热学知识四讲四练助力高考

■湖南省汨罗市一中 蒋纬

《选修3—3》热学知识主要的考点有四个方面：分子动理论和内能，固体和液体，热力学三大定律及永动机，气体及气体状态方程的动态分析。

第一讲：分子动理论和内能

1.分子热运动的实验基础：扩散现象和布朗运动。

（1）扩散现象的特点：温度越高，扩散得越快。

（2）布朗运动的特点：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，运动得越剧烈。

2.分子动能：大量做热运动的分子具有的动能叫分子动能，温度是分子热运动的平均动能的标志。温度越高，分子动能越大；温度越低，分子动能越小。

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。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，分子势能增大；当分子间的距离为r0（分子间的距离为r0时，分子间作用的合力为0）时，分子势能最小。

4.内能：物体中所有分子的热运动动能与分子势能的总和叫物体的内能。改变内能的两种方式：一是做功，其本质是其他形式的能和内能之间的相互转化；二是热传递，其本质是物体间内能的转移。做功和热传递在改变物体的内能上是等效的，但在本质上存在区别。

例1对于分子动理论和物体内能的理解，下列说法中正确的是____。

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，分子间的作用力就一直减小

E.当分子间作用力的合力表现为斥力时，分子势能随分子间距离的减小而增大

解析：温度高的物体，分子平均动能一定大，但其内能不一定大，因为物体的内能除了与温度有关，还与物体的体积和质量有关，选项A正确。外界对物体做功的同时，物体可能放热，若放出的热量较大，则物体的内能就会减少，选项B错误。温度越高，固体颗粒的尺寸越小，布朗运动越显著，选项C正确。当分子间的距离从r0逐渐增大到无穷大时，分子间的作用力先增大后减小，选项D错误。当分子间作用力的合力表现为斥力时，若分子间的距离逐渐减小，则分子力做负功，分子势能增大，选项E正确。

答案：ACE

第二讲：固体和液体

1.固体可以分为晶体和非晶体两类。晶体和非晶体的分子结构不同，表现出的物理性质不同。晶体具有确定的熔点。单晶体表现出各向异性，多晶体和非晶体表现出各向同性。晶体和非晶体在适当的条件下可以相互转化。

2.液晶是一种特殊的物质，所处的状态介于固态和液态之间。液晶具有流动性，在光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到最小的趋势，表面张力的方向跟液面相切。

例2下列说法中正确的是____。

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，某些晶体可以转化为非晶体，某些非晶体也可以转化为晶体

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

解析：晶体有固定的熔点，并不会因为颗粒的大小而改变，即使将其敲碎为小颗粒，仍旧是晶体，选项A错误。固体分为晶体和非晶体两类，有些晶体沿不同方向的光学性质不同，表现为晶体具有各向异性，选项B正确。同种元素构成的固体可能由于原子的排列方式不同而形成不同的晶体，如金刚石和石墨，选项C正确。晶体的分子排列结构如果遭到破坏就可能形成非晶体，反之亦然，选项D正确。在熔化过程中，晶体要吸热，温度不变，但是内能增大，选项E错误。

答案：BCD

第三讲：热力学三大定律及永动机

1.热力学第一定律：一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的和，它揭示了能量守恒定律。表达式为ΔU=Q+W。

2.热力学第二定律：（克劳修斯表述）热量不能自发地从低温物体传到高温物体；（开尔文表述）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。

对热力学第二定律的理解：

（1）“自发”指明了热传递等热力学宏观现象的方向性，不需要借助外界提供能量的帮助。

（2）“不产生其他影响”的涵义是发生的热力学宏观过程只在系统内完成，对周围环境不产生热力学方面的影响，如吸热、放热、做功等。

3.热力学第三定律：热力学零度（-273℃）不可能达到。

4.永动机。

（1）第一类永动机：是指不消耗能量而对外界不断做功的机器。不可能制成是因为违背了能量守恒定律。

（2）第二类永动机：是指只能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化的热机。不可能制成是因为热机的效率不可能达到100%。

例3下列说法中正确的是____。

A.随着科学技术的发展，制冷机的制冷温度可以降到-280℃

B.随着科学技术的发展，热量可以从低温物体传到高温物体

C.随着科学技术的发展，热机的效率可以达到100%

D.无论科技怎样发展，第二类永动机都不可能实现

E.无论科技怎样发展，都无法判断一温度升高的物体是通过做功还是热传递实现的

解析：热力学温度与分子的平均动能成正比，分子热运动的平均动能不可能为零，因此制冷机的制冷温度不可以降到-273℃以下，选项A错误。随着科学技术的发展，热量可以从低温物体传到高温物体，选项B正确。根据热力学第二定律可知，热机的效率不可以达到100%，选项C错误。不可能从单一热源取热使之完全转换为有用的功而不产生其他影响，即第二类永动机都不可能实现，选项D正确。做功和热传递都可以改变物体的内能，无论科技怎样发展，都无法判断一温度升高的物体是通过做功还是热传递实现的，选项E正确。

