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(共67张PPT)
专题整合提升
专题15
热　学
【知识网络构建】
1、提炼必备知识
2、突破高考热点
3、链接高考真题
4、课时跟踪训练
1、提炼必备知识
内容 重要的规律、公式和二级结论
1.温度和气体压强的微观解释、热力学温度 (1) 温度越高，则分子的平均动能越大，但也会有个别的分子速率变小。
(2) 气体压强从微观上看与分子的平均动能和分子的密集程度有关。
2.分子运动速率分布的统计规律 (3) 气体分子运动速率分布呈正态分布，即“中间多、两头少”的分布。
3.分子间的相互作用、势能、物体的内能 (4) 分子力做正功，分子势能减小；分子力做负功，分子势能增大。
(5) 物体的内能是物体的所有分子热运动的动能和分子势能的总和。
4.固体的微观结构 (6) 固体的分子间距很小，分子作用力很大，分子在平衡位置附近做无规则的振动。
热点二　气体实验定律　理想气体状态方程
热点一　分子动理论　固体和液体
热点三　热力学定律与气体实验定律的综合
2、突破高考热点
1.估算问题
2.分子间作用力、分子势能与分子间距离的关系(如图1所示)
图1
3.固体、液体与气体
(1)区分晶体和非晶体的标准是看是否有确定的熔点，区分单晶体和多晶体的标准是看形状是否规则、是否具有各向异性。
(2)液晶是一种特殊的物质状态，所处的状态介于固态和液态之间。液晶具有流动性，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具有收缩的趋势，表面张力的方向跟液面相切。
4.气体压强的微观解释
例1 (2023·福建模拟预测)有关物质结构和分子动理论的认识，下列说法正确的是(　　)
A.布朗运动是液体分子的无规则运动
B.分子间距离增大，分子势能一定减小
C.从微观角度看，气体压强的大小与气体分子的平均动能和气体分子的密集程度有关
D.液体表面张力产生的原因是液体表面层分子间距离比较大，分子力表现为斥力
C
解析　布朗运动是固体小颗粒的无规则运动，A错误；分子间距离增大，分子势能不一定减小，当分子间距离小于r0时，分子力表现为斥力，分子势能随分子间距离的增大而减小，当分子间距离大于r0时，分子力表现为引力，分子势能随分子间距离的增大而增大，B错误；从微观的角度看，气体分子的平均速率越大、单位体积内的气体分子数越多，则气体对器壁的压强就越大，即气体压强的大小与气体分子的平均动能和气体分子的密集程度有关，C正确；液体表面张力产生的原因是液体表面层分子间距离比较大，分子力表现为引力，D错误。
训练1 (2023·北京石景山统考一模)分子间的作用力F与分子间距离r的关系如图2所示，r0为分子间的平衡位置。下列说法正确的是(　　)
A.当r＝r0时，分子间的作用力最小
B.当r＝r1时，分子间的作用力最小
C.分子间的作用力总是随分子间距离增大而减小
D.分子间的作用力总是随分子间距离增大而增大
A
图2
解析　r0为分子间的平衡位置，此位置分子斥力与引力等大反向，合力为0，即当r＝r0时，分子间的作用力最小，A正确；当r＝r1时，分子斥力小于引力，合力表现为引力，即分子间的作用力表现为引力，且为间距大于r0时的最大值，B错误；根据图像可知，当分子之间间距大于r0时，随分子间距离增大，分子间的作用力先增大后减小，C、D错误。
训练2 (2023·江苏南京模拟)下列四幅图所涉及的物理知识，下列论述正确的是(　　)
A.图甲表明晶体熔化过程中分子平均动能变大
B.图乙水黾可以在水面自由活动，说明它所受
的浮力大于重力
C.图丙是显微镜下三颗小炭粒的运动位置连线
图，连线表示小炭粒的运动轨迹
