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第2讲　固体、液体和气体
素养目标　1.能从真实的物理情境中认识固体与液体的结构，认识气体分子运动特点．(物理观念) 2.从分子动理论角度理解理想气体．(科学思维) 3.会应用气体实验定律与理想气体状态方程分析解决实际问题．(科学思维) 4.能理解气体各种图像和物理意义，会分析气体图像问题．(科学思维)
一、晶体和非晶体　液晶
1．晶体与非晶体
比较 晶体 非晶体
单晶体 多晶体
外形 规则 不规则
熔点 确定 不确定
物理性质 各向异性 各向同性
原子排列 有规则，但多晶体每个晶粒间的排列无规则 无规则
2.液晶
(1)液晶分子既保持排列有序而显示各向异性，又可以自由移动位置，保持了液体的流动性．
(2)液晶分子的位置无序使它像液体，排列有序使它像晶体．
(3)液晶分子的排列从某个方向看比较整齐，而从另外一个方向看则是杂乱无章的．
二、液体的表面张力
1．作用：液体的表面张力使液面具有收缩到表面积最小的趋势．
2．方向：表面张力跟液面相切，且跟这部分液面的分界线垂直．
3．大小：液体的温度越高，表面张力越小；液体中溶有杂质时，表面张力变小；液体的密度越大，表面张力越大．
三、饱和汽、未饱和汽与饱和汽压　相对湿度
1．饱和汽与未饱和汽
(1)饱和汽：与液体处于动态平衡的蒸汽．
(2)未饱和汽：没有达到饱和状态的蒸汽．
2．饱和汽压
(1)定义：饱和汽所具有的压强．
(2)特点：液体的饱和汽压与温度有关，温度越高，饱和汽压越大，且饱和汽压与饱和汽的体积无关．
3．相对湿度
空气中水蒸气的压强与同一温度时水的饱和汽压之比．即：
相对湿度＝.
四、气体分子运动速率的统计分布
1．气体分子运动的特点
2．气体的压强
(1)产生原因：由于气体分子无规则的热运动，大量的分子频繁地碰撞器壁产生持续而稳定的压力．
(2)决定因素
①宏观上：决定于气体的温度和体积．
②微观上：决定于分子的平均动能和分子的密集程度．
五、气体实验定律　理想气体
1．气体实验定律
玻意耳定律 查理定律 盖—吕萨克定律
内容 一定质量的某种气体，在温度不变的情况下，压强与体积成反比 一定质量的某种气体，在体积不变的情况下，压强与热力学温度成正比 一定质量的某种气体，在压强不变的情况下，体积与热力学温度成正比
表达式 p1V1＝p2V2 ＝ ＝
拓展式 — Δp＝ΔT ΔV＝ΔT
2.理想气体状态方程
(1)理想气体：把在任何温度、任何压强下都遵从气体实验定律的气体称为理想气体．在压强不太大、温度不太低时，实际气体可以当成理想气体．
(2)理想气体状态方程：＝.
1．思维辨析
(1)单晶体的所有物理性质都是各向异性的. ( )
(2)晶体有天然规则的几何形状，是因为物质微粒是规则排列的. ( )
(3)液晶是液体和晶体的混合物. ( )
(4)船浮于水面上是液体的表面张力作用的结果．( )
(5)水蒸气达到饱和时，水蒸气的压强不再变化，这时蒸发和凝结仍在进行．( )
2．如图所示，把玻璃管的裂口放在火焰上烧熔，它的尖端就变钝了．产生这一现象的原因是 (　　)
A．玻璃是非晶体，熔化再凝固后变成晶体
B．玻璃是晶体，熔化再凝固后变成非晶体
C．熔化的玻璃表面分子间表现为引力使其表面绷紧
D．熔化的玻璃表面分子间表现为斥力使其表面扩张
3．盛有氧气的钢瓶，在27 ℃的室内测得钢瓶内的压强是9.31×106 Pa.当钢瓶搬到－23 ℃的工地上时，瓶内的压强变为(　　)
