高考物理二轮复习：分子动理论、气体及热力学定律(含答案解析)

分子动理论气体及热力学定律2015高考导航热点视角备考对策本讲考查的重点和热点：①分子大小的估算；②对分子动理论内容的理解；③物态变化中的能量问题；④气体实验定律的理解和简单计算；⑤固、液、气三态的微观解释；⑥热力学定律的理解和简单计算；⑦用油膜法估测分子大小．命题形式基本上都是小题的拼盘.由于本讲内容琐碎，考查点多，因此在复习中应注意抓好四大块知识：一是分子动理论；二是从微观角度分析固体、液体、气体的性质；三是气体实验三定律；四是热力学定律．以四块知识为主干，梳理出知识点，进行理解性记忆.一、分子动理论1．分子的大小(1)阿伏加德罗常数NA＝6.02×1023mol－1.(2)分子体积：V0＝VmolNA(占有空间的体积)．(3)分子质量：m0＝MmolNA.(4)油膜法估测分子的直径：d＝VS.(5)估算微观量的两种分子模型①球体模型：直径为d＝36V0π.②立方体模型：边长为d＝3V0.2．分子热运动的实验基础(1)扩散现象特点：温度越高，扩散越快．(2)布朗运动特点：液体内固体小颗粒永不停息、无规则的运动，颗粒越小、温度越高，运动越剧烈．3．分子间的相互作用力和分子势能(1)分子力：分子间引力与斥力的合力．分子间距离增大，引力和斥力均减小；分子间距离减小，引力和斥力均增大，但斥力总比引力变化得快．(2)分子势能：分子力做正功，分子势能减小；分子力做负功，分子势能增加；当分子间距为r0时，分子势能最小．二、固体、液体和气体1．晶体、非晶体分子结构不同，表现出的物理性质不同．其中单晶体表现出各向异性，多晶体和非晶体表现出各向同性．2．液晶是一种特殊的物质，既可以流动，又可以表现出单晶体的分子排列特点，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有收缩到最小的趋势，表面张力的方向跟液面相切．4．气体实验定律：气体的状态由热力学温度、体积和压强三个物理量决定．(1)等温变化：pV＝C或p1V1＝p2V2.(2)等容变化：pT＝C或p1T1＝p2T2.(3)等压变化：VT＝C或V1T1＝V2T2.(4)理想气体状态方程：pVT＝C或p1V1T1＝p2V2T2.三、热力学定律1．物体的内能(1)内能变化温度变化引起分子平均动能的变化；体积变化，分子间的分子力做功，引起分子势能的变化．(2)物体内能的决定因素2．热力学第一定律(1)公式：ΔU＝W＋Q.(2)符号规定：外界对系统做功，W＞0，系统对外界做功，W＜0；系统从外界吸收热量，Q＞0，系统向外界放出热量，Q＜0.系统内能增加，ΔU＞0，系统内能减少，ΔU＜0.3．热力学第二定律(1)表述一：热量不能自发地从低温物体传到高温物体．(2)表述二：不可能从单一热库吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响．(3)揭示了自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性，说明了第二类永动机不能制造成功．热点一微观量的估算命题规律：微观量的估算问题在近几年高考中出现的较少，但在2015年高考中出现的概率较大，主要以选择题的形式考查下列两个方面：(1)宏观量与微观量的关系；(2)估算固、液体分子大小，气体分子所占空间大小和分子数目的多少．1.若以μ表示水的摩尔质量，V表示在标准状态下水蒸气的摩尔体积，ρ为在标准状态下水蒸气的密度，NA为阿伏加德罗常数，m、Δ分别表示每个水分子的质量和体积，下面五个关系式中正确的是()A．NA＝VρmB．ρ＝μNAΔC．m＝μNAD．Δ＝VNAE．ρ＝μV[解析]由NA＝μm＝ρVm，故A、C对；因水蒸气为气体，水分子间的空隙体积远大于分子本身体积，即V≫NA·Δ，D不对，而ρ＝μV≪μNA·Δ，B不对，E对．[答案]ACE2.某同学在进行“用油膜法估测分子的大小”的实验前，查阅数据手册得知：油酸的摩尔质量M＝0.283kg·mol－1，密度ρ＝0.895×103kg·m－3.