D.图丁中A是浸润现象，B是不浸润现象
D
解析　晶体熔化过程中温度不变，分子平均动能不变，故A错误；水黾可以在水面自由活动，是因为水的表面张力，故B错误；每隔一段时间把观察到的炭粒的位置记录下来，然后用直线把这些位置依次连接成折线，所以布朗运动图像反映每隔一段时间小炭粒的位置，而不是运动轨迹，故C错误；图丁中A是浸润现象，B是不浸润现象，故D正确。
1.压强的计算
(1)被活塞、汽缸封闭的气体，通常分析活塞或汽缸的受力，应用平衡条件或牛顿第二定律求解。
(2)应用平衡条件或牛顿第二定律求解，注意压强单位为Pa。
若应用p＝p0＋h或p＝p0－h来表示压强，则压强p的单位为cmHg或mmHg。
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，则选用对应的气体实验定律列方程求解。
3.关联气体问题
解决由活塞、液柱相联系的两部分气体时，注意找两部分气体的压强、体积等关系，列出关联关系式，再结合气体实验定律或理想气体状态方程求解。
4.变质量问题
在充气、抽气等“变质量”问题中可以把充进或抽出的气体包含在气体变化的始、末状态中，即把变质量问题转化为恒定质量的问题。
例2 一定质量的理想气体经历两个不同过程，分别由压强—体积(p－V)图上的曲线Ⅰ和曲线Ⅱ表示，如图3所示，曲线均为反比例函数曲线的一部分。a、b为曲线Ⅰ上的两点，气体在状态a和b的压强分别为pa、pb，温度分别为Ta、Tb。c、d为曲线Ⅱ上的两点，气体在状态c和d的压强分别为pc、pd，温度分别为Tc、Td。下列关系式正确的是(　　)
B
图3
规律总结　气体状态变化的图像特点
例3 现代瓷器可采用电热窑炉烧制，电热窑炉不需要燃烧设备，窑内制品不受烟气及灰渣等影响，温度便于实现精确控制。若初始时窑炉内温度为27 ℃，压强为大气压强p0，已知某瓷器的烧制温度约为1 227 ℃。
(1)窑炉不排气的情况下，求达到烧制温度时窑炉内的气体压强；
(2)若窑炉内压强要控制在2.8p0～3p0之间，求达到烧制温度后排出气体质量与初始时窑炉内气体总质量的比值η的范围。
题
干
例4 (2023·湖南模拟预测)如图4所示，高为h＝14.4 cm、截面积S＝5 cm2的绝热汽缸开口向上放在水平面上，标准状况(温度t0＝0 ℃、压强p0＝1×105 Pa)下，用质量为M＝1 kg的绝热活塞Q和质量不计的导热性能良好的活塞P将汽缸内的气体分成甲、乙两部分，活塞Q与固定在汽缸底部、劲度系数为k＝1 000 N/m的轻弹簧拴接，系统平衡时活塞Q位于汽缸的正中央且弹簧的形变量为零，此时活塞P刚好位于汽缸的顶部。现将一质量为m＝1 kg的物体放在活塞P上，活塞P下移。不计一切摩擦，外界环境的温度和大气压恒定，重力加速度g＝10 m/s2。则当活塞P不再下移时。求：
(1)气体甲的长度l1′为多少？
(2)如果用一加热装置对气体乙缓慢加热使活塞P回到汽缸顶部，
此时气体乙的温度为多少摄氏度？(结果保留整数)
图4
题
干
答案　(1)6 cm　(2)162 ℃
题
干
1.热力学第一定律中ΔU、W、Q的分析思路
(1)内能变化量ΔU
①温度升高，内能增加，ΔU>0；温度降低，内能减少，ΔU<0。
②由公式ΔU＝Q＋W分析内能变化。
(2)做功W：体积膨胀，气体对外界做功，W<0；体积被压缩，外界对气体做功，W>0。
(3)气体吸、放热量Q：一般由公式Q＝ΔU－W分析气体的吸、放热情况，Q>0，吸热；Q<0，放热。
注意：等温过程ΔU＝0，等容过程W＝0，绝热过程Q＝0；等压过程W≠0，Q≠0，ΔU≠0。
2.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，但会产生其他影响。
