第十一章 第1单元 分子动理论 热力学定律与能量守恒.ppt

考纲下载 1 分子动理论的基本观点和实验依据 2 阿伏加德罗常数 3 气体分子运动速率的统计分布 4 温度是分子平均动能的标志 内能 5 固体的微观结构 晶体和非晶体 6 液晶的微观结构 7 液体的表面张力现象 8 气体实验定律 9 理想气体 10 饱和蒸气 未饱和蒸气和饱和蒸气压 11 相对湿度 12 热力学第一定律 13 能量守恒定律 14 热力学第二定律 15 实验 用油膜法估测分子的大小 考情上线 1 分子动理论 热力学定律 能量守恒定律 气体实验定律等内是高考考查的重点 2 在新课标省区的高考中 对热学部分的考查不会面面俱到 一般情况下只重点考查某几个知识点 如分子动理论 阿伏加德罗常数的应用 理想气体及其实验定律 物态变化 热力学第一定律 热力学第二定律 能量守恒定律等 3 根据新课标考纲的要求 高考在本章出计算题的可能性较大 因此对于涉及到计算的知识点 如微观量的估算 热力学第一定律 能量守恒定律 气体实验定律的应用要高度重视 一 分子运动论的基本内容1 物体是由大量分子组成的 1 分子很小 直径数量级为m 质量数量级为10 27kg 10 26kg 2 分子数目特别大 阿伏加德罗常数NA mol 12 分子的热运动 1 布朗运动 10 10 6 02 1023 永不停息 运动 颗粒越小 运动越 温度越高 运动越 运动轨迹不确定 只能用确定微粒做无规则运动 不能直接观察分子的无规则运动 而是用的无规则运动来反映液体分子的无规则运动 2 热运动 物体里的分子永不停息地做运动 这种运动跟温度 选填 有关 或 无关 常称做热运动 无规则 明显 激烈 位置连线 固体小颗粒 无规则 有关 3 分子间的相互作用力 1 引力和斥力存在 都随距离的增大而减小 变化更快 2 分子力的特点 r r0时 r0的数量级为10 10m F引 F斥 分子力F 0 r r0时 F引 F斥 分子力F表现为 r r0 时F引 F斥 分子力F表现为 r 10r0时 F引 F斥迅速减为零 分子力F 同时 斥力 斥力 引力 0 3 分子力随分子间距离的变化图象 如图11 1 1 图11 1 1 二 气体分子运动的特点1 气体分子之间的距离大约是分子直径的10倍 气体分子之间的作用力十分微弱 可以忽略不计 2 气体分子的速率分布 表现出 的统计分布规律 3 气体分子向各个方向运动的机会均等 4 温度一定时 某种气体分子的速率分布是确定的 速率的平均值也是确定的 温度升高 气体分子的平均速率增大 但不是每个分子的速率都增大 中间多 两头少 三 物体的内能1 分子的动能 1 分子由于而具有的动能 2 是物体分子热运动的平均动能的标志 2 分子势能 1 由分子间的和它们的相对位置决定的能量 2 分子势能跟物体的有关系 热运动 温度 相互作用 体积 3 分子势能的变化与分子间距离的变化的关系分子势能的变化与分子力做功有关 可用分子力做功来量度 如图11 1 2 图11 1 2 以r 处为零势能处 当r r0时 分子力为引力 当r增大时 分子力做负功 分子势能增加 当r r0时 分子力为斥力 当r减小时 分子力做负功 分子势能增加 当r r0时 分子势能最小 但不一定为零 3 内能 1 定义 物体内所有分子的动能和分子势能的总和 2 物体的内能跟物体的和都有关系 4 改变物体内能的两种方式是和 温度 体积 做功 热传递 内能和机械能是两种不同形式的能量 内能取决于分子热运动的情况 机械能取决于物体机械运动的情况 故物体机械能的大小不能决定内能的大小 四 温度和温标1 温度 1 温度在宏观上表示物体的冷热程度 在微观上表示分子的平均动能 2 温度是决定一个系统与另一个系统是否达到热平衡状态的物理量 一切达到热平衡的系统都具有相同的温度 2 两种温标 1 摄氏温标和热力学温标的比较 两种温标温度的零点不同 同一温度两种温标表示的数值不同 但它们表示的温度间隔是相同的 即每一度的大小相同 t T 2 关系 T t 273 15K 1 热力学温度的零值是低温极限 永远达不到 即热力学温度无负值 2 温度是大量分子热运动的集体行为 对个别分子来说温度没有意义 五 热力学定律1 热力学第一定律 1 内容 