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4　气体热现象的微观意义
[学习目标]　1.理解气体分子运动的特点及气体分子运动速率的统计分布规律.2.能用气体分子动理论解释气体压强的微观意义；知道气体的压强、温度、体积与所对应的微观物理量间的相关联系.3.能用气体分子动理论解释三个气体实验定律．

一、随机性与统计规律
1．必然事件：在一定条件下必然出现的事件．
2．不可能事件：在一定条件下不可能出现的事件．
3．随机事件：在一定条件下可能出现，也可能不出现的事件．
4．统计规律：大量随机事件的整体会表现出一定的规律．
二、气体分子运动的特点
1．气体分子间的距离大约是分子直径的10倍左右，通常认为除了相互碰撞或者跟器壁碰撞外，气体分子不受力的作用，做匀速直线运动．
2．在某一时刻，向着任何一个方向运动的分子都有，而且向各个方向运动的气体分子数目都相等．
三、气体温度的微观意义
1．温度越高，分子的热运动越激烈．大量气体分子的速率呈“中间多、两头少”的规律分布．当温度升高时，气体分子的速率分布图“中间多”的这一“高峰”向速率大的方向移动，即速率大的分子数目增多，速率小的分子数目减少，分子的平均速率增大．
2．温度是分子平均动能的标志．理想气体的热力学温度T与分子的平均动能k成正比，即T＝ak，式中a是比例常数．
四、气体压强的微观意义
1．气体压强的大小等于大量气体分子作用在器壁单位面积上的平均作用力．
2．产生原因：大量气体分子对器壁的碰撞引起的．
3．决定因素：(1)微观上决定于分子的平均动能和分子的密集程度；
(2)宏观上决定于气体的温度T和体积V.
五、对气体实验定律的微观解释
1．玻意耳定律的微观解释
一定质量的某种理想气体，温度保持不变时，分子的平均动能是一定的．体积减小时，分子的密集程度增大(填“增大”或“减小”)，单位时间内撞击单位面积器壁的分子数就增多，气体的压强就增大(填“增大”或“减小”)．
2．查理定律的微观解释
一定质量的某种理想气体，体积保持不变时，分子的密集程度保持不变，温度升高时，分子的平均动能增大(填“增大”或“减小”)，分子撞击器壁的作用力变大，所以气体的压强增大(填“增大”或“减小”)．
3．盖—吕萨克定律的微观解释
一定质量的某种理想气体，温度升高时，分子的平均动能增大(填“增大”或“减小”)，分子撞击器壁的作用力变大，而要使压强不变，则需使影响压强的另一个因素即分子的密集程度减小，所以气体的体积增大(填“增大”或“减小”)．

1．判断下列说法的正误．
(1)气体内部所有分子的动能都随温度的升高而增大．(　×　)
(2)温度相同时，各种气体分子的平均速率都相同．(　×　)
(3)密闭容器中气体的压强是由于分子间的相互作用力而产生的．(　×　)
(4)气体分子的平均动能越大，分子越密集，气体压强越大．(　√　)
(5)一定质量的某种理想气体，若p不变，V增大，则T增大，是由于分子密集程度减小，要使压强不变，需使分子的平均动能增大．(　√　)
2．密闭在钢瓶中的理想气体，温度升高时压强增大．从分子动理论的角度分析，这是由于分子热运动的________增大了．该气体在温度T1、T2时的分子速率分布图象如图1所示，则T1________(选填“大于”或“小于”)T2.

图1
答案　平均动能　小于

一、对气体分子运动特点的理解

(1)抛掷一枚硬币时，其正面有时向上，有时向下，抛掷次数较少和次数很多时，会有什么规律？
(2)气体分子间的作用力很小，若没有分子力作用，气体分子将处于怎样的自由状态？
(3)温度不变时，每个分子的速率都相同吗？温度升高，所有分子运动速率都增大吗？
答案　(1)抛掷次数较少时，正面向上或向下完全是偶然的，但次数很多时，正面向上或向下的概率是相等的．(2)无碰撞时气体分子将做匀速直线运动，但由于分子之间的频繁碰撞，使得气体分子的速度大小和方向频繁改变，运动变得杂乱无章．(3)分子在做无规则运动，造成其速率有大有小．温度升高时，所有分子热运动的平均速率增大，即大部分分子的速率增大了，但也有少数分子的速率减小．