A．4.65×106 Pa B．7.76×106 Pa
C．9.31×106 Pa D．12.0×106 Pa
考点　固体和液体
1．晶体的微观结构
(1)晶体的微观结构特点：组成晶体的物质微粒有规则地、周期性地在空间排列．
(2)用晶体的微观结构特点解释晶体的特点
现象 原因
有确定的几何外形 内部微粒有规则地排列
物理性质各向异性 内部从任一结点出发在不同方向的微粒的分布情况不同
多形性 组成晶体的微粒可以形成不同的空间点阵
2.液体的微观结构特点
(1)分子间的距离很小：在液体内部分子间的距离在10－10 m左右．
(2)液体分子间的相互作用力很大，但比固体分子间的作用力要小．
(3)分子的热运动特点表现为振动与移动相结合．
3．液体的表面张力
形成原因 表面层中分子间的距离比液体内部分子间的距离大，分子间的相互作用力表现为引力
表面特性 表面层分子间的引力使液面产生了表面张力，使液体表面好像一层绷紧的弹性薄膜，分子势能大于液体内部的分子势能
方向 和液面相切，垂直于液面上的分界线
效果 表面张力使液体表面具有收缩趋势，使液体表面积趋于最小，而在体积相同的条件下，球形的表面积最小
典例1　(2024·江苏高三期末)在甲、乙、丙三种固体薄片上涂上蜡，用烧热的针接触其上一点，蜡熔化的范围如图甲、乙、丙所示．甲、乙、丙三种固体在熔化过程中温度随加热时间变化的关系如图丁所示，则以下说法正确的是(　　)
A．甲、乙为非晶体，丙是晶体
B．甲、乙为晶体，丙是非晶体
C．甲、丙为非晶体，乙是晶体
D．甲为晶体，乙为非晶体，丙为单晶体
1．[对表面张力的理解](多选)下列说法正确的是(　　)
A．把一枚针轻放在水面上，它会浮在水面上，这是由于水表面存在表面张力
B．在处于失重状态的宇宙飞船中，一大滴水银会成球状，是因为液体内分子间有相互吸引力
C．将玻璃管的裂口放在火上烧，它的尖端就变圆，是因为熔化的玻璃在表面张力的作用下，表面要收缩到最小
D．漂浮在热菜汤表面上的油滴，从上面观察是圆形的，是因为油滴液体呈各向同性
2．[分子势能与分子间距离的变化关系]由于水的表面张力，荷叶上的小水滴总是球形的．在小水滴表面层中，水分子之间的相互作用总体上表现为________(填“引力”或“斥力”)．分子势能Ep和分子间距离r的关系图像如图所示，能总体上反映小水滴表面层中水分子Ep的是图中________(填“A”“B”或“C”)的位置．
考点　气体的性质及气体压强的计算
1．气体的分子动理论
(1)气体分子间的作用力：气体分子之间的距离远大于分子直径，气体分子之间的作用力十分微弱，可以忽略不计，气体分子间除碰撞外无相互作用力．
(2)气体分子的速率分布：表现出“中间多，两头少”的统计分布规律．
(3)气体分子的运动方向：气体分子运动时是杂乱无章的，但向各个方向运动的机会均等．
(4)气体分子的运动与温度的关系：温度一定时，某种气体分子的速率分布是确定的，速率的平均值也是确定的；温度升高，气体分子的平均速率增大，但不是每个分子的速率都增大．
2．气体压强常见的两类模型
(1)活塞模型：如图甲、乙所示是最常见的封闭气体的两种方式．
对“活塞模型”类求压强的问题，其基本的方法就是先对活塞进行受力分析，然后根据平衡条件或牛顿第二定律列方程．图甲中活塞的质量为m，横截面积为S，外界大气压强为p0.由于活塞处于平衡状态，所以p0S＋mg＝pS，则气体的压强为p＝p0＋.图乙中的液柱也可以看成“活塞”，由于液柱处于平衡状态，所以pS＋mg＝p0S，则气体压强为p＝p0－＝p0－ρ液gh.
