2022年高考物理二轮专题复习 热学教案

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1、2022年高考物理二轮专题复习 热学教案 热学研究热现象的规律。描述热现象的一个基本概念是温度。凡是跟温度有关的现象都叫做热现象。 一、分子动理论 分子动理论是从物质微观结构的观点来研究热现象的理论。它的基本内容是：物体是由大量分子组成的；分子永不停息地做无规则运动；分子间存在着相互作用力。 1．物体是由大量分子组成的 这里的分子是指构成物质的单元，可以是分子，也可以是原子、离子。在热运动中它们遵从相同的规律，所以统称为分子。 ⑴建立理想化模型：把分子看作小球，求出的数据只在数量级上是有意义的。分子直径大小的数量级为10-10m。 ⑵固体、液体被理想化地认为其分子是一个挨一个紧密

2、排列的，每个分子的体积就是每个分子平均占有的空间。分子体积=物体体积÷分子个数。 ⑶气体分子仍视为小球，但分子间距离较大，不能看作一个挨一个紧密排列，所以气体分子的体积远小于每个分子平均占有的空间。每个气体分子平均占有的空间可看作以相邻分子间距离为边长的正立方体。 ⑷阿伏加德罗常数NA=6.02×1023mol-1，是联系微观世界和宏观世界的桥梁。它把物质的摩尔质量、摩尔体积这些宏观物理量和分子质量、分子体积这些微观物理量联系起来了。 例2．利用阿伏加德罗常数，估算在标准状态下相邻气体分子间的平均距离D。 解：在标准状态下， 1mol任何气体的体积都是V=22.4L，除以阿伏加德罗常数

3、就得每个气体分子平均占有的空间，该空间的大小是相邻气体分子间平均距离D的立方。 ，这个数值大约是分子直径的10倍。因此水气化后的体积大约是液体体积的1000倍。 2．分子的热运动 组成物体的分子永不停息地做无规则运动，这种运动跟温度有关，所以把分子的这种运动叫做热运动。 ⑴扩散现象和布朗运动都可以很好地证明分子的热运动。 ⑵布朗运动是指悬浮在液体中的固体微粒的无规则运动。关于布朗运动，要注意以下几点：①形成条件：只要微粒足够小；②温度越高，布朗运动越激烈；③观察到的是固体微粒（不是液体，不是固体分子）的无规则运动，反映的是液体分子运动的无规则性；④实验中描绘出的是某固体微粒每隔30s

4、的位置的连线，不是该微粒的运动轨迹。 3．分子间的相互作用力 F斥 F引 F合 r r0 O F ⑴分子力有如下几个特点：①分子间同时存在引力和斥力；②引力和斥力都随着距离的增大而减小；③斥力比引力变化得快。 根据以上特点，画F-r图象。先从横坐标r=r0开始（r0是处于平衡状态时相邻分子间的距离），分别画斥力（设为正）和引力（设为负）；然后向右移，对应的斥力比引力减小得快；向左移，对应的斥力比引力增大得快，画出斥力、引力随r而变的图线，最后再画出合力（即分子间作用力）随r而变的图线。 ⑵分子间作用力（指引力和斥力的合力）随分子间距离而变的规律是：①r

5、②r=r0时分子力为零；③r>r0时表现为引力；④r>10r0以后，分子力变得十分微弱，可以忽略不计。记住这些规律对理解分子势能有很大的帮助。 ⑶从本质上来说，分子力是电场力的表现。因为分子是由原子组成的，原子内有带正电的原子核和带负电的电子，分子间复杂的作用力就是由这些带电粒子间的相互作用而引起的。 例3．下面关于分子力的说法中正确的是 A．铁丝很难被拉长，这一事实说明铁丝分子间只存在引力不存在斥力 B．水很难被压缩，这一事实说明水分子间存在斥力 C．将打气管的出口端封住，向下压活塞，当空气被压缩到一定程度后很难再压缩，这一事实说明这时空气分子间表现为斥力 D．磁铁可以吸引铁屑，

