5.1分子动理论气体实验定律和热力学定律（讲义）（8考点6题型）（原卷版）

5.1分子动理论、气体实验定律和热力学定律TOC\o"13"\h\z\u考点一微观量的估算 1考点二布朗运动与分子热运动 2考点三分子间的作用力与分子势能 2考点四固体与液体的性质 3考点五气体实验定律的应用 4考点六理想气体实验定律微观解释 4考点七热力学第一定律的理解及应用 5考点八热力学第二定律的理解 5TOC\o"44"\h\z\u题型1微观量估算 6题型2布朗运动与分子热运动 9题型3分子动能、分子势能和内能 11题型4固体和液体性质的理解 14题型5气体状态变化的图像问题 16题型6气体实验定律的微观解释 19考点一微观量的估算1．微观量：分子体积V0、分子直径d、分子质量m0.2．宏观量：物体的体积V、摩尔体积Vmol、物体的质量m、摩尔质量M、物体的密度ρ.3．关系(1)分子的质量：m0＝eq\f(M,NA)＝eq\f(ρVmol,NA).(2)分子的体积：V0＝eq\f(Vmol,NA)＝eq\f(M,ρNA).(3)物体所含的分子数：N＝eq\f(V,Vmol)·NA＝eq\f(m,ρVmol)·NA或N＝eq\f(m,M)·NA＝eq\f(ρV,M)·NA.4．两种模型(1)球体模型直径为d＝eq\r(3,\f(6V0,π)).(适用于：固体、液体)(2)立方体模型边长为d＝eq\r(3,V0).(适用于：气体)特别提醒1.固体和液体分子都可看成是紧密堆积在一起的．分子的体积V0＝eq\f(Vmol,NA)，仅适用于固体和液体，对气体不适用．2．对于气体分子，d＝eq\r(3,V0)的值并非气体分子的大小，而是两个相邻的气体分子之间的平均距离．考点二布朗运动与分子热运动布朗运动和热运动的比较布朗运动热运动活动主体固体小颗粒分子区别是固体小颗粒的运动，较大的颗粒不做布朗运动，能通过光学显微镜直接观察到是指分子的运动，分子不论大小都做热运动，热运动不能通过光学显微镜直接观察到共同点都是永不停息的无规则运动，都随温度的升高而变得更加激烈，都是肉眼所不能看见的联系布朗运动是由于小颗粒受到周围分子做热运动的撞击作用不平衡而引起的，它是分子做无规则运动的反映考点三分子间的作用力与分子势能1．分子间的相互作用力分子力是引力与斥力的合力．分子间的引力和斥力都随分子间距离的增大而减小，随分子间距离的减小而增大，但总是斥力变化得较快，如图1所示．图1(1)当r＝r0时，F引＝F斥，F＝0；(2)当r<r0时，F引和F斥都随距离的减小而增大，但F引＜F斥，F表现为斥力；(3)当r＞r0时，F引和F斥都随距离的增大而减小，但F引＞F斥，F表现为引力；(4)当r＞10r0(10－9m)时，F引和F斥都已经十分微弱，可以认为分子间没有相互作用力(F＝0)．2．分子势能分子势能是由分子间相对位置而决定的势能，它随着物体体积的变化而变化，与分子间距离的关系为：(1)当r>r0时，分子力表现为引力，随着r的增大，分子引力做负功，分子势能增大；(2)r<r0时，分子力表现为斥力，随着r的减小，分子斥力做负功，分子势能增大；(3)当r＝r0时，分子势能最小，但不一定为零，可为负值，因为可选两分子相距无穷远时分子势能为零；(4)分子势能曲线如图2所示．考点四固体与液体的性质1．晶体与非晶体单晶体多晶体非晶体外形规则不规则不规则熔点确定确定不确定物理性质各向异性各向同性各向同性典型物质石英、云母、食盐、硫酸铜玻璃、蜂蜡、松香形成与转化有的物质在不同条件下能够形成不同的形态．同一物质可能以晶体和非晶体两种不同的形态出现，有些非晶体在一定条件下可以转化为晶体.2.液体的表面张力(1)作用：液体的表面张力使液面具有收缩的趋势．(2)方向：表面张力跟液面相切，跟这部分液面的分界线垂直．3．液晶的物理性质(1)具有液体的流动性．(2)具有晶体的光学各向异性．(3)从某个方向看其分子排列比较整齐，但从另一方向看，分子的排列是杂乱无章的．考点五气体实验定律的应用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，其体积与热力学温度成正比表达式p1V1＝p2V2eq\f(p1,T1)＝eq\f(p2,T2)或eq\f(p1,p2)＝eq\f(T1,T2)eq\f(V1,T1)＝eq\f(V2,T2)或eq\f(V1,V2)＝eq\f(T1,T2)图象2.