(2)连通器模型：如图丙所示，U形管竖直放置，同一液体中的相同高度处压强一定相等，所以气体B和气体A的压强关系可由图中虚线联系起来，则有pB＋ρ液gh2＝pA，而pA＝p0＋ρ液gh1，所以气体B的压强为pB＝p0＋ρ液g(h1－h2)．
典例2　若已知大气压强为p0，如图所示各装置均处于静止状态，图中液体密度均为ρ，求下列各图中被封闭气体的压强．
1．[对分子速率分布图像的理解](多选)氧气分子在0 ℃和100 ℃温度下单位速率间隔的分子数占总分子数的百分比随气体分子速率的变化分别如图中两条曲线所示，下列说法正确的是(　　)
A．图中两条曲线下面积相等
B．图中虚线对应于氧气分子平均动能较小的情形
C．图中实线对应于氧气分子在100 ℃时的情形
D．图中曲线给出了任意速率区间的氧气分子数目
2．[汽缸—活塞模型中气体压强的计算]如图甲、乙所示两个汽缸的质量均为M，内部横截面积均为S，两个活塞的质量均为m，图甲中的汽缸静止在水平面上，图乙中的活塞和汽缸竖直悬挂在天花板下．两个汽缸内分别封闭有一定质量的气体A、B，大气压强为p0，重力加速度为g，求封闭气体A、B的压强各多大？
考点　气体实验定律及理想气体状态方程的应用
1．气体实验定律的微观解释
项目 微观解释
玻意耳定律 一定质量的气体，温度保持不变时，分子的平均动能一定．在这种情况下，体积减小时，分子的密集程度增大，气体的压强就增大
查理定律 一定质量的气体，体积保持不变时，分子的密集程度保持不变．在这种情况下，温度升高时，分子的平均动能增大，气体的压强就增大
盖—吕萨克定律 一定质量的气体，温度升高时，分子的平均动能增大．只有气体的体积同时增大，使分子的密集程度减小，才能保持压强不变
2.理想气体状态方程
(1)理想气体状态方程：＝C.
(2)理想气体状态方程与气体实验定律的关系
3．克拉珀龙方程
设气体质量为m，摩尔质量为M，则物质的量为n＝.那么有＝k，式中k＝nR，R为普适气体常量，R约为8.3 J/(mol·K)，即pV＝nRT.此方程叫作克拉珀龙方程．
典例3　(2023·全国甲卷)一高压舱内气体的压强为1.2个大气压，温度为17 ℃，密度为1.46 kg/m3.
(1)升高气体温度并释放出舱内部分气体以保持压强不变，求气体温度升至27 ℃时舱内气体的密度；
(2)保持温度27 ℃不变，再释放出舱内部分气体使舱内压强降至1.0个大气压，求舱内气体的密度．
1．[应用状态方程分析气体图像问题]如图所示，一定质量的理想气体从状态A开始，经历两个过程，先后达到状态B和C，A、B和C三个状态的温度分别为TA、TB和TC.下列说法正确的是(　　)
A．TA＝TB，TBB．TAC．状态A到状态B的过程中气体分子的平均动能增大
D．状态B到状态C的过程中气体的内能增大
2．[气体实验定律的应用]工人浇筑混凝土墙壁时，内部形成了一块气密性良好且充满空气的空腔，墙壁导热性能良好，且将空气视为理想气体，T＝t＋273 K.
(1)空腔内气体的温度变化范围为－33～47 ℃，问空腔内气体的最小压强与最大压强之比；
(2)填充空腔前，需要测出空腔的容积．在墙上钻一个小孔，用细管(体积不计)将空腔和一个带有气压传感器的汽缸连通，形成密闭空间．当汽缸内气体体积为1 L时，传感器的示数为1.0 atm.将活塞缓慢下压，汽缸内气体体积为0.7 L时，传感器的示数为1.2 atm.求该空腔的容积．
答案及解析
1．思维辨析
(1)单晶体的所有物理性质都是各向异性的. (×)
(2)晶体有天然规则的几何形状，是因为物质微粒是规则排列的. (√)
(3)液晶是液体和晶体的混合物. (×)
(4)船浮于水面上是液体的表面张力作用的结果．(×)
(5)水蒸气达到饱和时，水蒸气的压强不再变化，这时蒸发和凝结仍在进行．(√)
2．如图所示，把玻璃管的裂口放在火焰上烧熔，它的尖端就变钝了．产生这一现象的原因是 (　　)
A．玻璃是非晶体，熔化再凝固后变成晶体
B．玻璃是晶体，熔化再凝固后变成非晶体
C．熔化的玻璃表面分子间表现为引力使其表面绷紧
D．熔化的玻璃表面分子间表现为斥力使其表面扩张
答案：C
3．盛有氧气的钢瓶，在27 ℃的室内测得钢瓶内的压强是9.31×106 Pa.当钢瓶搬到－23 ℃的工地上时，瓶内的压强变为(　　)
A．4.65×106 Pa B．7.76×106 Pa
C．9.31×106 Pa D．12.0×106 Pa
解析：钢瓶内气体发生等容变化，由＝，解得p2＝7.76×106 Pa，B正确．
答案：B
考点　固体和液体