若100滴油酸的体积为1mL，则1滴油酸所能形成的单分子油膜的面积约是多少？(取NA＝6.02×1023mol－1，球的体积V与直径D的关系为V＝16πD3，结果保留一位有效数字)[解析]一个油酸分子的体积V＝MρNA分子直径D＝36MπρNA最大面积S＝V油D代入数据得：S＝1×101m2.[答案]1×101m23.(2014·潍坊二模)空调在制冷过程中，室内空气中的水蒸气接触蒸发器(铜管)液化成水，经排水管排走，空气中水分越来越少，人会感觉干燥，若有一空调工作一段时间后，排出液化水的体积V＝1.0×103cm3.已知水的密度ρ＝1.0×103kg/m3、摩尔质量M＝1.8×10－2kg/mol，阿伏加德罗常数NA＝6.0×1023mol－1.试求：(结果均保留一位有效数字)(1)该液化水中含有水分子的总数N；(2)一个水分子的直径d.[解析]水是液体，故水分子可以视为球体，一个水分子的体积公式为V′0＝16πd3.(1)水的摩尔体积为V0＝Mρ①该液化水中含有水分子的物质的量n＝VV0②水分子总数N＝nNA③由①②③得N＝ρVNAM＝1.0×103×1.0×10－3×6.0×10231.8×10－2≈3×1025(个)．(2)建立水分子的球模型有：V0NA＝16πd3得水分子直径d＝36V0πNA＝36×1.8×10－53.14×6.0×1023m≈4×10－10m.[答案](1)3×1025个(2)4×10－10m[方法技巧]解决估算类问题的三点注意固体、液体分子可认为紧靠在一起，可看成球体或立方体；气体分子只能按立方体模型计算所占的空间.状态变化时分子数不变.阿伏加德罗常数是宏观与微观的联系桥梁，计算时要注意抓住与其有关的三个量：摩尔质量、摩尔体积和物质的量.)热点二分子动理论和内能命题规律：分子动理论和内能是近几年高考的热点，题型为选择题．分析近几年高考命题，主要考查以下几点：(1)布朗运动、分子热运动与温度的关系．(2)分子力、分子势能与分子间距离的关系及分子势能与分子力做功的关系．1.(2014·唐山一模)如图为两分子系统的势能Ep与两分子间距离r的关系曲线．下列说法正确的是()A．当r大于r1时，分子间的作用力表现为引力B．当r小于r1时，分子间的作用力表现为斥力C．当r等于r1时，分子间势能Ep最小D．当r由r1变到r2的过程中，分子间的作用力做正功E．当r等于r2时，分子间势能Ep最小[解析]由图象知：r＝r2时分子势能最小，E对，C错；平衡距离为r2，r＜r2时分子力表现为斥力，A错，B对；r由r1变到r2的过程中，分子势能逐渐减小，分子力做正功，D对．[答案]BDE2.(2014·长沙二模)下列叙述中正确的是()A．布朗运动是固体小颗粒的运动，是液体分子的热运动的反映B．分子间距离越大，分子势能越大；分子间距离越小，分子势能也越小C．两个铅块压紧后能粘在一起，说明分子间有引力D．用打气筒向篮球充气时需用力，说明气体分子间有斥力E．温度升高，物体的内能却不一定增大[解析]布朗运动不是液体分子的运动，而是悬浮在液体中的小颗粒的运动，它反映了液体分子的运动，A正确；若取两分子相距无穷远时的分子势能为零，则当两分子间距离大于r0时，分子力表现为引力，分子势能随间距的减小而减小(此时分子力做正功)，当分子间距离小于r0时，分子力表现为斥力，分子势能随间距的减小而增大(此时分子力做负功)，故B错误；将两个铅块用刀刮平压紧后便能粘在一起，说明分子间存在引力，C正确；用打气筒向篮球充气时需用力，是由于篮球内压强在增大，不能说明分子间有斥力，D错误；物体的内能取决于温度、体积及物体的质量，温度升高，内能不一定增大，E正确．[答案]ACE3.对一定量的气体，下列说法正确的是()A．气体的体积是所有气体分子的体积之和B．气体的体积大于所有气体分子的体积之和C．气体分子的热运动越剧烈，气体温度就越高D．气体对器壁的压强是由大量气体分子对器壁不断碰撞产生的E．