理想气体的状态方程(1)理想气体①宏观上讲，理想气体是指在任何条件下始终遵守气体实验定律的气体，实际气体在压强不太大、温度不太低的条件下，可视为理想气体．②微观上讲，理想气体的分子间除碰撞外无其他作用力，即分子间无分子势能．(2)理想气体的状态方程一定质量的理想气体状态方程：eq\f(p1V1,T1)＝eq\f(p2V2,T2)或eq\f(pV,T)＝C.气体实验定律可看做一定质量理想气体状态方程的特例．考点六理想气体实验定律微观解释1．等温变化一定质量的气体，温度保持不变时，分子的平均动能不变．在这种情况下，体积减小时，分子的密集程度增大，气体的压强增大．2．等容变化一定质量的气体，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，气体的压强增大．3．等压变化一定质量的气体，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．考点七热力学第一定律的理解及应用1．热力学第一定律的理解不仅反映了做功和热传递这两种方式改变内能的过程是等效的，而且给出了内能的变化量和做功与热传递之间的定量关系．2．对公式ΔU＝Q＋W符号的规定符号WQΔU＋外界对物体做功物体吸收热量内能增加－物体对外界做功物体放出热量内能减少3.几种特殊情况(1)若过程是绝热的，则Q＝0，W＝ΔU，外界对物体做的功等于物体内能的增加量．(2)若过程中不做功，即W＝0，则Q＝ΔU，物体吸收的热量等于物体内能的增加量．(3)若过程的初、末状态物体的内能不变，即ΔU＝0，则W＋Q＝0或W＝－Q.外界对物体做的功等于物体放出的热量．考点八热力学第二定律的理解1．热力学第二定律的理解(1)“自发地”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本系统内完成，对周围环境不产生热力学方面的影响．如吸热、放热、做功等．2．热力学第二定律的实质热力学第二定律的每一种表述，都揭示了大量分子参与宏观过程的方向性，进而使人们认识到自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性．特别提醒热量不可能自发地从低温物体传到高温物体，但在有外界影响的条件下，热量可以从低温物体传到高温物体，如电冰箱；在引起其他变化的条件下内能可以全部转化为机械能，如气体的等温膨胀过程．3．热力学过程方向性实例：①高温物体eq\o(,\s\up7(热量Q能自发传给),\s\do5(热量Q不能自发传给))低温物体②功eq\o(,\s\up7(能自发地完全转化为),\s\do5(不能自发地且不能完全转化为))热③气体体积V1eq\o(,\s\up7(能自发膨胀到),\s\do5(不能自发收缩到))气体体积V2(较大)④不同气体A和Beq\o(,\s\up7(能自发混合成),\s\do5(不能自发分离成))混合气体AB4．两类永动机的比较第一类永动机第二类永动机不需要任何动力或燃料，却能不断地对外做功的机器从单一热源吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响的机器违背能量守恒定律，不可能制成不违背能量守恒定律，但违背热力学第二定律，不可能制成题型1微观量估算（2023春•章贡区校级期末）我国最新研制出了一种超轻气凝胶，它刷新了目前世界上最轻的固体材料的纪录，弹性和吸油能力令人惊喜，这种被称为“全碳气凝胶”的固态材料密度仅是空气密度的16。设气凝胶的密度为ρ（单位为kg/m3），摩尔质量为M（单位为kg/mol），阿伏加德罗常数为NAA．a千克气凝胶所含的分子数N=aB．气凝胶的摩尔体积VmolC．每个气凝胶分子的直径d=3D．每个气凝胶分子的体积V（2022秋•青岛期末）利用油膜法可粗略地测定分子的大小和阿伏加德罗常数。若已知n滴油酸的总体积为V，一滴油酸形成的油膜面积为S，油酸的摩尔质量为μ，密度为ρ，则每个油酸分子的直径d和阿伏加德罗常数NA分别为（球的体积公式V=4A．d=VnS，NAB．d=VnS，NAC．d=VS，NAD．d=VS，N（多选）（2023春•吉安期末）我国最新研制出了一种超轻气凝胶，它刷新了目前世界上最轻的固体材料的纪录，弹性和吸油能力令人惊喜，这种被称为“全碳气凝胶”的固态材料密度仅是空气密度的16。