例5 (2023·河北保定高三校考)如图5所示，一长度为3.5L、导热性能良好的细玻璃管开口向上竖直放置，用长度为L的水银柱将一定质量的理想气体封闭在玻璃管内，稳定时封闭气柱的长度为L，已知长度为L的水银柱产生的压强为0.2p0，p0为外界大气压强，环境热力学温度为T0。
(1)若将玻璃管倒置，请通过计算分析是否有水银溢出，若有水银溢出，求玻璃管内剩余的水银柱长度；
(2)开口向上时，缓慢加热气体，当水银柱上表面刚好与管口平齐时热力学温度为T1，整个过程气体从外界吸收的热量为Q＝2.5p0LS，S为水银柱的横截面积，求T1∶T0以及封闭气体内能的变化量。
图5
解析　(1)玻璃管开口向上时，封闭气体的压强为p1＝p0＋0.2p0＝1.2p0
封闭气体的体积为V1＝LS
玻璃管倒置后，假设没有水银溢出，封闭气体的压强为p2＝p0－0.2p0＝0.8p0
封闭气体的体积为V2＝L′S
由玻意耳定律有p1V1＝p2V2
解得L′＝1.5L
由于L′＋L<3.5L，水银未从玻璃管中溢出。
答案　(1)见解析　(2)5∶2　增加了0.7p0LS
题
干
训练3 (多选)(2023·湖北模拟预测)一定量的理想气体从状态a经状态b变化到状态c，其过程如T－V图上的两条线段所示，则气体在(　　)
A.状态a处的压强大于状态c处的压强
B.由a变化到b的过程中，气体对外做功，从外界吸收的
热量大于其增加的内能
C.由b变化到c的过程中，气体的压强不变
D.由b变化到c的过程中，气体从外界吸热
AB
图6
3、链接高考真题
AD
1.(多选)(2023·山东卷，9)一定质量的理想气体，初始温度为300 K，压强为1×105 Pa，经等容过程，该气体吸收400 J的热量后温度上升100 K；若经等压过程，需要吸收600 J的热量才能使气体温度上升100 K。下列说法正确的是(　　)
B
2.(2023·辽宁卷，5)“空气充电宝”是一种通过压缩空气实现储能的装置，可在用电低谷时储存能量、用电高峰时释放能量。“空气充电宝”某个工作过程中，一定质量理想气体的p－T图像如图7所示，该过程对应的p－V图像可能是(　　)
图7
3.(2023·湖南卷，13)汽车刹车助力装置能有效为驾驶员踩刹车省力。如图8，刹车助力装置可简化为助力气室和抽气气室等部分构成，连杆AB与助力活塞固定为一体，驾驶员踩刹车时，在连杆AB上施加水平力推动液压泵实现刹车。助力气室与抽气气室用细管连接，通过抽气降低助力气室压强，利用大气压与助力气室的压强差实现刹车助力。每次抽气时，K1打开，K2闭合，抽气活塞在外力作用下从抽气气室最下端向上运动，助力气室中的气体充满抽气气室，达到两气室压强相等；然后，K1闭合，K2打开，抽气活塞向下运动，抽气气室中的全部气体从K2排出，完成一次抽气过程。已知助力气室容积为V0，初始压强等于外部大气压强p0，助力活塞横截面积为S，抽气气室的容积为V1。假设抽气过程中，助力活塞保持不动，气体可视为理想气体，温度保持不变。
图8
(1)求第1次抽气之后助力气室内的压强p1；
(2)第n次抽气后，求该刹车助力装置为驾驶员省力的大小ΔF。
4.(2023·1月浙江选考，17)某探究小组设计了一个报警装置，其原理如图9所示。在竖直放置的圆柱形容器内用面积S＝100 cm2、质量m＝1 kg 的活塞密封一定质量的理想气体，活塞能无摩擦滑动。开始时气体处于温度TA＝300 K、活塞与容器底的距离h0＝30 cm的状态A。环境温度升高时容器内气体被加热，活塞缓慢上升d＝3 cm恰好到达容器内的卡口处，此时气体达到状态B。活塞保持不动，气体被继续加热至温度Tc＝363 K的状态C时触动报警器。从状态A到状态C的过程中气体内能增加了ΔU＝158 J。取大气压p0＝0.99×105 Pa，求气体