6、这一事实说明分子间存在引力 解：铁丝分子、水分子间始终同时存在引力和斥力，A不正确，B正确。无论怎样压缩，气体分子间距离一定大于r0，所以气体分子间一定表现为引力。空气压缩到一定程度很难再压缩不是因为分子斥力的作用，而是气体分子频繁撞击活塞产生压强的结果，应该用压强增大解释，所以C不正确。磁铁吸引铁屑是磁场力的作用，不是分子力的作用，所以D也不正确。 4．物体的内能 ⑴做热运动的分子具有的动能叫分子动能。温度是物体分子热运动的平均动能的标志。温度越高，分子做热运动的平均动能越大。 ⑵由分子间相对位置决定的势能叫分子势能。分子力做正功时分子势能减小；分子力作负功时分子势能增大。（所有势能

7、都有同样结论：重力做正功重力势能减小、电场力做正功电势能减小。） r E r0 O 由上面的分子力曲线可以得出：当r=r0即分子处于平衡位置时分子势能最小。不论r从r0开始增大还是减小，分子势能都将增大。如果以分子间距离为无穷远时的分子势能为零，则分子势能随分子间距离而变的图象如右。可见分子势能与物体的体积有关。体积变化，分子势能也变化（但不能说体积越大分子势能越大，也不能说体积越大分子势能越小）。 ⑶物体中所有分子做热运动的动能和分子势能的总和叫做物体的内能。 物体的内能跟物体的温度和体积都有关系：温度升高时物体内能增加；体积变化时，物体内能变化。 例4．下列说法中正确的

8、是 A．物体自由下落时速度增大，所以物体内能也增大 B．物体的机械能为零时内能也为零 C．物体的体积减小温度不变时，物体内能一定减小 D．气体体积增大时气体分子势能一定增大 解：物体的机械能和内能是两个完全不同的概念。物体的动能由物体的宏观速率决定，而物体内分子的动能由分子热运动的速率决定。分子动能不可能为零（温度不可能达到绝对零度），而物体的动能可能为零。所以A、B不正确。物体体积减小时，分子间距离减小，但分子势能不一定减小，例如将处于原长的弹簧压缩，分子势能将增大，所以C也不正确。由于气体分子间距离一定大于r0，体积增大时分子间距离增大，分子力做负功，分子势能增大，所以D正确。

9、 例5．分子动理论较好地解释了物质的宏观热学性质。据此可判断下列说法中错误的是 A．显微镜下观察到墨水中的小碳粒在不停的作无规则运动，这反映了液体分子运动的无规则性 B．分子间的相互作用力随着分子间距离的增大，一定先减小后增大 C．分子势能随着分子间距离的增大，可能先减小后增大 D．在真空、高温条件下，可以利用分子扩散向半导体材料掺入其它元素 解：A正确；当分子间距离为r0时，分子间的相互作用力为零，而分子势能最小。B错误，C正确；D正确。选B。 5．热力学第一定律 做功和热传递都能改变物体的内能。也就是说，做功和热传递对改变物体的内能是等效的。但从能量转化和守恒的观点看又

10、是有区别的：做功是其他能和内能之间的转化，功是内能转化的量度；而热传递是内能间的转移，热量是内能转移的量度。 外界对物体所做的功W加物体从外界吸收的热量Q等于物体内能的增加ΔU，即ΔU=Q+W，这在物理学中叫做热力学第一定律。 在这个表达式中，当外界对物体做功时W取正，物体克服外力做功时W取负；当物体从外界吸热时Q取正，物体向外界放热时Q取负；ΔU为正表示物体内能增加，ΔU为负表示物体内能减小。 例6．下列说法中正确的是 A．物体吸热后温度一定升高 B．物体温度升高一定是因为吸收了热量 C．0℃的冰化为0℃的水的过程中内能不变 D．100℃的水变为100℃的水汽的过程中内能增大

