高考物理(四海八荒易錯集)專題15 分子動理論 氣體及熱力學定律
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專題15 分子動理論 氣體及熱力學定律 1.(1)(多選)下列說法中正確的是________。 A.一定量氣體膨脹對外做功100 J,同時從外界吸收120 J 的熱量,則它的內能增大20 J B.在使兩個分子間的距離由很遠(r>10-9 m)減小到很難再靠近的過程中,分子間作用力先減小后增大,分子勢能不斷增大 C.由于液體表面層分子間距離大于液體內部分子間距離,液體表面存在張力 D.用油膜法測出油分子的直徑后,要測定阿伏加德羅常數,只需再知道油的密度即可 E.空氣相對濕度越大時,空氣中水蒸氣壓強越接近同溫度水的飽和汽壓,水蒸發(fā)越慢。 (2)一定質量的理想氣體從狀態(tài)A變化到狀態(tài)B,再變化到狀態(tài)C,其狀態(tài)變化過程的pV圖像如圖所示。已知該氣體在狀態(tài)A時的溫度為27 ℃。則: ①該氣體在狀態(tài)B、C時的溫度分別為多少℃? ②該氣體從狀態(tài)A到狀態(tài)C的過程中內能的變化量是多大? ③該氣體從狀態(tài)A到狀態(tài)C的過程中是吸熱,還是放熱?傳遞的熱量是多少? (2)①狀態(tài)A:tA=300 K,pA=3105 Pa,VA=110-3 m3 狀態(tài)B:tB=?pB=1105 Pa,VB=110-3 m3 狀態(tài)C:tC=?pC=1105 Pa,VC=310-3 m3 A到B過程等容變化,由等容變化規(guī)律得:=,代入數據得:tB=100 K=-173 ℃ B到C為等壓變化,由等壓變化規(guī)律得:=,代入數據得:tC=300 K=27 ℃。 ②因為狀態(tài)A和狀態(tài)C溫度相等,且氣體的內能是所有分子的動能之和,溫度是分子平均動能的標志 所以在這個過程中:ΔU=0。 ③由熱力學第一定律得:ΔU=Q+W,因為ΔU=0 故:Q=-W 在整個過程中,氣體在B到C過程對外做功,所以:W=-pΔV=-1105(310-3-110-3) J=-200 J 即:Q=200 J,是正值,故在這個過程中吸熱。 答案:(1)ACE (2)①-173 ℃ 27 ℃ ②0?、畚鼰帷?00 J 2.(1)(多選)關于擴散現象,下列說法正確的是________。 A.溫度越高,擴散進行得越快 B.擴散現象是不同物質間的一種化學反應 C.擴散現象是由物質分子無規(guī)則運動產生的 D.擴散現象在氣體、液體和固體中都能發(fā)生 E.液體中的擴散現象是由于液體的對流形成的 (2)如圖,一粗細均勻的U形管豎直放置,A側上端封閉,B側上端與大氣相通,下端開口處開關K關閉;A側空氣柱的長度l=10.0 cm,B側水銀面比A側的高h=3.0 cm?,F將開關K打開,從U形管中放出部分水銀,當兩側水銀面的高度差為h1=10.0 cm時將開關K關閉。已知大氣壓強p0=75.0 cmHg。 (ⅰ)求放出部分水銀后A側空氣柱的長度; (ⅱ)此后再向B側注入水銀,使A、B兩側的水銀面達到同一高度,求注入的水銀在管內的長度。 (2)(ⅰ)以 cmHg為壓強單位。設A側空氣柱長度l=10.0 cm時的壓強為p;當兩側水銀面的高度差為h1=10.0 cm時,空氣柱的長度為l1,壓強為p1。