1．对统计规律的理解
(1)个别事物的出现具有偶然因素，但大量事物出现的机会却遵从一定的统计规律．
(2)从微观角度看，由于物体是由数量极多的分子组成的，这些分子并没有统一的运动步调，单独来看，各个分子的运动都是不规则的，带有偶然性，但从总体来看，大量分子的运动却有一定的规律．
2．气体分子运动的特点
(1)气体分子间的距离很大，大约是分子直径的10倍，因此除了相互碰撞或者跟器壁碰撞外，气体分子不受力的作用，在空间自由移动．所以气体没有确定的形状和体积，其体积等于容器的容积．
(2)分子的运动杂乱无章，在某一时刻，气体分子沿各个方向运动的机会(机率)相等．
(3)每个气体分子都在做永不停息的无规则运动，常温下大多数气体分子的速率都达到数百米每秒，在数量级上相当于子弹的速率．
3．气体温度的微观意义
(1)温度越高，分子的热运动越激烈．
(2)气体分子速率呈“中间多、两头少”的规律分布．当温度升高时，某一分子在某一时刻它的速率不一定增加，但大量分子的平均速率一定增加，而且“中间多”的分子速率值增加(如图2所示)．

图2
(3)理想气体的热力学温度T与分子的平均动能k成正比，即：T＝ak(式中a是比例常数)，这表明，温度是分子平均动能的标志．
例1　(多选)对于气体分子的运动，下列说法正确的是(　　)
A．一定温度下某种理想气体的分子的碰撞虽然十分频繁，但同一时刻，每个分子的速率都相等
B．一定温度下某种理想气体的分子速率一般不相等，但速率很大和速率很小的分子数目相对较少
C．一定温度下某种理想气体的分子做杂乱无章的运动可能会出现某一时刻所有分子都朝同一方向运动的情况
D．一定温度下某种理想气体，当温度升高时，其中某10个分子的平均动能可能减小
答案　BDfalse
解析　一定温度下某种理想气体分子碰撞十分频繁，单个分子运动杂乱无章，速率不等，但大量分子的运动遵从统计规律，速率很大和速率很小的分子数目相对较少，向各个方向运动的分子数目相等，A、C错，B对；温度升高时，大量分子平均动能增大，但个别或少量(如10个)分子的平均动能有可能减小，D对．

气体分子的运动是杂乱无章、无规则的，研究单个的分子无实际意义，我们研究的是大量分子的统计规律．
例2　如图3是氧气分子在不同温度(0℃和100℃)下的速率分布，是分子数所占的比例．由图线信息可得到的正确结论是(　　)

图3
A．同一温度下，速率大的氧气分子数所占的比例大
B．温度升高使得每一个氧气分子的速率都增大
C．温度越高，一定速率范围内的氧气分子所占的比例越小
D．温度升高使得速率较小的氧气分子所占的比例变小
答案　D
解析　同一温度下，中等速率的氧气分子数所占的比例大，A错误；温度升高使得氧气分子的平均速率增大，B错误；温度越高，一定速率范围内的氧气分子所占的比例有高有低，C错误；温度升高使得速率较小的氧气分子所占的比例变小，D正确．

二、气体压强的微观意义

(1)如图4甲所示，密闭容器内封闭一定质量的气体，气体的压强是由气体分子间的斥力产生的吗？
　　
图4
(2)把一颗豆粒拿到台秤上方约10cm的位置，放手后使它落在秤盘上，观察秤的指针的摆动情况．如图乙所示，再从相同高度把100粒或更多的豆粒连续地倒在秤盘上，观察指针的摆动情况．使这些豆粒从更高的位置落在秤盘上，观察指针的摆动情况．用豆粒做气体分子的模型，试说明气体压强产生的原理．
答案　(1)不是，是分子撞击器壁而产生的．(2)气体压强的大小跟两个因素有关：一个是气体分子的平均动能，一个是分子的密集程度．