典例1　(2024·江苏高三期末)在甲、乙、丙三种固体薄片上涂上蜡，用烧热的针接触其上一点，蜡熔化的范围如图甲、乙、丙所示．甲、乙、丙三种固体在熔化过程中温度随加热时间变化的关系如图丁所示，则以下说法正确的是(　　)
A．甲、乙为非晶体，丙是晶体
B．甲、乙为晶体，丙是非晶体
C．甲、丙为非晶体，乙是晶体
D．甲为晶体，乙为非晶体，丙为单晶体
解析：晶体具有固定的熔点，非晶体没有固定的熔点．丙固体在导热性能方面表现为各向异性，甲、乙固体在导热性能方面表现为各向同性，但不能确定其他性质是否也为各向同性．则甲在导热性能方面表现为各向同性，且有一定的熔点，可能是多晶体也可能是单晶体；乙在导热性能方面表现为各向同性，没有一定的熔点，是非晶体；丙在导热性能方面表现为各向异性，有一定的熔点，是单晶体．故D正确，A、B、C错误．故选D．
1．[对表面张力的理解](多选)下列说法正确的是(　　)
A．把一枚针轻放在水面上，它会浮在水面上，这是由于水表面存在表面张力
B．在处于失重状态的宇宙飞船中，一大滴水银会成球状，是因为液体内分子间有相互吸引力
C．将玻璃管的裂口放在火上烧，它的尖端就变圆，是因为熔化的玻璃在表面张力的作用下，表面要收缩到最小
D．漂浮在热菜汤表面上的油滴，从上面观察是圆形的，是因为油滴液体呈各向同性
解析：水的表面张力托起针，A项正确；B、D两项也是表面张力的原因，故B、D均错误，C项正确．
答案：AC
2．[分子势能与分子间距离的变化关系]由于水的表面张力，荷叶上的小水滴总是球形的．在小水滴表面层中，水分子之间的相互作用总体上表现为________(填“引力”或“斥力”)．分子势能Ep和分子间距离r的关系图像如图所示，能总体上反映小水滴表面层中水分子Ep的是图中________(填“A”“B”或“C”)的位置．
解析：水滴表面层使水滴具有收缩的趋势，因此水滴表面层中，水分子之间的作用力表现为引力；水分子之间引力和斥力相等时，分子间距r＝r0，分子势能最小；当分子间表现为引力时，分子间距离r>r0，因此，小水滴表面层中水分子Ep对应于位置C.
答案：引力　C
考点　气体的性质及气体压强的计算
典例2　若已知大气压强为p0，如图所示各装置均处于静止状态，图中液体密度均为ρ，求下列各图中被封闭气体的压强．
解析：(1)在题图甲中，以高为h的液柱为研究对象，由二力平衡知p气S＋ρghS＝p0S
所以p气＝p0－ρgh.
(2)在题图乙中，以B液面为研究对象，由平衡方程F上＝F下，有：p气S＋ρghS＝p0S
所以p气＝p0－ρgh.
(3)在题图丙中，以B液面为研究对象．，有
(4)在题图丁中，根据帕斯卡定律可知，同一液体中的相同高度处压强一定相等，则有pB＋ρgh2＝pA
而pA＝p0＋ρgh1
所以气体B的压强为pB＝p0＋ρg(h1－h2)．
答案：甲：p0－ρgh　乙：p0－ρgh　丙：p0－ρgh　丁：pA＝p0＋ρgh1，pB＝p0＋ρg(h1－h2)
1．[对分子速率分布图像的理解](多选)氧气分子在0 ℃和100 ℃温度下单位速率间隔的分子数占总分子数的百分比随气体分子速率的变化分别如图中两条曲线所示，下列说法正确的是(　　)
A．图中两条曲线下面积相等
B．图中虚线对应于氧气分子平均动能较小的情形
C．图中实线对应于氧气分子在100 ℃时的情形
D．图中曲线给出了任意速率区间的氧气分子数目
解析：根据气体分子单位速率间隔的分子数占总分子数的百分比随气体分子速率的变化曲线的意义可知，题图中两条曲线下面积相等，选项A正确；题图中虚线占百分比较大的分子速率较小，所以对应于氧气分子平均动能较小的情形，选项B正确；题图中实线占百分比较大的分子速率较大，分子平均动能较大，根据温度是分子平均动能的标志，可知实线对应于氧气分子在100 ℃时的情形，选项C正确；根据分子速率分布图可知，题图中曲线给出了任意速率区间的氧气分子数目占总分子数的百分比，不能得出任意速率区间的氧气分子数目，选项D错误．
答案：ABC
2．[汽缸—活塞模型中气体压强的计算]如图甲、乙所示两个汽缸的质量均为M，内部横截面积均为S，两个活塞的质量均为m，图甲中的汽缸静止在水平面上，图乙中的活塞和汽缸竖直悬挂在天花板下．两个汽缸内分别封闭有一定质量的气体A、B，大气压强为p0，重力加速度为g，求封闭气体A、B的压强各多大？
解析：题图甲中选活塞为研究对象，受力分析如图(a)所示，由平衡条件知pAS＝p0S＋mg，解得pA＝p0＋；
题图乙中选汽缸为研究对象，受力分析如图(b)所示，由平衡条件知p0S＝pBS＋Mg，
解得pB＝p0－.