由玻意耳定律得 pl=p1l1① 由力學平衡條件得 p=p0+h② 打開開關K放出水銀的過程中,B側水銀面處的壓強始終為p0,而A側水銀面處的壓強隨空氣柱長度的增加逐漸減小,B、A兩側水銀面的高度差也隨之減小,直至B側水銀面低于A側水銀面h1為止。由力學平衡條件有 p1=p0-h(huán)1③ 聯立①②③式,并代入題給數據得 l1=12.0 cm。④ (ⅱ)當A、B兩側的水銀面達到同一高度時,設A側空氣柱的長度為l2,壓強為p2。由玻意耳定律得pl=p2l2⑤ 由力學平衡條件有p2=p0⑥ 聯立②⑤⑥式,并代入題給數據得l2=10.4 cm⑦ 設注入的水銀在管內的長度為Δh,依題意得 Δh=2(l1-l2)+h1⑧ 聯立④⑦⑧式,并代入題給數據得 Δh=13.2 cm。 答案:(1)ACD (2)(ⅰ)12.0 cm (ⅱ)13.2 cm 3. (1)(多選)下列說法正確的是________。 A.懸浮在液體中的微粒越小,在液體分子的撞擊下越容易保持平衡 B.荷葉上的小水珠呈球形是由于液體表面張力的作用 C.物體內所有分子的熱運動動能之和叫做物體的內能 D.當人們感到潮濕時,空氣的絕對濕度不一定較大 E.一定質量的理想氣體先經等容降溫,再經等溫壓縮,壓強可以回到初始的數值 (2)如圖所示,用兩個質量均為m、橫截面積均為S的密閉活塞將開口向下豎直懸掛的導熱氣缸內的理想氣體分成Ⅰ、Ⅱ兩部分,當在活塞A下方懸掛質量為2m的物體后,整個裝置處于靜止狀態(tài),此時Ⅰ、Ⅱ兩部分氣體的高度均為l0。已知環(huán)境溫度、大氣壓強p0均保持不變,且滿足5mg=p0S,不計一切摩擦。當取走物體后,兩活塞重新恢復平衡,求活塞A上升的高度。 (2)對氣體Ⅰ分析,初狀態(tài)的壓強為: p1=p0-=p0 末狀態(tài)的壓強為:p1′=p0-=p0 由玻意耳定律有:p1l0S=p1′l1S 解得:l1=l0 對氣體Ⅱ分析,初狀態(tài)p2=p1-=p0 末狀態(tài)p2′=p1′-=p0 由玻意耳定律p2l0S=p2′l2S l2=l0 A活塞上升的高度Δl=(l0-l1)+(l0-l2)=l0。 答案:(1)BDE (2)l0 4. (1)(多選)對于分子動理論和物體內能的理解,下列說法正確的是________。 A.溫度高的物體內能不一定大,但分子平均動能一定大 B.外界對物體做功,物體內能一定增加 C.溫度越高,布朗運動越顯著 D.當分子間的距離增大時,分子間作用力就一直減小 E.當分子間作用力表現為斥力時,分子勢能隨分子間距離的減小而增大 (2)如圖所示,上端封閉、下端開口內徑均勻的玻璃管,管長L=100 cm,其中有一段長h=15 cm的水銀柱把一部分空氣封閉在管中。當管豎直放置時,封閉氣柱A的長度LA=50 cm?,F把開口端向下插入水銀槽中,直至A端氣柱長LA′=37.5 cm時為止,這時系統處于靜止狀態(tài)。已知大氣壓強p0=75 cmHg,整個過程中溫度保持不變,試求槽內的水銀進入管內的長度。 (2)對A部分氣體,由玻意耳定律有: pALAS=pA′LA′S pA=60 cmHg 解得:pA′===80 cmHg 對B部分氣體有: pBLBS=pB′LB′S 而pB′=95 cmHg pB=p0=75 cmHg 解得:LB′==27.6 cm Δh=L-LA′-h(huán)-LB′=19.9 cm。 答案:(1)ACE (2)19.9 cm 5. (1)(多選)一定量的理想氣體從狀態(tài)a開始,經歷等溫或等壓過程ab、bc、cd、da回到原狀態(tài),其pT圖像如圖所示。其中對角線ac的延長線過原點O。下列判斷正確的是________。 