设气凝胶的密度为ρ（单位为kg/m3），摩尔质量为M（单位为kg/mol），阿伏加德罗常数为NAA．1kg气凝胶所含的分子数N=NB．1m3气凝胶所含的分子数N=ρC．每个气凝胶分子的体积V0D．每个气凝胶分子的直径d=（2023春•吉安期末）水是人体正常生理代谢所必需的物质，许多成年人每天要喝2000mL左右的水。已知水的摩尔质量M＝18×10﹣3kg/mol，水的密度ρ＝1.0×103kg/m3，小伟同学一口气喝了90mL的水，阿伏加德罗常数取NA＝6.0×1023mol﹣1。（1）求小伟同学本次喝下的水的分子个数N；（2）设想水分子是一个挨着一个排列的球体，忽略水分子的间隙，试估算水分子的直径R。（结果可保留π和根号）题型2布朗运动与分子热运动（2023春•五华区校级期中）下列说法正确的是（）A．布朗运动就是液体分子的无规则运动 B．同一时刻与固体小颗粒相碰的液体分子数越少，布朗运动越不明显 C．布朗运动的无规则性，反映了液体分子运动的无规则性 D．固体小颗粒的体积越小，布朗运动越明显，液体分子热运动越激烈（2023春•碑林区校级期中）图甲和图乙是某同学从资料中查到的两张记录水中炭粒运动位置连线的图片，记录炭粒位置的时间间隔均为30s，两方格纸每格表示的长度相同，下列说法中正确的是（）A．炭粒的运动即布朗运动，也就是分子的运动 B．炭粒的运动是由于其内部分子在不停地做无规则运动产生的 C．若水温相同，则甲中炭粒的颗粒较大 D．若炭粒大小相同，则甲中水分子的热运动较剧烈（2023春•陵水县校级期末）以下关于热运动的说法正确的是（）A．水流速度越大，水分子的热运动越剧烈 B．水凝结成冰后，水分子的热运动停止 C．水的温度越高，水分子的热运动越剧烈 D．水的温度升高，每一个水分子的运动速率都会增大（多选）（2023春•定远县校级期中）我国已开展空气中PM2.5浓度的监测工作。PM2.5是指空气中直径等于或小于2.5μm的悬浮颗粒物，其在空中做无规则运动，很难自然沉降到地面，吸入后对人体形成危害。燃烧矿物燃料是形成PM2.5的主要原因。下列关于PM2.5的说法中正确的是（）A．PM2.5的尺寸比空气中氧分子的尺寸大得多 B．PM2.5在空气中的运动属于分子热运动 C．PM2.5的运动轨迹只是由大量空气分子对PM2.5无规则碰撞的不平衡决定的 D．倡导低碳生活，减少煤和石油等燃料的使用，能有效减小PM2.5在空气中的浓度题型3分子动能、分子势能和内能（2023春•五华区校级期中）如图所示为分子间作用力随分子间距离变化的图像，取分子间距离无穷远时分子势能为零，下列说法正确的是（）A．分子间距离大于r0时，分子间只存在着相互作用的引力 B．分子力表现为引力时，随着分子间距离增大，分子势能变小 C．当分子间距离为r0时，分子间的引力和斥力都为0 D．分子间距离0＜r＜2r0时，分子势能为零时分子间距小于r01（2023春•浑南区校级期中）用电脑软件模拟两个相同分子在仅受分子力作用下的运动。将两个质量均为m的A、B分子从x轴上的﹣x0和x0处由静止释放，如图1所示。其中B分子的速度v随位置x的变化关系如图2所示。取无限远处势能为零，下列说法正确的是（）A．A、B间距离为x1时分子力为零 B．A、B间距离为2（x1﹣x0）时分子力为零 C．A、B系统的分子势能最小值为12D．释放时A、B系统的分子势能为mv（2023春•石屏县校级期末）分子力F随分子间距离r的变化如图所示.将两分子从相距r＝r2处释放，仅考虑这两个分子间的作用，下列说法正确的是（）A．从r＝r2到r＝r0，分子间作用力表现为斥力 B．从r＝r2到r＝r1，分子力的大小先减小后增大 C．从r＝r2到r＝r0，分子势能先减小后增大 D．从r＝r2到r＝r1，分子动能先增大后减小（2023春•焦作期末）图1、2中，一个是分子势能与分子间距离的关系图像，另一个是分子间作用力与分子间距离的关系图像，r0为平衡位置。现让相距较远的两分子仅在相互间分子力作用下，由静止开始相互接近。若两分子相距无穷远时分子势能为零，则在两分子相互接近过程中，由图像分析可知（）A．分子间的作用力先增大后减小再增大 B．分子势能先增大后减小再增大 C．分子运动的加速度先增大后减小 D．分子的动能先减小后增大题型4固体和液体性质的理解（2023秋•罗湖区期末）我们在夜晚点亮蜡烛，可以看到蜡烛火焰呈向上升起的“锥形”，如图所示。如果在我国梦天实验舱中演示点亮蜡烛的实验，则可以看到（）A．