③吸热 200J

2.

(1)(多选)关于扩散现象,下列说法正确的是________。

A.温度越高,扩散进行得越快

B.扩散现象是不同物质间的一种化学反应

C.扩散现象是由物质分子无规则运动产生的

D.扩散现象在气体、液体和固体中都能发生

E.液体中的扩散现象是由于液体的对流形成的

(2)如图,一粗细均匀的U形管竖直放置,A侧上端封闭,B侧上端与大气相通,下端开口处开关K关闭;A侧空气柱的长度l=10.0cm,B侧水银面比A侧的高h=3.0cm。

现将开关K打开,从U形管中放出部分水银,当两侧水银面的高度差为h1=10.0cm时将开关K关闭。

已知大气压强p0=75.0cmHg。

(ⅰ)求放出部分水银后A侧空气柱的长度;

(ⅱ)此后再向B侧注入水银,使A、B两侧的水银面达到同一高度,求注入的水银在管内的长度。

(2)(ⅰ)以cmHg为压强单位。

设A侧空气柱长度l=10.0cm时的压强为p;当两侧水银面的高度差为h1=10.0cm时,空气柱的长度为l1,压强为p1。

由玻意耳定律得

pl=p1l1①

由力学平衡条件得

p=p0+h②

打开开关K放出水银的过程中,B侧水银面处的压强始终为p0,而A侧水银面处的压强随空气柱长度的增加逐渐减小,B、A两侧水银面的高度差也随之减小,直至B侧水银面低于A侧水银面h1为止。

由力学平衡条件有

p1=p0-h1③

联立①②③式,并代入题给数据得

l1=12.0cm。

(ⅱ)当A、B两侧的水银面达到同一高度时,设A侧空气柱的长度为l2,压强为p2。

由玻意耳定律得pl=p2l2⑤

由力学平衡条件有p2=p0⑥

联立②⑤⑥式,并代入题给数据得l2=10.4cm⑦

设注入的水银在管内的长度为Δh,依题意得

Δh=2(l1-l2)+h1⑧

联立④⑦⑧式,并代入题给数据得

Δh=13.2cm。

答案:

(1)ACD 

(2)(ⅰ)12.0cm (ⅱ)13.2cm

3.

(1)(多选)下列说法正确的是________。

A.悬浮在液体中的微粒越小,在液体分子的撞击下越容易保持平衡

B.荷叶上的小水珠呈球形是由于液体表面张力的作用

C.物体内所有分子的热运动动能之和叫做物体的内能

D.当人们感到潮湿时,空气的绝对湿度不一定较大

E.一定质量的理想气体先经等容降温,再经等温压缩,压强可以回到初始的数值

(2)如图所示,用两个质量均为m、横截面积均为S的密闭活塞将开口向下竖直悬挂的导热气缸内的理想气体分成Ⅰ、Ⅱ两部分,当在活塞A下方悬挂质量为2m的物体后,整个装置处于静止状态,此时Ⅰ、Ⅱ两部分气体的高度均为l0。

已知环境温度、大气压强p0均保持不变,且满足5mg=p0S,不计一切摩擦。

当取走物体后,两活塞重新恢复平衡,求活塞A上升的高度。

(2)对气体Ⅰ分析,初状态的压强为:

p1=p0-

p0

末状态的压强为:

p1′=p0-

p0

由玻意耳定律有:

p1l0S=p1′l1S

解得:

l1=

l0

对气体Ⅱ分析,初状态p2=p1-

p0

末状态p2′=p1′-

p0

由玻意耳定律p2l0S=p2′l2S

l2=

l0

A活塞上升的高度Δl=(l0-l1)+(l0-l2)=

l0。

答案:

(1)BDE 

(2)

l0

4.

(1)(多选)对于分子动理论和物体内能的理解,下列说法正确的是________。

A.温度高的物体内能不一定大,但分子平均动能一定大

B.外界对物体做功,物体内能一定增加

C.温度越高,布朗运动越显著

D.当分子间的距离增大时,分子间作用力就一直减小

E.当分子间作用力表现为斥力时,分子势能随分子间距离的减小而增大

(2)如图所示,上端封闭、下端开口内径均匀的玻璃管,管长L=100cm,其中有一段长h=15cm的水银柱把一部分空气封闭在管中。

当管竖直放置时,封闭气柱A的长度LA=50cm。

现把开口端向下插入水银槽中,直至A端气柱长LA′=37.5cm时为止,这时系统处于静止状态。

已知大气压强p0=75cmHg,整个过程中温度保持不变,试求槽内的水银进入管内的长度。

(2)对A部分气体,由玻意耳定律有:

pALAS=pA′LA′S

pA=60cmHg

解得:

pA′=

=80cmHg

对B部分气体有:

pBLBS=pB′LB′S

而pB′=95cmHg pB=p0=75cmHg

解得:

LB′=

=27.6cm

Δh=L-LA′-h-LB′=19.9cm。

答案:

(1)ACE 

(2)19.9cm

5.