A.氣體在a、c兩狀態(tài)的體積相等 B.氣體在狀態(tài)a時的內能大于它在狀態(tài)c時的內能 C.在過程cd中氣體向外界放出的熱量大于外界對氣體做的功 D.在過程da中氣體從外界吸收的熱量小于氣體對外界做的功 E.在過程bc中外界對氣體做的功等于在過程da中氣體對外界做的功 (2)一氧氣瓶的容積為0.08 m3,開始時瓶中氧氣的壓強為20個大氣壓。某實驗室每天消耗1個大氣壓的氧氣0.36 m3。當氧氣瓶中的壓強降低到2個大氣壓時,需重新充氣。若氧氣的溫度保持不變,求這瓶氧氣重新充氣前可供該實驗室使用多少天。 (2)設氧氣開始時的壓強為p1,體積為V1,壓強變?yōu)閜2(2個大氣壓)時,體積為V2。根據玻意耳定律得 p1V1=p2V2① 重新充氣前,用去的氧氣在p2壓強下的體積為 V3=V2-V1② 設用去的氧氣在p0(1個大氣壓)壓強下的體積為V0,則有 p2V3=p0V0③ 設實驗室每天用去的氧氣在p0壓強下的體積為ΔV,則氧氣可用的天數為 N=④ 聯立①②③④式,并代入數據得 N=4(天)。⑤ 答案:(1)ABE (2)4天 6. (1)(多選)關于熱力學定律,下列說法正確的是________。 A.氣體吸熱后溫度一定升高 B.對氣體做功可以改變其內能 C.理想氣體等壓膨脹過程一定放熱 D.熱量不可能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體 E.如果兩個系統分別與狀態(tài)確定的第三個系統達到熱平衡,那么這兩個系統彼此之間也必定達到熱平衡 (2)在水下氣泡內空氣的壓強大于氣泡表面外側水的壓強,兩壓強差Δp與氣泡半徑r之間的關系為Δp=,其中σ=0.070 N/m?,F讓水下10 m處一半徑為0.50 cm的氣泡緩慢上升。已知大氣壓強p0=1.0105 Pa,水的密度ρ=1.0103 kg/m3,重力加速度大小g=10 m/s2。 (ⅰ)求在水下10 m處氣泡內外的壓強差; (ⅱ)忽略水溫隨水深的變化,在氣泡上升到十分接近水面時,求氣泡的半徑與其原來半徑之比的近似值。 (2)(ⅰ)當氣泡在水下h=10 m處時,設其半徑為r1,氣泡內外壓強差為Δp1,則 Δp1=① 代入題給數據得Δp1=28 Pa。② (ⅱ)設氣泡在水下10 m處時,氣泡內空氣的壓強為p1,氣泡體積為V1;氣泡到達水面附近時,氣泡內空氣的壓強為p2,氣泡內外壓強差為Δp2,其體積為V2,半徑為r2。 氣泡上升過程中溫度不變,根據玻意耳定律有 p1V1=p2V2③ 由力學平衡條件有 p1=p0+ρgh+Δp1④ p2=p0+Δp2⑤ 氣泡體積V1和V2分別為 V1=πr13⑥ V2=πr23⑦ 聯立③④⑤⑥⑦式得 3=⑧ 由②式知,Δpi?p0,i=1,2,故可略去⑧式中的Δpi項。 代入題給數據得 =≈1.3。⑨ 答案:(1)BDE (2)(ⅰ)28 Pa (ⅱ)或1.3 7.(多選)下列說法正確的是( ) A.顯微鏡下觀察到墨水中的小炭粒在不停地作無規(guī)則運動,這反映了液體分子運動的無規(guī)則性 B.分子間的相互作用力隨著分子間距離的增大,一定先減小后增大 C.分子勢能隨著分子間距離的增大,可能先減小后增大 D.在真空、高溫條件下,可以利用分子擴散向半導體材料摻入其他元素 E.當溫度升高時,物體內每一個分子熱運動的速率一定都增大 易錯起源1、分子動理論 內能及熱力學定律 例1.(多選)兩個相距較遠的分子僅在分子力作用下由靜止開始運動,直至不再靠近。在此過程中,下列說法正確的是( ) A.