蜡烛不能点燃，因为太空舱处于完全失重状态，氧气分子几乎不动 B．蜡烛能点燃但瞬时熄灭，因为燃烧产生的二氧化碳隔断了氧气的供给 C．如果氧气充足，点燃的蜡烛火焰也呈向上升起的“锥形” D．如果氧气充足，点燃的蜡烛火焰没有呈向上升起的“锥形”，而是向四周一样的“球形”（2022秋•河东区期末）下面是教材中的四幅插图，下列说法正确的是（）A．图甲是显微镜下三颗小炭粒的运动位置连线图，连线表示小炭粒的运动轨迹 B．图乙是封闭在容器中的一定质量的理想气体，若温度升高，其内能一定增大 C．图丙是一定质量的理想气体在不同温度下的两条等温线，则T2＜T1 D．图丁中一只水黾能停在水面上，主要是靠水对水黾的浮力作用（2023春•河池期末）固体是物质的一种聚集状态，与液体和气体相比固体有比较固定的体积和形状，质地比较坚硬。关于固体，下列说法正确的是（）A．食盐、玻璃和水晶都是晶体，非晶体和单晶体都没有确定的几何形状 B．固体可以分为单晶体和多晶体，多晶体没有确定的几何形状 C．布朗运动是固体分子无规则热运动的反映 D．晶体具有各向异性，组成晶体的物质微粒在空间整齐排列成“空间点阵”（2023春•宿迁期末）碳纳米管是管状的纳米级石墨。关于碳纳米管，下列说法正确的是（）A．碳原子之间的化学键属于强相互作用 B．碳纳米管具有固定的熔点 C．碳纳米管的所有物理性质都是各向异性 D．碳纳米管上所有的碳原子都是静止不动的题型5气体状态变化的图像问题（2023秋•大连期末）一定质量的理想气体，从状态A经B、C状态后，又回到初始状态A，对应的p﹣V图像如图所示，则下列说法正确的是（）A．状态A到状态B，气体分子的平均动能不变 B．状态B和状态C的热力学温度之比为2：1 C．状态C到状态A，气体对外界做功为2p0V0 D．整个循环过程中，气体吸收的热量为p0V0（2022秋•铁岭期末）一定质量的理想气体由状态a变为状态c，其过程如p﹣V图中a→c直线段所示，状态b对应该线段的中点。下列说法中不正确的是（）A．a、c两点的内能相同 B．a、b两点的温度之比为3：4 C．a→c过程中气体对外界做正功 D．a→c过程中气体向外界放热（2023春•图木舒克校级期末）图示为一定质量的理想气体由状态A经过状态B变为状态C的V﹣T图像。已知气体在状态A时的压强是1.5×105Pa。关于气体的状态，下列说法正确的是（）A．气体在状态C的压强为2.0×105Pa B．气体在状态C的压强为1.0×105Pa C．从状态A到状态B气体的压强增大 D．从状态A到状态B气体的压强减小（2023秋•未央区校级期末）如图甲所示，在竖直放置的圆柱形容器内用横截面积S＝50cm2的质量不计且光滑的活塞密封一定质量的气体（可视为理想气体），活塞上静止一质量为m的物块。图乙是密闭气体从状态A变化到状态B的V﹣T图像，密闭气体在A点的压强pA=1.05×105Pa，从状态A变化到状态B的过程中吸收热量Q＝200J。已知外界大气压强p0（i）物块的质量；（ii）气体在状态B的体积。题型6气体实验定律的微观解释（2023秋•石家庄期末）一定质量的理想气体从状态a开始，经a→b、b→c、c→a三个过程后回到初始状态a，其p—V图像如图所示。已知初始状态气体的温度为T，三个状态的坐标分别为a（V0，5p0）、b（5V0，p0）、c（V0，p0），下列说法正确的是（）A．在a→b过程中，封闭气体的温度一定不变 B．气体在a状态的温度可能与b状态的温度不相等 C．气体在c状态的温度为T5D．气体从状态b到状态c的过程中气体向外界放出的热量为4p0V0（多选）2（2023秋•太原期末）如图为一定质量的理想气体在状态a→状态b→状态c→状态a的循环过程中，气体压强p随热力学温度T变化的关系。ab的延长线过坐标原点，bc平行于P轴，下列说法正确的是（）A．气体在状态a时的内能最大 B．状态a→状态b，气体分子数密度增大 C．状态b→状态c，气体向外界放热 D．状态c→状态a，气体对外做的功大于气体吸收的热量2（2023秋•武昌区期末）如图所示为气压式升降椅和简易结构切面图，在气缸和气缸杆之间封闭一定质量的理想气体，气缸密封性和导热性良好，忽略一切摩擦。设无人坐椅时，气缸内气体的初始状态为A；有人慢慢地坐到座椅上后，双脚离地，椅面下降，气缸内气体稳定后的状态为B；空调开启，室内温度下降至某值并保持恒温，气缸内气体稳定后的状态为C；最后此人离开座椅，气缸内