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 2 表达式 2 热力学第二定律 1 热量不能自发地从物体传到物体 2 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 U W Q 低温 高温 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 1 关于布朗运动的实验 下列说法正确的是 图11 1 3 A 图11 1 3记录的是分子无规则运动的情况B 图11 1 3记录的是微粒做布朗运动的轨迹C 实验中可以看到 微粒越大 布朗运动越明显D 实验中可以看到 温度越高 布朗运动越激烈 解析 布朗运动是指悬浮在液体中的微粒不停地做无规则的运动 它是分子无规则热运动的反映 而分子无规则热运动是产生布朗运动的原因 温度越高 分子运动越激烈 因而布朗运动也越激烈 可见A错误 D正确 微粒越小 某一瞬间 跟它相撞的分子数越少 撞击作用的不平衡性表现得越明显 即布朗运动越显著 故C错误 图中每个拐点记录的是微粒每隔一定时间的位置 在一段时间内微粒做的也是无规则运动 而不是直线运动 故B错误 答案 D 2 2010 四川高考 下列现象中不能说明分子间存在分子力的是 A 两铅块能被压合在一起B 钢绳不易被拉断C 水不容易被压缩D 空气容易被压缩 解析 空气容易被压缩是说明空气分子之间的距离很大 两铅块能被压合在一起 钢绳不易被拉断以及水不易被压缩都说明了分子间存在分子力 答案为D 答案 D 解析 气体分子间距离很大 气体的体积并不等于每个分子的体积之和 A错 气体的质量等于每个分子质量之和 C对 由M V知B对 气体的密度是对大量气体分子而言的 一个分子质量m V0 D错 答案 BC 4 关于热力学定律 下列说法正确的是 A 在一定条件下物体的温度可以降到0KB 物体从单一热源吸收的热量可全部用于做功C 吸收了热量的物体 其内能一定增加D 压缩气体总能使气体的温度升高 解析 0K是低温的极限 任何物体的温度只能接近而不能达到 所以A项错误 根据热力学第二定律 物体不可能从单一热源吸收热量全部用来对外做功而不产生其他影响 但在 产生其他影响的情况 下 也可以从单一热源吸收热量全部用来做功 所以B项正确 内能的改变与热传递和做功同时有关 所以C D错误 答案 B 5 某同学为测量地表植物吸收太阳能的本领 做了如下实验 用一面积为0 1m2的面盆盛6kg的水 经太阳垂直照射15min 温度升高5 若地表植物每秒吸收太阳能的能力与水相等 试计算 1 每平方米绿色植物每秒吸收的太阳能为多少焦耳 2 若绿色植物在光合作用下每吸收1kJ的太阳能可放出0 05L的氧气 则每公顷绿地每秒可放出多少升的氧气 1公顷 104m2 水的比热容c 4 2 103J kg 答案 1 1 4 103J 2 700L 分子模型的建立和微观量的估算 1 不论把分子看做球体 还是看做立方体 都只是一种简化的模型 是一种近似处理方法 由于建立的模型不同 得出的结果稍有不同 但数量级都是10 10m 一般在估算固体或液体分子线度或分子间距离时采用球模型 在估算气体分子间的距离时采用立方体模型 2 阿伏加德罗常数是联系微观量和宏观量的桥梁 设阿伏加德罗常数为NA 物体的体积为V 物质的质量为m 物质的密度为 摩尔体积为Vmol 摩尔质量为M 分子体积为V0 分子质量为m0 分子数为n 则 关键一点 解答这类问题一定要分清宏观量和微观量 然后用阿伏加德罗常数NA建立关系 2011 青岛模拟 已知汞的摩尔质量为M 200 5 10 3kg mol 密度为 13 6 103kg m3 阿伏加德罗常数NA 6 0 1023mol 1 求 1 一个汞原子的质量 用相应的字母表示即可 2 一个汞原子的体积 结果保留一位有效数字 3 体积为1cm3的汞中汞原子的个数 结果保留一位有效数字 思路点拔 解答本题时应注意两点 1 固体分子可忽略分子间的间隙 2 用阿伏加德罗常数建立宏观量与微观量的联系 热力学第一 第二定律的理解和应用 师之说 1 热力学第一定律的理解 1 由 U Q W 可知改变物体的内能有两种方式 做功和热传递 只考虑其中之一无法确定内能的变化 2 在 U Q W中 W表示做功情况 说明内能和其他形式的能可以相互转化 