11、 解：吸热后物体温度不一定升高，例如冰融化为水或水沸腾时都需要吸热，而温度不变，这种情况下，吸热后物体内能的增加表现为分子势能的增加，所以A不正确。做功也可以使物体温度升高，例如用力多次来回弯曲铁丝，弯曲点铁丝的温度会明显升高，这是做功增加了物体的内能，使温度上升，所以B不正确。冰化为水时要吸热，虽然水分子的动能不未变，但分子势能增加了，因此内能增加，所以C不正确。水沸腾时要吸热，虽然水分子的动能未变，但分子势能增加了，所以内能增大，D正确。 6．能量守恒定律 能量守恒定律指出：能量即不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为别的形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的

12、过程中其总量不变。 能量守恒定律是自然界普遍适用的规律之一，是研究自然科学的强有力的武器之一。 例7．“奋进号”航天飞机进行过一次太空飞行，其主要任务是给国际空间站安装太阳能电池板。该太阳能电池板长L=73m，宽d=12m，将太阳能转化为电能的转化率为η=20%，已知太阳的辐射总功率为P0=3.83×1026W，地日距离为R0=1.5×1011m，国际空间站离地面的高度为h=370km，它绕地球做匀速圆周运动约有一半时间在地球的阴影内，所以在它能发电的时间内将把所发电的一部分储存在蓄电池内。由以上数据，估算这个太阳能电池板能对国际空间站提供的平均功率是多少？ 解：由于国际空间站离地面的高

13、度仅为地球半径的约二十分之一，可认为是近地卫星，h远小于R0，因此它离太阳的距离可认为基本不变，就是地日距离R0。太阳的辐射功率应视为均匀分布在以太阳为圆心，地日距离为半径的球面上，由此可以算出每平方米接收到的太阳能功率I0=P0/4πR02=1.35kW/m2（该数据被称为太阳常数）。再由电池板的面积和转化率，可求出其发电时的电功率为P=I0Ldη=2.6×105W，由于每天只有一半时间可以发电，所以能对国际空间站提供的平均功率只是发电时电功率的一半，即130kW。 7．热力学第二定律 ⑴热传导的方向性。热传导的过程是有方向性的，这个过程可以向一个方向自发地进行（热量会自发地从高温物体传

14、给低温物体），但是向相反的方向却不能自发地进行。 ⑵第二类永动机不可能制成。我们把没有冷凝器，只有单一热源，从单一热源吸收热量全部用来做功，而不引起其它变化的热机称为第二类永动机。这表明机械能和内能的转化过程具有方向性：机械能可以全部转化成内能，内能却不能全部转化成机械能。 ⑶热力学第二定律。表述：①不可能使热量由低温物体传递到高温物体，而不引起其他变化（按热传导的方向性表述）。②不可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（按机械能和内能转化过程的方向性表述）。③第二类永动机是不可能制成的。 热力学第二定律使人们认识到：自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性。它

15、揭示了有大量分子参与的宏观过程的方向性，是独立于热力学第一定律的一个重要的自然规律。 ⑷能量耗散。自然界的能量是守恒的，但是有的能量便于利用，有些能量不便于利用。很多事例证明，我们无法把流散的内能重新收集起来加以利用。这种现象叫做能量的耗散。它从能量转化的角度反映出自然界中的宏观现象具有方向性。 例8．下列说法中正确的是 A．热量不可能由低温物体传递到高温物体 B．热量不可能由内能少的物体传递到内能多的物体 C．自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性 D．第二类永动机违背了能量守恒定律因此不可能制成 解：只能说“热量不可能自发地由低温物体传递到高温物体”，A错

16、误；热传递的方向是由高温物体传递给低温物体，与物体内能的多少没有必然联系，B错误；第二类永动机并没有违背能量守恒定律，而是违背了热力学第二定律，因此不可能制成，D错误；只有C是正确的。 二、气体的体积、压强、温度间的关系 1．气体的状态参量 ⑴温度。温度在宏观上表示物体的冷热程度；在微观上是分子平均动能的标志。 热力学温度是国际单位制中的基本量之一，符号T，单位K（开尔文）；摄氏温度是导出单位，符号t，单位℃（摄氏度）。关系是t=T-T0，其中T0=273.15K，摄氏度不再采用过去的定义。 两种温度间的关系可以表示为：T = t+273.15K和ΔT =Δt，即两种单位制下每一度表