分子力先增大,后一直減小 B.分子力先做正功,后做負功 C.分子動能先增大,后減小 D.分子勢能先增大,后減小 E.分子勢能和動能之和不變 解析:選BCE 分子力應先增大,后減小,再增大,所以A選項錯;分子力先為引力,做正功,再為斥力,做負功,B選項正確;根據動能定理可知分子動能先增大后減小,分子勢能先減小后增大,分子動能和分子勢能之和保持不變,所以C、E選項正確,D錯誤。 【變式探究】(多選)下列說法中正確的是( ) A.氣體放出熱量,其分子的平均動能可能增大 B.布朗運動不是液體分子的運動,但它可以說明分子在永不停息地做無規(guī)則運動 C.當分子力表現為斥力時,分子力和分子勢能總是隨分子間距離的減小而增大 D.第二類永動機不違反能量守恒定律,但違反了熱力學第一定律 E.某氣體的摩爾體積為V,每個分子的體積為V0,則阿伏加德羅常數可表示為NA= 【名師點睛】 1.估算問題 (1)油膜法估算分子直徑:d= V為純油體積,S為單分子油膜面積 (2)分子總數:N=nNA=NA=NA 注意:對氣體而言,N≠。 (3)兩種模型: 球模型:V=πR3(適用于估算液體、固體分子直徑) 立方體模型:V=a3(適用于估算氣體分子間距) 【錦囊妙計,戰(zhàn)勝自我】 2.反映分子運動規(guī)律的兩個實例 (1)布朗運動: ①研究對象:懸浮在液體或氣體中的固體小顆粒。 ②運動特點:無規(guī)則、永不停息。 ③相關因素:顆粒大小、溫度。 (2)擴散現象 ①產生原因:分子永不停息的無規(guī)則運動。 ②相關因素:溫度。 如診斷卷第2題第(1)問,擴散現象是分子無規(guī)則熱運動產生的,不是物質間的化學反應或液體對流形成的,故B、E均錯誤。 3.對熱力學定律的理解 (1)改變物體內能的方式有兩種,只敘述一種改變方式是無法確定內能變化的。 (2)熱力學第一定律ΔU=Q+W中W和Q的符號可以這樣確定:只要此項改變對內能增加有正貢獻的即為正。 (3)對熱力學第二定律的理解:熱量可以由低溫物體傳遞到高溫物體,也可以從單一熱源吸收熱量全部轉化為功,但不引起其他變化是不可能的。 易錯起源2、固體、液體和氣體 例2.(多選)下列說法正確的是( ) A.將一塊晶體敲碎后,得到的小顆粒是非晶體 B.固體可以分為晶體和非晶體兩類,有些晶體在不同方向上有不同的光學性質 C.由同種元素構成的固體,可能會由于原子的排列方式不同而成為不同的晶體 D.在合適的條件下,某些晶體可以轉變?yōu)榉蔷w,某些非晶體也可以轉變?yōu)榫w E.在熔化過程中,晶體要吸收熱量,但溫度保持不變,內能也保持不變 【變式探究】下列說法正確的是( ) A.液體表面層分子間距離大于液體內部分子間距離,故液體表面存在張力 B.懸浮在液體中的固體小顆粒會不停地做無規(guī)則的運動,這種運動是分子熱運動 C.把很多小的單晶體放在一起,就變成了非晶體 D.第二類永動機沒有違反能量守恒定律 E.絕對零度不可達到 【名師點睛】 【錦囊妙計,戰(zhàn)勝自我】 1.對晶體、非晶體特性的理解 (1)只有單晶體,才可能具有各向異性。 (2)各種晶體都具有固定熔點,晶體熔化時,溫度不變,吸收的熱量全部用于分子勢能增加。 (3)晶體與非晶體可以相互轉化。 (4)有些晶體屬于同素異構體,如金剛石和石墨。 2.正確理解溫度的微含義 (1)溫度是分子平均動能的標志,溫度越高,分子的平均動能越大。 (2)溫度越高,物體分子動能總和增大,但物體的內能不一定越大。 明白以上兩點,即可判斷診斷卷第4題第(1)問的A選項。 