答案：BDE

第四讲：气体及气体状态的动态分析

理想气体是指在任何温度、任何压强下都遵从气体实验定律的气体。

1.气体状态参量：温度（T）、体积（V）、压强（p）。

2.气体实验定律。

（1）等温变化：pV=C或p1V1=p2V2（玻意耳定律）。

例4如图1所示，一固定的竖直汽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m1=2.5kg，横截面积S1=80cm2；小活塞的质量m2=1.5kg，横截面积S2=40cm2；两活塞用刚性轻杆连接，间距l=40cm；汽缸外大气的压强p=1×105Pa，温度T=303K。初始时大活塞与大圆筒底部相距为，两活塞间封闭气体的温度T1=495K。现汽缸内气体温度缓慢下降，活塞缓慢下移。忽略两活塞与汽缸壁之间的摩擦，取g=10m/s2。求：

（1）在大活塞与大圆筒底部接触前的瞬间，汽缸内封闭气体的温度。

（2）汽缸内封闭的气体与汽缸外大气达到热平衡时，汽缸内封闭气体的压强。

解析：（1）大小活塞在缓慢下移的过程中，受力情况不变，汽缸内气体的压强不变，由盖-吕萨克定律得，初状态V=1，T=495K，末状态V=lS，解122得T2=330K。

（2）对大、小活塞组成的整体进行受力分析，则m1g+m2g+pS1+p1S2=p1S1+pS2，解得p1=1.1×105Pa。汽缸内封闭的气体与汽缸外大气达到热平衡的过程中，气体体积不变，由查理定律得，T=3T=303K，解得p2=1.01×105Pa。

图1

跟踪训练

1.下列说法中正确的是____。

A.布朗运动反映了液体分子在永不停息地做无规则热运动

B.气体分子的平均动能增大，压强也一定增大

C.不同温度下，水的饱和汽压都是相同的

D.完全失重状态下悬浮的水滴呈球状是液体表面张力作用的结果

E.分子动理论认为，单个分子的运动是无规则的，但是大量分子的运动仍然有一定的规律

2.下列说法中正确的是____。

A.悬浮在水中的花粉的布朗运动反映了花粉分子的热运动

B.空气中的小雨滴呈球形是水的表面张力作用的结果

C.彩色液晶显示器利用了液晶的光学性质具有各向异性的特点

D.高原地区水的沸点较低，这是高原地区温度较低的缘故

E.干湿泡湿度计的湿泡显示的温度低于干泡显示的温度，这是湿泡外纱布中的水蒸发吸热的结果

3.如图2所示，绝热隔板K把绝热的汽缸分隔成体积相等的两部分，隔板K与汽缸壁间是光滑的。两部分中分别盛有相同质量、相同温度的同种气体a和b。气体分子之间的势能可忽略。现通过电热丝对气体a加热一段时间后，气体a、b各自达到新的平衡，则____。

A.气体a的体积增大了，压强变小了

B.气体b的温度升高了

C.加热后气体a的分子热运动比气体b的分子热运动更剧烈

D.气体a增加的内能大于气体b增加的内能

E.气体a的压强大于气体b的压强

图2

4.一定质量的理想气体从状态a开始，经历三个过程ab、bc、ca回到原状态，其V-T图像如图3所示，pa、pb、pc分别表示状态a、b、c的压强，下列判断正确的是____。

图3

A.过程ab中气体一定吸热

B.pc=pb＞pa

C.过程bc中分子势能不断增大

D.过程bc中每一个分子的速率都减小

E.过程ca中气体吸收的热量等于对外做的功

参考答案：1.ADE 2.BCE

3.BCD 提示：气体a受热膨胀，通过活塞压缩气体b对b做功，气体b的体积减小，由热力学第一定律可知，气体b的内能增加，温度升高，则气体b的压强增大，最终达到平衡时，气体a、b的压强相等，而气体a的体积变大，所以气体a的温度高于气体b的温度。

4.ABE 提示：由状态a到状态b，气体做等容变化，根据热力学第一定律ΔU=Q+W可知，温度升高、内能增大，气体一定吸热，选项A正确。由状态b到状态c，气体做等压变化，即pc=pb，又因为由状态a到状态b，气体的温度升高，压强变大，即pb＞pa，所以pc=pb＞pa，选项B正确。因为是理想气体，所以不考虑气体的分子势能，选项C错误。过程bc中，气体的温度降低，分子的平均动能降低，平均速率减小，但不是每一个分子的速率都减小，选项D错误。由状态c到状态a，气体做等温变化，根据热力学第一定律ΔU=Q+W可知，气体吸收的热量等于对外做的功，选项E正确。