图9
(1)在状态B的温度；
(2)在状态C的压强；
(3)由状态A到状态C过程中从外界吸收热量Q。
答案　(1)330 K　(2)1.1×105 Pa　(3)188 J
(3)根据题意可知，从状态A到状态C的过程中气体对外做功为W0＝pBSd＝30 J
外界对气体做功W＝－W0
由热力学第一定律有ΔU＝W＋Q
解得Q＝ΔU－W＝188 J。
（限时：40分钟）
4、课时跟踪训练
D
1.(2023·山东潍坊一模)神舟十二号航天员刘伯明曾在太空中用毛笔写下“理想”二字。在太空舱内使用的毛笔、墨汁和纸张都是特制的，毛笔笔尖内部存在毛细管能够吸墨，笔尖与纸张接触时，墨汁就从笔尖转移到纸上。在太空舱内(　　)
A.使用普通中性笔也能流畅书写 B.墨汁分子间不存在作用力
C.墨汁不浸润毛笔笔尖 D.墨汁浸润纸张
A级　基础保分练
解析　由于太空中处于完全失重状态，使用普通中性笔不能流畅书写，故A错误；由于分子间相互作用不受重力影响，则墨汁分子间存在相互作用力，故B错误；空间站仍能用毛笔的原理就是毛细现象，则墨汁浸润毛笔笔尖、浸润纸张，故C错误，D正确。
C
解析　球内气体温度保持不变，则内能不变，A错误；气球逐渐变大，体积增大，则球内气体对外做正功，由于内能不变，所以要吸热，B错误，C正确；容器内气体温度保持不变，则容器内气体分子的平均动能不变，D错误。
2.(2023·重庆市模拟)如图1所示，一带有抽气阀门的密闭容器内，有一个充有一定质量气体的气球(不漏气)。在抽气泵将容器内的气体缓慢抽出的过程中，气球会逐渐变大。若容器和球内气体温度保持不变且均视为理想气体，则(　　)
图1
A.球内气体的内能减小
B.球内气体放热
C.球内气体对外做正功
D.容器内气体分子的平均动能减小
3.(2023·山东淄博一模)如图2所示为一种喷药装置，内部装有2 L药液，上部密封压强为1 atm的空气0.5 L，保持阀门关闭，再充入1 atm的空气0.1 L。假设在所有过程中空气可看作理想气体，且温度不变，外部大气压强为1 atm，下列说法正确的是(　　)
C
A.充气后，密封气体压强变为1.1 atm
B.充气后，密封气体的分子平均动能增加
C.打开阀门后，密封气体对外界做正功
D.打开阀门后，密封气体向外界放热
图2
解析　把充入的气体和原气体作为整体，气体做等温变化，根据玻意耳定律可得p0(V1＋V2)＝p1V1，解得p1＝1.2 atm，故A错误；温度是平均动能的标志，温度不变，所以分子的平均动能不变，故B错误；充气后封闭气体压强变为1.2 atm，大于大气压强，所以打开阀门后，气体膨胀，对外界做功，故C正确；打开阀门后，密封气体对外做功，温度不变，内能不变，则气体从外界吸热，选项D错误。
4.(多选)(2023·新课标卷，21)如图3，一封闭着理想气体的绝热汽缸置于水平地面上，用轻弹簧连接的两绝热活塞将汽缸分为f、g、h三部分，活塞与汽缸壁间没有摩擦。初始时弹簧处于原长，三部分中气体的温度、体积、压强均相等。现通过电阻丝对f中的气体缓慢加热，停止加热并达到稳定后(　　)
AD
A.h中的气体内能增加
B.f与g中的气体温度相等
C.f与h中的气体温度相等
D.f与h中的气体压强相等
图3
5.(2023·山东泰安一模)气压式升降椅通过汽缸上下运动来支配椅子升降，其简易结构如图4乙所示，圆柱形汽缸与椅面固定连接，柱状汽缸杆与底座固定连接。可自由移动的汽缸与汽缸杆之间封闭一定质量的理想气体，设汽缸气密性、导热性能良好，忽略摩擦力。设气体的初始状态为A，某人坐上椅面后，椅子缓慢下降一段距离达到稳定状态B。然后打开空调，一段时间后，室内温度降低到设定温度，稳定后气体状态为C(此过程人的双脚悬空)；接着人缓慢离开座椅，直到椅子重新达到另一个稳定状态D，室内大气压保持不变，则气体从状态A到状态D的过程中，关于p、V、T的关系图正确的是(　　)