17、示的温度变化是相同的。 0K是低温的极限，它表示所有分子都停止了热运动。可以无限接近，但永远不能达到。 ⑵体积。气体总是充满它所在的容器，所以气体的体积总是等于盛装气体的容器的容积。 ⑶压强。气体的压强是由于气体分子频繁碰撞器壁而产生的。（绝不能用气体分子间的斥力解释！） 一般情况下不考虑气体本身的重量，所以同一容器内气体的压强处处相等。但大气压在宏观上可以看成是大气受地球吸引而产生的重力而引起的。（在估算地球大气的总重量时可以用标准大气压乘以地球表面积。） 压强的国际单位是帕，符号Pa，常用的单位还有标准大气压（atm）和毫米汞柱(mmHg)。它们间的关系是：1atm=1.013×

18、105Pa=760 mmHg；1mmHg=133.3Pa。 2．气体的体积、压强、温度间的关系 ⑴一定质量的气体，在温度不变的情况下，体积减小时，压强增大，体积增大时，压强减小。 ⑵一定质量的气体，在压强不变的情况下，温度升高，体积增大，温度降低，体积减小。 ⑶一定质量的气体，在体积不变的情况下，温度升高，压强增大，温度降低，压强减小。 以上关系可归纳为克拉帕龙方程：pV=nRT（n为物质的量）或（C为常数）。这个关系式经常和ΔU=Q+W结合使用，判定一定质量气体的某个状态变化过程是否可能发生。 3．气体压强的计算 气体压强的确定要根据气体所处的外部条件，往往需要利用跟气体接触的

19、液柱或活塞等物体的受力情况和运动情况计算。 h1 h3 h2 a b 例9．竖直平面内有右图所示的均匀玻璃管，内用两段水银柱封闭两段空气柱a、b，各段水银柱高度如图所示。大气压为p0，求空气柱a、b的压强各多大？ 解：从开口端开始计算：右端为大气压p0，同种液体同一水平面上的压强相同，所以b气柱的压强为pb= p0+ρg（h2-h1），而a气柱的压强为pa= pb-ρgh3= p0+ρg（h2-h1-h3）。 求液柱封闭的气体压强的方法是：从开口端算起（一般为大气压），在竖直方向上，沿着液柱，向下加ρgh，向上减ρgh即可（h为高度差）。 A B 例10．右图中两个气缸的

20、质量均为M，内部横截面积均为S，两个活塞的质量均为m，左边的气缸静止在水平面上，右边的活塞和气缸竖直悬挂在天花板下。两个气缸内分别封闭有一定质量的空气A、B，大气压为p0，求封闭气体A、B的压强各多大？ 解：求气体压强要以跟气体接触的物体为对象进行受力分析，在本题中，可取的研究对象有活塞和气缸。两种情况下活塞和气缸的受力情况的复杂程度是不同的：第一种情况下，活塞受重力、大气压力和封闭气体压力三个力作用，而且只有气体压力是未知的；气缸受重力、大气压力、封闭气体压力和地面支持力四个力，地面支持力和气体压力都是未知的，要求地面压力还得以整体为对象才能得出。因此应选活塞为对象求pA。同理第二

21、种情况下应以气缸为对象求pB。得出的结论是： 4．热力学第一定律在气体中的应用 对一定质量的理想气体（除碰撞外忽略分子间的相互作用力，因此没有分子势能），热力学第一定律ΔU=Q+W中：⑴ΔU仅由温度决定，升温时为正，降温时为负；⑵W仅由体积决定，压缩时为正，膨胀时为负；⑶Q由ΔU和W共同决定；⑷在绝热情况下Q=0，因此有ΔU= W（气体的容器“绝热”，或容器虽然导热，但状态变化“迅速”，来不及交换热量，都属于绝热） 例13．钢瓶内装有高压氧气（看作理想气体）。打开阀门氧气迅速从瓶口喷出，当内外气压相等时立即关闭阀门。过一段时间后再打开阀门，会不会再有氧气逸出？ 解：第一次打开阀门氧气“