答案：p0＋　p0－
考点　气体实验定律及理想气体状态方程的应用
典例3　(2023·全国甲卷)一高压舱内气体的压强为1.2个大气压，温度为17 ℃，密度为1.46 kg/m3.
(1)升高气体温度并释放出舱内部分气体以保持压强不变，求气体温度升至27 ℃时舱内气体的密度；
(2)保持温度27 ℃不变，再释放出舱内部分气体使舱内压强降至1.0个大气压，求舱内气体的密度．
解析：(1)由摄氏温标和热力学温标的关系可得T1＝(273＋17) K＝290 K，T2＝(273＋27) K＝300 K
由克拉珀龙方程pV＝nRT可知nR＝
其中n为封闭气体的物质的量，即理想气体的正比于气体的质量，则＝＝
其中p1＝p2＝1.2p0，ρ1＝1.46 kg/m3，代入数据解得ρ2＝1.41 kg/m3.
(2)由题意得p3＝p0，T3＝(273＋27) K＝300 K，同理可得＝＝
代入数据解得ρ3＝1.18 kg/m3.
答案：(1)1.41 kg/m3　(2)1.18 kg/m3
1．[应用状态方程分析气体图像问题]如图所示，一定质量的理想气体从状态A开始，经历两个过程，先后达到状态B和C，A、B和C三个状态的温度分别为TA、TB和TC.下列说法正确的是(　　)
A．TA＝TB，TBB．TAC．状态A到状态B的过程中气体分子的平均动能增大
D．状态B到状态C的过程中气体的内能增大
解析：因A、B两状态压强相同，但是VB>VA，根据＝C，可知TApC，则 TB>TC，A、B错误．状态A到状态B过程中气体温度升高，则气体分子的平均动能增大，C正确．状态B到状态C的过程中气体的温度降低，则内能减小，D错误．
答案：C
2．[气体实验定律的应用]工人浇筑混凝土墙壁时，内部形成了一块气密性良好且充满空气的空腔，墙壁导热性能良好，且将空气视为理想气体，T＝t＋273 K.
(1)空腔内气体的温度变化范围为－33～47 ℃，问空腔内气体的最小压强与最大压强之比；
(2)填充空腔前，需要测出空腔的容积．在墙上钻一个小孔，用细管(体积不计)将空腔和一个带有气压传感器的汽缸连通，形成密闭空间．当汽缸内气体体积为1 L时，传感器的示数为1.0 atm.将活塞缓慢下压，汽缸内气体体积为0.7 L时，传感器的示数为1.2 atm.求该空腔的容积．
解析：(1)以空腔内的气体为研究对象，最低温度时，压强为p1，T1＝240 K；最高温度时，压强为p2，T2＝320 K，根据查理定律可知＝，解得＝＝3∶4.
(2)设空腔的容积为V0，汽缸内气体初始体积为V，以整个系统内的气体为研究对象，则未下压活塞时气体的压强p3＝1.0 atm，体积V1＝V0＋V，V＝1 L，下压活塞后气体的压强p4＝1.2 atm，体积V2＝V0＋V′，V′＝0.7 L，根据玻意耳定律可知p3V1＝p4V2，解得V0＝0.8 L.
答案：(1)3∶4　(2)0.8 L(共42张PPT)
第2讲　固体、液体和气体
第十四章　热　学
理清教材 强基固本
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重难考点 全线突破
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