(1)(多选)一定量的理想气体从状态a开始,经历等温或等压过程ab、bc、cd、da回到原状态,其pT图像如图所示。

其中对角线ac的延长线过原点O。

下列判断正确的是________。

A.气体在a、c两状态的体积相等

B.气体在状态a时的内能大于它在状态c时的内能

C.在过程cd中气体向外界放出的热量大于外界对气体做的功

D.在过程da中气体从外界吸收的热量小于气体对外界做的功

E.在过程bc中外界对气体做的功等于在过程da中气体对外界做的功

(2)一氧气瓶的容积为0.08m3,开始时瓶中氧气的压强为20个大气压。

某实验室每天消耗1个大气压的氧气0.36m3。

当氧气瓶中的压强降低到2个大气压时,需重新充气。

若氧气的温度保持不变,求这瓶氧气重新充气前可供该实验室使用多少天。

(2)设氧气开始时的压强为p1,体积为V1,压强变为p2(2个大气压)时,体积为V2。

根据玻意耳定律得

p1V1=p2V2①

重新充气前,用去的氧气在p2压强下的体积为

V3=V2-V1②

设用去的氧气在p0(1个大气压)压强下的体积为V0,则有

p2V3=p0V0③

设实验室每天用去的氧气在p0压强下的体积为ΔV,则氧气可用的天数为

N=

联立①②③④式,并代入数据得

N=4(天)。

答案:

(1)ABE 

(2)4天

6.

(1)(多选)关于热力学定律,下列说法正确的是________。

A.气体吸热后温度一定升高

B.对气体做功可以改变其内能

C.理想气体等压膨胀过程一定放热

D.热量不可能自发地从低温物体传到高温物体

E.如果两个系统分别与状态确定的第三个系统达到热平衡,那么这两个系统彼此之间也必定达到热平衡

(2)在水下气泡内空气的压强大于气泡表面外侧水的压强,两压强差Δp与气泡半径r之间的关系为Δp=

,其中σ=0.070N/m。

现让水下10m处一半径为0.50cm的气泡缓慢上升。

已知大气压强p0=1.0×105Pa,水的密度ρ=1.0×103kg/m3,重力加速度大小g=10m/s2。

(ⅰ)求在水下10m处气泡内外的压强差;

(ⅱ)忽略水温随水深的变化,在气泡上升到十分接近水面时,求气泡的半径与其原来半径之比的近似值。

(2)(ⅰ)当气泡在水下h=10m处时,设其半径为r1,气泡内外压强差为Δp1,则

Δp1=

代入题给数据得Δp1=28Pa。

(ⅱ)设气泡在水下10m处时,气泡内空气的压强为p1,气泡体积为V1;气泡到达水面附近时,气泡内空气的压强为p2,气泡内外压强差为Δp2,其体积为V2,半径为r2。

气泡上升过程中温度不变,根据玻意耳定律有

p1V1=p2V2③

由力学平衡条件有

p1=p0+ρgh+Δp1④

p2=p0+Δp2⑤

气泡体积V1和V2分别为

V1=

πr13⑥

V2=

πr23⑦

联立③④⑤⑥⑦式得

3=

由②式知,Δpi≪p0,i=1,2,故可略去⑧式中的Δpi项。

代入题给数据得

≈1.3。

答案:

(1)BDE 

(2)(ⅰ)28Pa (ⅱ)

或1.3

7.(多选)下列说法正确的是(  )

A.显微镜下观察到墨水中的小炭粒在不停地作无规则运动,这反映了液体分子运动的无规则性

B.分子间的相互作用力随着分子间距离的增大,一定先减小后增大

C.分子势能随着分子间距离的增大,可能先减小后增大

D.在真空、高温条件下,可以利用分子扩散向半导体材料掺入其他元素

E.当温度升高时,物体内每一个分子热运动的速率一定都增大

易错起源1、分子动理论 内能及热力学定律

例1.(多选)两个相距较远的分子仅在分子力作用下由静止开始运动,直至不再靠近。

在此过程中,下列说法正确的是(  )

A.分子力先增大,后一直减小

B.分子力先做正功,后做负功

C.分子动能先增大,后减小

D.分子势能先增大,后减小

E.分子势能和动能之和不变

解析:

选BCE 分子力应先增大,后减小,再增大,所以A选项错;分子力先为引力,做正功,再为斥力,做负功,B选项正确;根据动能定理可知分子动能先增大后减小,分子势能先减小后增大,分子动能和分子势能之和保持不变,所以C、E选项正确,D错误。

【变式探究】(多选)下列说法中正确的是()

A.气体放出热量,其分子的平均动能可能增大

B.布朗运动不是液体分子的运动,但它可以说明分子在永不停息地做无规则运动

C.当分子力表现为斥力时,分子力和分子势能总是随分子间距离的减小而增大

D.第二类永动机不违反能量守恒定律,但违反了热力学第一定律

E.某气体的摩尔体积为V,每个分子的体积为V0,则阿伏加德罗常数可表示为NA=

【名师点睛】

1.估算问题

(1)油膜法估算分子直径:

d=

V为纯油体积,S为单分子油膜面积

(2)分子总数:

N=nNA=

·NA=

NA

注意:

对气体而言,N≠

(3)两种模型:

球模型:

V=

πR3(适用于估算液体、固体分子直径)

立方体模型:

V=a3(适用于估算气体分子间距)

【锦囊妙计,战胜自我】

2.反映分子运动规律的两个实例

(1)布朗运动:

①研究对象:

悬浮在液体或气体中的固体小颗粒。

②运动特点:

无规则、永不停息。

③相关因素:

颗粒大小、温度。

(2)扩散现象

①产生原因:

分子永不停息的无规则运动。

②相关因素:

温度。

如诊断卷第2题第

(1)问,扩散现象是分子无规则热运动产生的,不是物质间的化学反应或液体对流形成的,故B、E均错误。

3.对热力学定律的理解

(1)改变物体内能的方式有两种,只叙述一种改变方式是无法确定内能变化的。

(2)热力学第一定律ΔU=Q+W中W和Q的符号可以这样确定:

只要此项改变对内能增加有正贡献的即为正。

(3)对热力学第二定律的理解:

热量可以由低温物体传递到高温物体,也可以从单一热源吸收热量全部转化为功,但不引起其他变化是不可能的。

易错起源2、固体、液体和气体

例2.(多选)下列说法正确的是(  )

A.将一块晶体敲碎后,得到的小颗粒是非晶体

B.固体可以分为晶体和非晶体两类,有些晶体在不同方向上有不同的光学性质

C.由同种元素构成的固体,可能会由于原子的排列方式不同而成为不同的晶体

D.在合适的条件下,某些晶体可以转变为非晶体,某些非晶体也可以转变为晶体

E.在熔化过程中,晶体要吸收热量,但温度保持不变,内能也保持不变

【变式探究】下列说法正确的是(  )

A.液体表面层分子间距离大于液体内部分子间距离,故液体表面存在张力

B.悬浮在液体中的固体小颗粒会不停地做无规则的运动,这种运动是分子热运动

C.把很多小的单晶体放在一起,就变成了非晶体

D.第二类永动机没有违反能量守恒定律

E.绝对零度不可达到

【名师点睛】

【锦囊妙计,战胜自我】

1.对晶体、非晶体特性的理解

(1)只有单晶体,才可能具有各向异性。

(2)各种晶体都具有固定熔点,晶体熔化时,温度不变,吸收的热量全部用于分子势能增加。

(3)晶体与非晶体可以相互转化。

(4)有些晶体属于同素异构体,如金刚石和石墨。

2.正确理解温度的微含义

(1)温度是分子平均动能的标志,温度越高,分子的平均动能越大。

(2)温度越高,物体分子动能总和增大,但物体的内能不一定越大。

明白以上两点,即可判断诊断卷第4题第

(1)问的A选项。

3.对气体压强的理解

(1)气体对容器壁的压强是气体分子频繁碰撞的结果,温度越高,气体分子密度越大,气体对容器壁因碰撞而产生的压强就越大。

(2)地球表面大气压强可认为是大气重力产生的。

易错起源3、气体实验定律和理想气体状态方程

例3、如图所示,一固定的竖直气缸由一大一小两个同轴圆筒组成,两圆筒中各有一个活塞。

已知大活塞的质量为m1=2.50kg,横截面积为S1=80.0cm2;小活塞的质量为m2=1.50kg,横截面积为S2=40.0cm2;两活塞用刚性轻杆连接,间距保持为l=40.0cm;气缸外大气的压强为p=1.00×105Pa,温度为T=303K。