22、迅速”喷出，是绝热过程Q=0，同时氧气体积膨胀对外做功W<0，由热力学第一定律，ΔU<0，即关闭阀门时瓶内氧气温度必然低于外界温度，而压强等于外界大气压；钢瓶是导热的，“过一段时间”经过热交换，钢瓶内氧气的温度又和外界温度相同了，由于体积未变，所以瓶内氧气压强将增大，即大于大气压，因此再次打开阀门，将会有氧气逸出。 例14．如图所示，绝热气缸中央用固定栓将可无摩擦移动的导热隔板固定，隔板质量不计，左右两室分别充有一定量的氢气和氧气（视为理想气体）。初始时，两室气体的温度相等，氢气的压强大于氧气的压强，松开固定栓直至系统重新达到平衡。下列说法中正确的是 氧气 氢气 A．初始时氢分

23、子的平均动能大于氧分子的平均动能 B．系统重新达到平衡时，氢气的内能比初始时的小 C．松开固定栓直至系统重新达到平衡的过程中有热量从氧气传递到氢气 D．松开固定栓直至系统重新达到平衡的过程中，氧气的内能始终增大 解：温度是分子平均动能的标志，初始两室温度相同，分子平均动能也相同，A错；以两气体整体为对象，由于气缸绝热，系统不吸热不放热，外界对气体，气体对外界又都不做功，由热力学第一定律，系统内能保持不变；由于隔板导热，因此末状态两气体温度相同，而且都等于初始温度，因此系统重新达到平衡时氧气、氢气的内能都和初始时相同，B错；初状态VO=VH，TO=TH，pO

24、p´O=p´H，T´O=T´H，因此必有V´O0，因此Q<0，即放热，只有C正确。 O V p A B C 例15．一定质量理想气体由状态A经过A→B→C→A的循环过程的p-V图象如图所示（A→B为等温线）。试分析其中那些阶段气体是吸热的，那些阶段气体是放热的？整个过程气体是吸热还是放热？ ΔU W Q A→B 0 － + B→C + 0 + C→A － + － 全过程 0 + － 解：首先可以判定C状态下气体温度较高。根据

25、热力学第一定律分阶段列表进行分析如下：各阶段都应先根据温度和体积的变化确定ΔU和W的正负，再根据ΔU=Q+W确定Q的正负。全过程始末温度相同，所以内能相同。由图知：W=FS=pΔV（气体做功等于p-V曲线下到横轴间的面积），因此A→B阶段气体对外界做功少，C→A阶段外界对气体做功多，B→C阶段气体体积不变W=0，因此全过程外界对气体作正功，气体必然放热。结论是A→B、B→C气体吸热；C→A和全过程气体放热。 5．气体分子动理论 ⑴气体分子运动的特点是：①气体分子间的距离大约是分子直径的10倍，分子间的作用力十分微弱。通常认为，气体分子除了相互碰撞或碰撞器壁外，不受力的作用。②每个气体分子的

26、运动是杂乱无章的，但对大量分子的整体来说，分子的运动是有规律的。研究的方法是统计方法。气体分子的速率分布规律遵从统计规律。在一定温度下，某种气体的分子速率分布是确定的，可以求出该温度下该种气体分子的平均速率。 ⑵用分子动理论解释气体压强的产生（气体压强的微观意义）。气体的压强是大量分子频繁碰撞器壁产生的。压强的大小跟两个因素有关：①气体分子的平均动能，②分子的密集程度。 设气体分子与器壁的碰撞是弹性的，每个气体分子的动量大小为p0，每次碰撞气体分子的动量变化是Δp=2p0。设气体的压强为p，以时间t内撞击容器某一面积为S的器壁的所有气体分子（个数为N）为研究对象，用动量定理pS«t=NŸΔp得，因此也可以说，压强由单位时间、单位面积撞击器壁的气体分子个数和气体分子的平均动能决定。