1．气体压强的产生
单个分子碰撞器壁的冲力是短暂的，但是大量分子频繁地碰撞器壁，就会对器壁产生持续、均匀的压力．所以从分子动理论的观点来看，气体的压强就是大量气体分子作用在器壁单位面积上的平均作用力．
2．决定气体压强大小的因素
(1)微观因素
①与气体分子的密集程度有关：气体分子密集程度(即单位体积内气体分子的数目)越大，在单位时间内，与单位面积器壁碰撞的分子数就越多，气体压强就越大．
②与气体分子的平均动能有关：气体的温度越高，气体分子的平均动能就越大，每个气体分子与器壁碰撞时(可视为弹性碰撞)给器壁的冲力就越大；从另一方面讲，分子的平均速率越大，在单位时间内器壁受气体分子撞击的次数就越多，累计冲力就越大，气体压强就越大．
(2)宏观因素
①与温度有关：体积一定时，温度越高，气体的压强越大．
②与体积有关：温度一定时，体积越小，气体的压强越大．
3．气体压强与大气压强的区别与联系

气体压强
大气压强
区
别
①因密闭容器内的气体分子的密集程度一般很小，由气体自身重力产生的压强极小，可忽略不计，故气体压强由气体分子碰撞器壁产生
②大小由气体分子的密集程度和温度决定，与地球的引力无关
③气体对上下左右器壁的压强大小都是相等的
①由于空气受到重力作用紧紧包围地球而对浸在它里面的物体产生的压强．如果没有地球引力作用，地球表面就没有大气，从而也不会有大气压强
②地面大气压强的值与地球表面积的乘积，近似等于地球大气层所受的重力值
③大气压强最终还是通过分子碰撞实现对放入其中的物体产生压强
联
系
两种压强最终都是通过气体分子碰撞器壁或碰撞放入其中的物体而产生的

例3　(多选)一定质量的理想气体，经等温压缩，气体的压强增大，用分子动理论的观点分析，这是因为(　　)
A．气体分子每次碰撞器壁的平均冲力增大
B．单位时间内单位面积器壁上受到气体分子碰撞的次数增多
C．气体分子的总数增加
D．气体分子的密集程度增大
答案　BD
解析　理想气体经等温压缩，压强增大，体积减小，分子密集程度增大，则单位时间内单位面积器壁上受到气体分子的碰撞次数增多，但气体分子每次碰撞器壁的平均冲力不变，故B、D正确，A、C错误．
三、对气体实验定律的微观解释

(1)如何从微观角度来解释气体实验定律？
(2)自行车的轮胎没气后会变瘪，用打气筒向里打气，打进去的气越多，轮胎会越“硬”．你怎样用分子动理论的观点来解释这种现象？(假设轮胎的容积和气体的温度不发生变化)
答案　(1)从决定气体压强的微观因素上来解释，即气体分子的平均动能和气体分子的密集程度．
(2)轮胎的容积不发生变化，随着气体不断地打入，轮胎内气体分子的密集程度不断增大，温度不变意味着气体分子的平均动能没有发生变化，单位时间内单位面积上碰撞次数增多，故气体压强不断增大，轮胎会越来越“硬”．

1．玻意耳定律
(1)宏观表现：一定质量的某种理想气体，在温度保持不变时，体积减小，压强增大；体积增大，压强减小．
(2)微观解释：温度不变，分子的平均动能不变．体积越小，分子越密集，单位时间内撞到单位面积器壁上的分子数就越多，气体的压强就越大，如图5.

图5
2．查理定律
(1)宏观表现：一定质量的某种理想气体，在体积保持不变时，温度升高，压强增大；温度降低，压强减小．
(2)微观解释：体积不变，则分子的密集程度不变，温度升高，分子平均动能增大，分子撞击器壁的作用力变大，所以气体的压强增大，如图6.

图6
3．盖—吕萨克定律
(1)宏观表现：一定质量的某种理想气体，在压强不变时，温度升高，体积增大，温度降低，体积减小．
(2)微观解释：温度升高，分子平均动能增大，撞击器壁的作用力变大，而要使压强不变，则需影响压强的另一个因素，即分子的密集程度减小，所以气体的体积增大，如图7.