初始时大活塞与大圆筒底部相距

,两活塞间封闭气体的温度为T1=495K。

现气缸内气体温度缓慢下降,活塞缓慢下移。

忽略两活塞与气缸壁之间的摩擦,重力加速度大小g取10m/s2。

求:

(1)在大活塞与大圆筒底部接触前的瞬间,气缸内封闭气体的温度;

(2)缸内封闭的气体与缸外大气达到热平衡时,缸内封闭气体的压强。

故缸内气体的压强不变。

由盖—吕萨克定律有

联立①②④式并代入题给数据得

T2=330K⑤

(2)在大活塞与大圆筒底部刚接触时,被封闭气体的压强为p1。

在此后与气缸外大气达到热平衡的过程中,被封闭气体的体积不变。

设达到热平衡时被封闭气体的压强为p′,由查理定律,有

联立③⑤⑥式并代入题给数据得

p′=1.01×105Pa。

[答案] 

(1)330K 

(2)1.01×105Pa

【变式探究】如图所示,两端开口、粗细均匀的长直U形玻璃管内由两段水银柱封闭着长度为15cm的空气柱,气体温度为300K时,空气柱在U形管的左侧。

(1)若保持气体的温度不变,从左侧开口处缓慢地注入25cm长的水银柱,管内的空气柱长为多少?

(2)为了使空气柱的长度恢复到15cm,且回到原位置,可以向U形管内再注入一些水银,并改变气体的温度,应从哪一侧注入长度为多少的水银柱?

气体的温度变为多少?

(大气压强p0=75cmHg,图中标注的长度单位均为cm)

(2)由水银柱的平衡条件可知需要向右侧注入25cm长的水银柱才能使空气柱回到A、B之间,这时空气柱的压强为:

p3=(75+50)cmHg=125cmHg

由查理定律,有:

解得:

T3=375K。

[答案] 

(1)12.5cm 

(2)从右侧注入25cm长水银柱 375K

【举一反三】一粗细均匀的J形玻璃管竖直放置,短臂端封闭,长臂端(足够长)开口向上,短臂内封有一定质量的理想气体,初始状态时管内各段长度如图甲所示,密闭气体的温度为27℃,大气压强为75cmHg。

求:

(1)若沿长臂的管壁缓慢加入5cm长的水银柱并与下方的水银合为一体,为使密闭气体保持原来的长度,应使气体的温度变为多少?

(2)在第

(1)问的情况下,再使玻璃管沿绕过O点的水平轴在竖直平面内逆时针转过180°,稳定后密闭气体的长度为多少?

(3)在图乙所给的pT坐标系中画出以上两个过程中密闭气体的状态变化过程。

(3)p3=48cmHg,变化过程如图所示。

[答案] 

(1)320K 

(2)30cm (3)见解析

【名师点睛】

【锦囊妙计,战胜自我】

1.压强的计算

(1)被活塞、气缸封闭的气体,通常分析活塞或气缸的受力,应用平衡条件或牛顿第二定律求解。

(2)被液柱封闭的气体压强,若分析液柱受力,应用平衡条件或牛顿第二定律求解,得出的压强单位为Pa。

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均发生变化,则选用理想气体状态方程列式求解。

(2)若气体质量一定,p、V、T中有一个量不发生变化,则选用对应的实验定律列方程求解。

由活塞、液柱相联系的“两团气”问题,要注意寻找两团气之间的压强、体积或位移关系,列出辅助方程,最后联立求解。

1.

(1)下列说法中正确的是________。

(填正确答案标号)

A.-2℃时水已经结为冰,水分子停止了热运动

B.物体温度越高,物体内部分子热运动的平均动能越大

C.内能不同的物体,物体内部分子热运动的平均动能可能相同

D.一定质量的气体分子的平均速率增大,气体的压强可能减小

E.热平衡是指一个系统内部的状态不再改变时所处的状态

(2)一定质量的理想气体经历了如图1所示的状态变化。

图1

(ⅰ)已知从A到B的过程中,气体对外放出600J的热量,则从A到B,气体的内能变化了多少?

(ⅱ)试判断气体在状态B、C的温度是否相同。

如果知道气体在状态C时的温度TC=300K,则气体在状态A时的温度为多少?

解析 

(1)分子做永不停息的无规则热运动,A错误;物体温度越高,分子的平均动能就越大,物体的内能不同,但温度可能相同则物体分子热运动的平均动能相同,选项B、C正确;一定质量的气体分子的平均速率增大,气体分子温度升高,但压强与温度和体积均有关,若气体的体积也增大,则压强不一定增大,也可能减小,选项D正确;处于热平衡的系统温度保持不变,但是压强和体积等物理量可以改变,故E错误。

答案 

(1)BCD 

(2)(ⅰ)300J (ⅱ)1200K

2.