3.對氣體壓強的理解 (1)氣體對容器壁的壓強是氣體分子頻繁碰撞的結果,溫度越高,氣體分子密度越大,氣體對容器壁因碰撞而產生的壓強就越大。 (2)地球表面大氣壓強可認為是大氣重力產生的。 易錯起源3、氣體實驗定律和理想氣體狀態(tài)方程 例3、如圖所示,一固定的豎直氣缸由一大一小兩個同軸圓筒組成,兩圓筒中各有一個活塞。已知大活塞的質量為m1=2.50 kg,橫截面積為S1=80.0 cm2;小活塞的質量為m2=1.50 kg,橫截面積為S2=40.0 cm2;兩活塞用剛性輕桿連接,間距保持為l=40.0 cm;氣缸外大氣的壓強為p=1.00105 Pa,溫度為T=303 K。初始時大活塞與大圓筒底部相距,兩活塞間封閉氣體的溫度為T1=495 K?,F氣缸內氣體溫度緩慢下降,活塞緩慢下移。忽略兩活塞與氣缸壁之間的摩擦,重力加速度大小g取10 m/s2。求: (1)在大活塞與大圓筒底部接觸前的瞬間,氣缸內封閉氣體的溫度; (2)缸內封閉的氣體與缸外大氣達到熱平衡時,缸內封閉氣體的壓強。 故缸內氣體的壓強不變。由蓋—呂薩克定律有 =④ 聯立①②④式并代入題給數據得 T2=330 K⑤ (2)在大活塞與大圓筒底部剛接觸時,被封閉氣體的壓強為p1。在此后與氣缸外大氣達到熱平衡的過程中,被封閉氣體的體積不變。設達到熱平衡時被封閉氣體的壓強為p′,由查理定律,有 =⑥ 聯立③⑤⑥式并代入題給數據得 p′=1.01105 Pa。⑦ [答案] (1)330 K (2)1.01105 Pa 【變式探究】如圖所示,兩端開口、粗細均勻的長直U形玻璃管內由兩段水銀柱封閉著長度為15 cm的空氣柱,氣體溫度為300 K時,空氣柱在U形管的左側。 (1)若保持氣體的溫度不變,從左側開口處緩慢地注入25 cm長的水銀柱,管內的空氣柱長為多少? (2)為了使空氣柱的長度恢復到15 cm,且回到原位置,可以向U形管內再注入一些水銀,并改變氣體的溫度,應從哪一側注入長度為多少的水銀柱?氣體的溫度變?yōu)槎嗌伲?大氣壓強p0=75 cmHg,圖中標注的長度單位均為cm) (2)由水銀柱的平衡條件可知需要向右側注入25 cm長的水銀柱才能使空氣柱回到A、B之間,這時空氣柱的壓強為:p3=(75+50)cmHg=125 cmHg 由查理定律,有:= 解得:T3=375 K。 [答案] (1)12.5 cm (2)從右側注入25 cm長水銀柱 375 K 【舉一反三】一粗細均勻的J形玻璃管豎直放置,短臂端封閉,長臂端(足夠長)開口向上,短臂內封有一定質量的理想氣體,初始狀態(tài)時管內各段長度如圖甲所示,密閉氣體的溫度為27 ℃,大氣壓強為75 cmHg。求: (1)若沿長臂的管壁緩慢加入5 cm長的水銀柱并與下方的水銀合為一體,為使密閉氣體保持原來的長度,應使氣體的溫度變?yōu)槎嗌伲? (2)在第(1)問的情況下,再使玻璃管沿繞過O點的水平軸在豎直平面內逆時針轉過180,穩(wěn)定后密閉氣體的長度為多少? (3)在圖乙所給的p T坐標系中畫出以上兩個過程中密閉氣體的狀態(tài)變化過程。 (3)p3=48 cmHg,變化過程如圖所示。 [答案] (1)320 K (2)30 cm (3)見解析 【名師點睛】 【錦囊妙計,戰(zhàn)勝自我】 1.壓強的計算 (1)被活塞、氣缸封閉的氣體,通常分析活塞或氣缸的受力,應用平衡條件或牛頓第二定律求解。 (2)被液柱封閉的氣體壓強,若分析液柱受力,應用平衡條件或牛頓第二定律求解,得出的壓強單位為Pa。 2.