图7
例4　如图8所示，一定质量的理想气体由状态A沿平行于纵轴的直线变化到状态B，则它的状态变化过程是(　　)

图8
A．气体的温度不变
B．气体的内能增加
C．气体分子的平均速率减小
D．气体分子在单位时间内与单位面积器壁碰撞的次数不变
答案　B
解析　从p－V图象中的AB图线看，气体由状态A到状态B为等容升压变化，根据查理定律，一定质量的理想气体，当体积不变时，压强跟热力学温度成正比，由A到B是压强增大，温度升高，故A错误；气体的温度升高，内能增加，故B正确；气体的温度升高，分子平均速率增大，故C错误；气体体积不变，分子密集程度不变，温度升高，分子平均速率增大，则气体分子在单位时间内与单位面积器壁的碰撞次数增加，故D错误．

对气体实验定律的解释，注意从两个途径进行分析：一是从微观角度分析，二是从理想气体状态方程分析.







1．(气体分子运动的特点)(多选)如图9所示，为一定质量氧气分子在0℃和100℃两种不同情况下速率分布情况，由图可以判断以下说法正确的是(　　)

图9
A．温度升高，所有分子运动速率变大
B．温度越高，分子平均速率越小
C．0℃和100℃氧气分子速率都呈现“中间多、两头少”的分布特点
D．100℃的氧气和0℃氧气相比，速率大的分子数比例较多
2．(气体压强的微观解释)(2020·濮阳市模拟)对一定质量的气体，下列叙述正确的是(　　)
A．如果体积减小，气体分子在单位时间内对单位面积器壁的碰撞次数一定增多
B．当温度一定时，如果压强增大，气体分子在单位时间内对单位面积器壁的碰撞次数一定增多
C．如果温度升高，气体分子在单位时间内对单位面积器壁的碰撞次数一定增多
D．如果分子数密度增大，气体分子在单位时间内对单位面积器壁的碰撞次数一定增多
3．(气体实验定律的微观解释)(多选)关于一定质量的理想气体，下列说法正确的是(　　)
A．体积不变，压强增大时，气体分子的平均动能一定增大
B．温度不变，压强减小时，气体的密集程度一定减小
C．压强不变，温度降低时，气体的密集程度一定减小
D．温度升高，压强和体积可能都不变
4．(气体实验定律的微观解释)(多选)(2020·三亚华侨学校高二上期中)一定质量的理想气体，体积变大的同时，温度也升高了，那么下面判断正确的是(　　)
A．气体分子平均动能增大
B．单位体积内分子数目增多
C．气体的压强一定保持不变
D．气体的压强可能变大


考点一　气体分子运动的特点
1．(多选)关于麦克斯韦速率分布规律对气体分子速率分布的解释，正确的是(　　)
A．分子的速率大小与温度有关，温度越高，所有分子的速率都越大
B．分子的速率大小与温度有关，同一种气体温度越高，分子的平均速率越大
C．气体分子的速率分布总体呈现出“中间多、两边少”的正态分布特征
D．气体分子的速率分布遵循统计规律，适用于大量分子
2．关于气体分子的运动情况，下列说法正确的是(　　)
A．某一时刻具有任意速率的分子数目是相等的
B．某一时刻一个分子速度的大小和方向是偶然的
C．某一温度下，大多数气体分子的速率不会发生变化
D．分子的速率分布毫无规律
3．(多选)(2020·聊城市高二下期末)我们知道，气体分子的运动是无规则的，每个分子运动的速率一般是不同的，但大量分子的速率分布却有一定的统计规律．图1描绘了某种气体在不同温度下分子数百分比按速率分布的曲线，两条曲线对应的温度分别为T1和T2，则下列说法正确的是(　　)

图1
A．T1 B．T1>T2
C．两曲线与横轴所围图形的“面积”相等
D．两曲线与横轴所围图形的“面积”不相等
4．夏天开空调，冷气从空调中吹进室内，则室内气体分子的(　　)
A．热运动剧烈程度加剧
B．平均动能变大
C．每个分子速率都会相应地减小
D．速率小的分子数所占的比例升高
考点二　气体压强的微观解释
5．关于气体的压强，下列说法正确的是(　　)
A．气体的压强是由气体分子间的吸引和排斥产生的
B．气体分子的平均速率增大，气体的压强一定增大
C．气体的压强是由于大量气体分子频繁撞击器壁产生的
D．当某一容器自由下落时，容器中气体的压强将变为零
6．如图2所示，两个完全相同的圆柱形密闭容器，甲中装满水，乙中充满空气，则下列说法正确的是(容器容积恒定)(　　)