Q表示吸热或放热的情况 说明内能可以从一个物体转移到另一个物体 而 U Q W是能量守恒定律的具体体现 3 热力学第一定律的符号规定 2 热力学第二定律的理解 1 在热力学第二定律的表述中 自发地 不产生其他影响 的涵义 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 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 3 热力学第二定律的微观意义 一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行 3 热力学过程方向性实例 关键一点 热力学第一定律说明发生的任何过程中能量必定守恒 热力学第二定律说明并非所有能量守恒的过程都能实现 1 若一气泡从湖底上升到湖面的过程中温度保持不变 则在此过程中关于气泡中的气体 下列说法中正确的是 填写选项前的字母 A 气体分子间的作用力增大B 气体分子的平均速率增大C 气体分子的平均动能减小D 气体组成的系统的熵增加 2 若将气泡内的气体视为理想气体 气泡从湖底上升到湖面的过程中 对外界做了0 6J的功 则此过程中气泡 选填 吸收 或 放出 的热量是 J 气泡到达湖面后 温度上升的过程中 又对外界做了0 1J的功 同时吸收了0 3J的热量 则此过程中 气泡内气体内能增加了 J 3 已知气泡内气体的密度为1 29kg m3 平均摩尔质量为0 029kg mol 阿伏加德罗常数NA 6 02 1023mol 1 取气体分子的平均直径为2 10 10m 若气泡内的气体能完全变为液体 请估算液体体积与原来气体体积的比值 结果保留一位有效数字 思路点拨 解答该题应注意以下三个问题 1 用气体分子动理论分析第 1 问 2 用热力学第一定律分析第 2 问 3 利用宏观量 微观量间的关系求第 3 问 解析 1 考虑气体分子间作用力时 分子力是引力 分子间距从r0增大 分子力先增大后减小 A错误 气泡上升过程中温度不变 分子平均动能不变 分子平均速率也不变 B C错误 气泡上升过程中体积膨胀 分子势能增加 内能增大 而对外做功 故气体一定吸收热量 又因为温度不变 故其熵必增加 D正确 2 将气体视为理想气体时 其内能只与温度有关 气泡上升过程中温度不变 U 0 对外做功 W 0 6J 由 U Q W有Q U W 0 6J 0 答案 1 D 2 吸收0 60 2 3 1 10 4 或9 10 5 2 10 4 对能量守恒定律的理解 1 自然界中能量的存在形式 物体运动具有动能 分子运动具有分子动能 电荷具有电能 原子内部的运动具有原子能等 可见 在自然界中不同的能量形式与不同的运动形式相对应 2 不同形式的能量之间可以相互转化 且这一转化过程是通过做功来完成的 3 某种形式的能减少 一定有其他形式的能增加 且减少量和增加量一定相等 4 某个物体的能量减少 一定存在其他物体的能量增加 且减少量和增加量一定相等 5 两类永动机均不能制成 关键一点 1 虽然功与能具有相同的单位 但两者是完全不同的两个概念 在能量守恒定律的表达式中只存在能量 不存在功 2 能量守恒定律是自然界中普遍存在的一种规律 是无条件的 而机械能守恒定律是有条件的 一辆汽车正在平直的公路上以速度v匀速行驶 此时汽车的功率为P 已知汽车的总效率为 所使用的汽油的热值为q 每完全燃烧单位质量的燃料产生的热量叫热值 现油箱中还有质量为m的汽油 则汽车还能行驶多远 设汽车的质量为M 汽油消耗引起的汽车质量的减少忽略不计 思路点拨 先求出剩余汽油燃烧放出的能量 再求出汽车匀速运动的时间 便可求出还能匀速行驶的距离 再由动能定理求出减速的距离 1 2010 全国卷 图11 1 4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 图11 1 4A 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r2时 分子间的作用力为零D 在r由r1变到r2的过程中 分子间的作用力做负功 解析 对两分子组成的系统 分子力做正功 分子势能减小 分子力做负功 分子势能增加 结合图象可知 分子距离由非常近到r1时 Ep减小 分子力做正