B
图4
解析　从状态A到状态B过程中，气体等温压缩，体积减小，压强增大，温度不变，从B到C，气体等压降温，温度降低，体积减小，压强不变，从C到D过程中，气体等温膨胀，体积变大，压强减小，且D状态的压强恢复为原A状态的压强，故B正确。
6.(2023·河北高三统考)一定质量的理想气体从状态A依次经过状态B、C和D后又回到状态A。其中C→D→A为等温过程。该循环过程如图5所示，下列说法正确的是(　　)
B
A.A→B过程中，气体对外做功与从外界吸收的热量相等
B.B→C过程中，单位时间单位面积气体撞击器壁的个数
减小
C.状态A气体分子平均动能大于状态C的气体分子平均动能
D.气体状态变化的全过程中，气体对外做的功大于该图像围成的面积
图5
解析　A→B过程中，气体压强不变，体积变大，温度升高，内能增加，气体从外界吸收的热量大于对外做功，选项A错误；B→C过程中，气体体积不变，压强减小，温度降低，气体的平均速率减小，单位时间单位面积气体分子撞击器壁的个数减小，选项B正确；状态A和状态C，气体的温度相同，则气体分子平均动能相同，选项C错误；根据W＝pΔV，可知，A→B气体对外做的功W1＝4p0(4V0－V0)＝12p0V0，B→C气体体积不变，则W2＝0，C→A气体体积减小，外界对气体做的功W3＝pΔV，其值等于曲线与横轴围成的面积，则气体状态变化的全过程中气体对外做的功等于该图像围成的面积，选项D错误。
7.(2023·山东青岛一模)如图6所示，一个50 L的容器A，通过一带有压力释放阀的细管与一个10 L的容器B连接，两容器导热良好。当容器A中的压强比容器B中的压强大1.16 atm时，阀门打开，气体由容器A通向容器B，当两容器中压强差小于1.16 atm时，阀门关闭。环境温度为288 K时，容器A中的气体压强为1.12 atm，此时容器B已抽成真空，现缓慢升高环境温度。求：
(1)压力释放阀刚打开时的环境温度；
(2)环境温度为360 K时，容器B内的气体压强。
B级　提能增分练
图6
答案　(1)298.3 K　(2)0.2 atm
(1)最终汽缸内气体的压强；
(2)弹簧的劲度系数和添加的沙子质量。
图7
9.如图8所示，横截面积S＝0.01 m2的薄壁汽缸开口向上竖直放置，a、b为固定在汽缸内壁的卡口，a、b之间的距离h＝0.03 m，b到汽缸底部的距离H＝0.45 m，质量m＝10 kg的水平活塞与汽缸内壁接触良好，只能在a、b之间移动。刚开始时缸内理想气体的压强为大气压强p0＝1×105 Pa，热力学温度T0＝300 K，活塞停在b处。重力加速度g取10 m/s2，活塞厚度、卡口的体积均可忽略，汽缸、活塞的导热性能均良好，不计活塞与汽缸之间的摩擦。若缓慢升高缸内气体的温度，外界大气压强恒定。
(1)求当活塞刚要离开卡口b时，缸内气体的热力学温度T1；
(2)求当缸内气体的热力学温度T2＝400 K时，缸内气体的压强p；
(3)在以上全过程中气体内能增量ΔU＝250 J，求全过程缸内气体吸收的热量Q。
C级　培优高分练
图8
答案　(1)330 K　(2)1.25×105 Pa　(3)283 J
(3)当缓慢升高缸内气体的温度时，由前面的分析可知，活塞从b到a的过程中，气体做等压变化，压强为p1，到达卡口a处时，温度升高到T3，然后气体再做等容变化，直到温度升高到T2，因此气体对活塞做功为W＝p1Sh
根据热力学第一定律得Q＝ΔU＋W＝283 J。

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