图2
A．两容器中器壁的压强都是由于分子撞击器壁而产生的
B．两容器中器壁的压强都是由所装物质的重力而产生的
C．甲容器中pA>pB，乙容器中pC＝pD
D．当温度升高时，pA、pB变大，pC、pD也要变大
考点三　对气体实验定律的微观解释
7．一定质量的理想气体，在压强不变的条件下，温度升高，体积增大，从分子动理论的观点来分析，正确的是(　　)
A．此过程中分子的平均速率不变，所以压强保持不变
B．此过程中每个气体分子碰撞器壁的平均冲击力不变，所以压强保持不变
C．此过程中单位时间内气体分子对单位面积器壁的碰撞次数不变，所以压强保持不变
D．以上说法都不对
8.(多选)如图3所示，导热的汽缸固定在水平地面上，用活塞把一定质量的理想气体封闭在汽缸中，汽缸的内壁光滑．现有水平外力F作用于活塞杆，使活塞缓慢地向右移动，在此过程中如果环境保持恒温，下列说法正确的是(　　)

图3
A．每个气体分子的速率都不变
B．气体分子平均动能不变
C．水平外力F逐渐变大
D．气体内能减少

9．(多选)关于理想气体的温度、分子平均速率、内能的关系，下列说法正确的是(　　)
A．温度升高时，气体分子的平均速率增大
B．温度相同时，各种气体分子的平均速率都相同
C．温度相同时，各种气体分子的平均动能相同
D．温度相同时，各种气体的内能都相同
10．对于一定质量的某种理想气体，若用N表示单位时间内与单位面积器壁碰撞的分子数，则(　　)
A．当体积减小时，N必定增加
B．当温度升高时，N必定增加
C．当压强不变而体积和温度变化时，N必定变化
D．当压强不变而体积和温度变化时，N可能不变
11.节假日释放氢气球，在氢气球上升过程中，气球会膨胀，达到极限体积时甚至会胀破．假设在氢气球上升过程中，环境温度保持不变，则球内的气体压强________(选填“增大”“减小”或“不变”)，气体分子热运动的剧烈程度________(选填“变强”“变弱”或“不变”)，气体分子的速率分布情况最接近图4中的________线(选填“A”“B”或“C”)，图中f(v)表示速率v处单位速率区间内的分子数百分率．

图4
12．一定质量的理想气体由状态A经状态B变化到状态C，其中A→B过程为等容变化，B→C过程为等容变化．已知VA＝0.3m3，TA＝TC＝300K，TB＝400K.
(1)求气体在状态B时的体积；
(2)说明B→C过程压强变化的微观原因．









参考答案


1．
答案　CD
解析　由图象的意义及特点可知C、D正确；温度升高，分子平均速率变大，但具体到某个分子速率可能变大、不变或变小，A、B错误．
2．
答案　B
解析　气体分子在单位时间内对单位面积器壁的碰撞次数，是由单位体积内的分子数和分子的平均速率共同决定的，选项A和D都是单位体积内的分子数增多，但分子的平均速率如何变化却不知道；对选项C，由温度升高可知分子的平均速率增大，但单位体积内的分子数如何变化未知，所以选项A、C、D都不正确．当温度一定时，气体分子的平均速率一定，此时气体分子在单位时间内对单位面积器壁的碰撞次数正是气体压强的微观表现，所以选项B是正确的．
3．
答案　AB
解析　体积不变，分子的密集程度就保持不变，压强增大，说明分子的平均撞击力变大了，即分子的平均动能增大了，A正确．温度不变，分子平均动能不变，压强减小，说明单位时间内撞击器壁的分子数在减小，表明气体的密集程度减小了，B正确．温度降低，分子平均动能减小，分子撞击器壁的作用力减小，要保持压强不变，则要增大单位时间内撞击器壁的分子数，即气体的密集程度要增大，C错误．温度升高，压强、体积中至少有一个发生改变，D错误．
4．
答案　AD