(1)下列说法正确的是________。

(填正确答案标号)

A.布朗运动反映了组成固体小颗粒的分子的无规则运动

B.热量可以从低温物体传递到高温物体

C.一定质量的理想气体,体积减小、温度不变时,气体的内能不变

D.温度降低,物体内分子运动的速率不一定都变小

E.随着科学技术的发展,人类终会制造出效率为100%的热机

(2)在一端封闭、内径均匀的光滑直玻璃管内,有一段长为l=16cm的水银柱封闭着一定质量的理想气体。

当玻璃管水平放置达到平衡时如图2甲所示,被封闭气柱的长度l1=23cm;当管口向上竖直放置时,如图乙所示,被封闭气柱的长度l2=19cm。

已知重力加速度g=10m/s2,不计温度的变化。

求:

图2

(ⅰ)大气压强p0(用cmHg表示);

(ⅱ)当玻璃管开口向上以a=5m/s2的加速度匀加速上升时,水银柱和玻璃管相对静止时被封闭气柱的长度。

解析 

(2)(ⅰ)由玻意耳定律可得:

p0l1S=(p0+ρgl)l2S

解得:

p0=76cmHg

答案 

(1)BCD 

(2)(ⅰ)76cmHg (ⅱ)17.48cm

3.

(1)下列说法中正确的是________。

(填正确答案标号)

A.物体中分子热运动动能的总和等于物体的内能

B.橡胶无固定熔点,是非晶体

C.饱和汽压与分子密度有关,与温度无关

D.热机的效率总小于1

E.对于同一种气体,温度越高,分子平均动能越大

(2)如图3甲所示,封闭有一定质量理想气体的汽缸固定在水平桌面上,开口向右放置,活塞的横截面积为S。

活塞通过轻绳连接了一个质量为m的小物体,轻绳跨在定滑轮上。

开始时汽缸内外压强相同,均为大气压p0(mg

汽缸内气体的温度T0,轻绳处在伸直状态。

不计摩擦。

缓慢降低汽缸内温度,最终使得气体体积减半,求:

图3

(ⅰ)重物刚离地时汽缸内的温度T1;

(ⅱ)气体体积减半时的温度T2;

(ⅲ)在图乙坐标系中画出气体状态变化的整个过程。

并标注相关点的坐标值。

解析 

(2)(ⅰ)p1=p0,p2=p0-

等容过程:

T1=

T0=

T0

(ⅱ)等压过程:

T2=

T0=

T0

(ⅲ)如图所示

答案 

(1)BDE 

(2)(ⅰ)

T0 

(ⅱ)

T0 (ⅲ)见解析

4.

(1)下列说法正确的是________。

(填正确答案标号)

A.松香在熔化过程中温度不变,分子平均动能不变

B.当分子间的引力与斥力平衡时,分子势能最小

C.液体的饱和汽压与饱和汽的体积有关

D.若一定质量的理想气体被压缩且吸收热量,则压强一定增大

E.若一定质量的理想气体分子平均动能减小,且外界对气体做功,则气体一定放热

(2)如图4所示,开口向上的汽缸C静置于水平桌面上,用一横截面积S=50cm2的轻质活塞封闭了一定质量的理想气体,一轻绳一端系在活塞上,另一端跨过两个定滑轮连着一劲度系数k=2800N/m的竖直轻弹簧A,A下端系有一质量m=14kg的物块B。

开始时,缸内气体的温度t1=27℃,活塞到缸底的距离L1=120cm,弹簧恰好处于原长状态。

已知外界大气压强恒为p0=1.0×105Pa,取重力加速度g=10m/s2,不计一切摩擦。

现使缸内气体缓慢冷却,求:

图4

(ⅰ)当B刚要离开桌面时汽缸内封闭气体的温度;

(ⅱ)气体的温度冷却到-93℃时B离桌面的高度H。

(结果保留两位有效数字)

(2)(ⅰ)B刚要离开桌面时弹簧拉力为kx1=mg

由活塞受力平衡得p2S=p0S-kx1

根据理想气体状态方程有

代入数据解得T2=207K

当B刚要离开桌面时缸内气体的温度t2=-66℃

(ⅱ)由(ⅰ)得x1=5cm

当温度降至-66℃之后,若继续降温,则缸内气体的压强不变,根据盖-吕萨克定律有

代入数据解得H=15cm

答案 

(1)BDE 

(2)(ⅰ)-66℃ (ⅱ)15cm

 

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