合理選取氣體變化所遵循的規(guī)律列方程 (1)若氣體質量一定,p、V、T均發(fā)生變化,則選用理想氣體狀態(tài)方程列式求解。 (2)若氣體質量一定,p、V、T中有一個量不發(fā)生變化,則選用對應的實驗定律列方程求解。 由活塞、液柱相聯系的“兩團氣”問題,要注意尋找兩團氣之間的壓強、體積或位移關系,列出輔助方程,最后聯立求解。 1. (1)下列說法中正確的是________。(填正確答案標號) A.-2℃時水已經結為冰,水分子停止了熱運動 B.物體溫度越高,物體內部分子熱運動的平均動能越大 C.內能不同的物體,物體內部分子熱運動的平均動能可能相同 D.一定質量的氣體分子的平均速率增大,氣體的壓強可能減小 E.熱平衡是指一個系統內部的狀態(tài)不再改變時所處的狀態(tài) (2)一定質量的理想氣體經歷了如圖1所示的狀態(tài)變化。 圖1 (ⅰ)已知從A到B的過程中,氣體對外放出600 J的熱量,則從A到B,氣體的內能變化了多少? (ⅱ)試判斷氣體在狀態(tài)B、C的溫度是否相同。如果知道氣體在狀態(tài)C時的溫度TC=300 K,則氣體在狀態(tài)A時的溫度為多少? 解析 (1)分子做永不停息的無規(guī)則熱運動,A錯誤;物體溫度越高,分子的平均動能就越大,物體的內能不同,但溫度可能相同則物體分子熱運動的平均動能相同,選項B、C正確;一定質量的氣體分子的平均速率增大,氣體分子溫度升高,但壓強與溫度和體積均有關,若氣體的體積也增大,則壓強不一定增大,也可能減小,選項D正確;處于熱平衡的系統溫度保持不變,但是壓強和體積等物理量可以改變,故E錯誤。 答案 (1)BCD (2)(ⅰ)300 J (ⅱ)1 200 K 2. (1)下列說法正確的是________。(填正確答案標號) A.布朗運動反映了組成固體小顆粒的分子的無規(guī)則運動 B.熱量可以從低溫物體傳遞到高溫物體 C.一定質量的理想氣體,體積減小、溫度不變時,氣體的內能不變 D.溫度降低,物體內分子運動的速率不一定都變小 E.隨著科學技術的發(fā)展,人類終會制造出效率為100%的熱機 (2)在一端封閉、內徑均勻的光滑直玻璃管內,有一段長為l=16 cm的水銀柱封閉著一定質量的理想氣體。當玻璃管水平放置達到平衡時如圖2甲所示,被封閉氣柱的長度l1=23 cm;當管口向上豎直放置時,如圖乙所示,被封閉氣柱的長度l2=19 cm。已知重力加速度g=10 m/s2,不計溫度的變化。求: 圖2 (ⅰ)大氣壓強p0(用cmHg表示); (ⅱ)當玻璃管開口向上以a=5 m/s2的加速度勻加速上升時,水銀柱和玻璃管相對靜止時被封閉氣柱的長度。 解析 (2)(ⅰ)由玻意耳定律可得:p0l1S=(p0+ρgl)l2S 解得:p0=76 cmHg 答案 (1)BCD (2)(ⅰ)76 cmHg (ⅱ)17.48 cm 3.(1)下列說法中正確的是________。(填正確答案標號) A.物體中分子熱運動動能的總和等于物體的內能 B.橡膠無固定熔點,是非晶體 C.飽和汽壓與分子密度有關,與溫度無關 D.熱機的效率總小于1 E.對于同一種氣體,溫度越高,分子平均動能越大 (2)如圖3甲所示,封閉有一定質量理想氣體的汽缸固定在水平桌面上,開口向右放置,活塞的橫截面積為S?;钊ㄟ^輕繩連接了一個質量為m的小物體,輕繩跨在定滑輪上。開始時汽缸內外壓強相同,均為大氣壓p0(mg- 配套講稿:
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