考点一　气体分子运动的特点
1．
答案　BCD
解析　分子的速率大小与温度有关，温度越高，分子运动的平均速率越大，并非所有分子的速率都越大，选项A错误；分子的速率大小与温度有关，同一种气体温度越高，分子的平均速率越大，选项B正确；气体分子的速率分布总体呈现出“中间多、两边少”的正态分布特征，选项C正确；气体分子的速率分布遵循统计规律，适用于大量分子，选项D正确．
2．
答案　B
解析　具有某一速率的分子数目并不是相等的，呈“中间多、两头少”的统计规律分布，故A、D项错误；由于分子之间频繁地碰撞，分子随时都会改变自己的运动状况，因此在某一时刻，一个分子速度的大小和方向是偶然的，故B项正确；某一温度下，每个分子的速率仍然是随时变化的，只是分子运动的平均速率不变，故C项错误．
3．
答案　AC
解析　由于气体的温度越高，速率较大的分子所占的比例越大，故T1 4．
答案　D
解析　冷气从空调中吹进室内，室内温度降低，分子热运动剧烈程度减小，分子平均动能减小，即速率小的分子数所占的比例升高，但不是每个分子的速率都减小，D正确．
考点二　气体压强的微观解释
5．
答案　C
解析　气体的压强是由于大量气体分子频繁撞击器壁产生的，A错误，C正确；气体分子的平均速率增大，若气体体积增大，气体的压强不一定增大，B错误；当某一容器自由下落时，容器中气体分子的运动不受影响，气体的压强不为零，D错误．
6．
答案　C
解析　甲容器中器壁的压强产生的原因是水受到重力的作用，而乙容器中器壁的压强产生的原因是分子撞击器壁，A、B错误；水的压强p＝ρgh，hA>hB，可知pA>pB，而密闭容器中气体压强各处均相等，与位置无关，pC＝pD，C正确；温度升高时，pA、pB不变，而pC、pD变大，D错误．
考点三　对气体实验定律的微观解释
7．
答案　D
解析　压强与单位时间内碰撞到器壁单位面积的分子数和每个分子的冲击力有关，温度升高，分子与器壁的平均撞击力增大，单位时间内碰撞到器壁单位面积的分子数应减小，压强才可能保持不变．
8.
答案　BC
解析　温度不变，分子的平均动能不变，分子的平均速率不变，但并不是每个分子的速率都不变，B对，A错；由玻意耳定律知，体积增大，压强减小，活塞内外的压强差增大，水平拉力F增大，C对；由于温度不变，内能不变，故D错．


9．
答案　AC
解析　温度升高，气体分子的平均动能增大，气体分子的平均速率增大，选项A正确；温度相同时，一定质量的各种理想气体平均动能相同，但由于是不同气体，分子质量不同，所以各种气体分子的平均速率不同，选项C正确，选项B错误；各种理想气体的温度相同，只说明它们的平均动能相同，气体的内能大小还和气体的分子数有关，选项D错误．
10．
答案　C
解析　由于气体压强是由大量气体分子对器壁的碰撞作用产生的，其值与分子密集程度及分子平均速率有关；对于一定质量的气体，压强与温度和体积有关．若压强不变而温度和体积发生变化(即分子密集程度发生变化时)，N一定变化，故C正确，D错误；若体积减小且温度也减小，N不一定增加，A错误；当温度升高，同时体积增大时，N也不一定增加，故B错误．
11.
答案　减小　不变　C
解析　在氢气球上升过程中，环境温度保持不变，气体分子热运动的剧烈程度不变，体积增大，气体分子的密集程度减少，球内气体的压强变小；气体分子的速率分布满足“中间多，两头少”的特点，最接近题图中的C线．
12．
答案　(1)0.4m3　(2)见解析
解析　(1)A→B过程为等容变化，由盖—吕萨克定律得＝，
VB＝VA＝×0.3m3＝0.4m3.
(2)B→C过程为等容变化，气体体积不变，分子的密集程度不变，温度降低，分子平均动能减小，分子对器壁的撞击力减小，故压强减小．

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