当气体膨胀时，气体分子之间的势能减小，因而气体的内能减小[解析]气体分子间的距离远大于分子直径，所以气体的体积远大于所有气体分子体积之和，A项错，B项对；温度是物体分子平均动能大小的标志，是表示分子热运动剧烈程度的物理量，C项对；气体压强是由大量气体分子频繁撞击器壁产生的，D项对；气体膨胀，说明气体对外做功，但不能确定吸、放热情况，故不能确定内能变化情况，E项错误．[答案]BCD[方法技巧]分子力做正功，分子势能减小，分子力做负功，分子势能增大，两分子为平衡距离时，分子势能最小.注意区分分子力曲线和分子势能曲线.)热点三热力学定律的综合应用命题规律：热力学定律的综合应用是近几年高考的热点，分析近三年高考，命题规律有以下几点：(1)结合热学图象考查内能变化与做功、热传递的关系，题型为选择题或填空题．(2)以计算题形式与气体性质结合进行考查．(3)对固体、液体的考查比较简单，备考中熟记基础知识即可．1.(2014·南昌一模)下列叙述和热力学定律相关，其中正确的是()A．第一类永动机不可能制成，是因为违背了能量守恒定律B．能量耗散过程中能量不守恒C．电冰箱的制冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界，违背了热力学第二定律D．能量耗散是从能量转化的角度反映出自然界中的宏观过程具有方向性E．物体从单一热源吸收的热量可全部用于做功[解析]由热力学第一定律知A正确；能量耗散是指能量品质降低，反映能量转化的方向性仍遵守能量守恒定律，B错误，D正确；电冰箱的热量传递不是自发，不违背热力学第二定律，C错误；在有外界影响的情况下，从单一热源吸收的热量可以全部用于做功，E正确．[答案]ADE2.某同学给四只一样的气球充入了质量相同的空气(视为理想气体)，分两排并列放在光滑的水平面上，再在上面放一轻质硬板，而后他慢慢地站到硬板上，在此过程中气球未爆，且认为气球中气体温度不变，外界对气球中的气体做了6J的功，则此过程中气球________(填“吸收”或“放出”)的热量为________J；若换上另外一个人表演时，某个气球突然爆炸，则该气球内的气体的内能________(填“增大”或“减小”)，气体的温度________(填“升高”或“降低”)[解析](1)气体温度不变，则ΔU＝0由热力学第一定律ΔU＝Q＋W得Q＝ΔU－W＝0－6J＝－6J即气球放出6J的热量．(2)气球爆炸，气体膨胀对外做功，内能减小，温度降低．[答案]放出6减小降低3.(2013·高考江苏卷)如图所示，一定质量的理想气体从状态A依次经过状态B、C和D后再回到状态A.其中，A→B和C→D为等温过程，B→C和D→A为绝热过程(气体与外界无热量交换)．这就是著名的“卡诺循环”．(1)该循环过程中，下列说法正确的是________．A．A→B过程中，外界对气体做功B．B→C过程中，气体分子的平均动能增大C．C→D过程中，单位时间内碰撞单位面积器壁的分子数增多D．D→A过程中，气体分子的速率分布曲线不发生变化(2)该循环过程中，内能减小的过程是________(选填“A→B”、“B→C”、“C→D”或“D→A”)．若气体在A→B过程中吸收63kJ的热量，在C→D过程中放出38kJ的热量，则气体完成一次循环对外做的功为________kJ.(3)若该循环过程中的气体为1mol，气体在A状态时的体积为10L，在B状态时压强为A状态时的23.求气体在B状态时单位体积内的分子数．(已知阿伏加德罗常数NA＝6.0×1023mol－1，计算结果保留一位有效数字)[解析](1)在A→B的过程中，气体体积增大，故气体对外界做功，选项A错误；B→C的过程中，气体对外界做功，W＜0，且为绝热过程，Q＝0，根据ΔU＝Q＋W，知ΔU＜0，即气体内能减小，温度降低，气体分子的平均动能减小，选项B错误；C→D的过程中，气体体积减小，单位体积内的分子数增多，故单位时间内碰撞单位面积器壁的分子数增多，选项C正确；D→A的过程为绝热压缩，故Q＝0，W＞0，根据ΔU＝Q＋W，ΔU＞0，即气体的内能增加，温度升高，所以气体分子的速率分布曲线发生变化，选项D错误．(2)从A→B、C→D的过程中气体做等温变