2020届高三物理一轮复习学案：热学
2020届高三物理一轮复习学案：热学
教学目标
1．从观看和实验动身，使学生对分子动理论的物理图景有初步的认识，对热现象和其他物理过程的关系有初步的了解，明白得能量转化和守恒的思想。并能对一些简单的热现象，以分子动理论和能量守恒的观点加以分析判定。
2．学习通过宏观物理实验，提出科学假讲和模型，进行推理以认识物质微观结构的分析方法，培养建立物理模型，进行分析推理的能力。
3．学习用统计的观点认识大量微观粒子的运动规律的方法。
4．使学生明确理想气体状态应由三个参量来决定，其中一个发生变化，至少还要有一个随之变化，因此操纵变量的方法是物理学研究咨询题的重要方法之一。
5．要求学生通过讨论、分析，总结出决定气体压强的因素。
教学重点、难点分析
1．重点的知识是分子动理论的要点和能量转化和守恒定律。重点的方法是建立物理模型进行推理和运算的方法。
2．难点是有关分子力和分子势能的概念，以及用能量守恒的观点去分析实际咨询题。
教学过程设计
一、分子动理论
热学是物理学的一个组成部分，它研究的是热现象的规律。描述热现象的一个差不多概念是温度。凡是跟温度有关的现象都叫做热现象。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。它的差不多内容是：物体是由大量分子组成的；分子永不停息地做无规那么运动；分子间存在着相互作用力。
1．物体是由大量分子组成的
那个地点的分子是指构成物质的单元，能够是原子、离子，也能够是分子。在热运动中它们遵从相同的规律，因此统称为分子。
〔1〕那个地点建立了一个理想化模型：把分子看作是小球，因此求出的数据只在数量级上是有意义的。一样认为分子直径大小的数量级为10-10m 。
〔2〕固体、液体被理想化地认为各分子是一个挨一个紧密排列的，每个分子的体积确实是每个分子平均占有的空间。分子体积=物体体积÷分子个数。
〔3〕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，因此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看作以相邻分子间距离为边长的正立方体。
〔4〕阿伏加德罗常数N A =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。
【例题1】依照水的密度为ρ=1.0×103kg/m 3和水的摩尔质量M =1.8×10-2kg,，利用阿伏加德罗常数，估算水分子的质量和水分子的直径。
解：每个水分子的质量m =M /N A =1.8×10-2÷6.02×1023=3.0×10-26kg ；水的摩尔体积V=M/ρ，把水分子看作一个挨一个紧密排列的小球，那么每个分子的体积为v =V/N A ,而依照球体积的运算公式，用d 表示水分子直径，v =4πr 3/3=πd 3/6，得d=4×10-10m
【例题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 任何气体的体积差不多上V =22.4L ，除以阿伏加德罗常数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。
26233
31072.31002.6104.22--?=??=D ，即：m 1031072.39326--?=?=D ，那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。
小结：估算中需要利用的恒量，同时，采纳适当的模型是重要的。一样运算分子占有空间大小的咨询题中，以取立方体为宜，专门是固体。但不管取球或立方体模型，运算结果的数量级相同。此题假设取球模型，在保留1位有效数字时，结果的数量级是相同的，只是有效数字为4。
2．分子的热运动
物体里的分子永不停息地做无规那么运动，这种运动跟温度有关，因此通常把分子的这种运动叫做热运动。 〔1〕扩散现象和布朗运动都能够专门好地证明分子的热运动。
〔2〕布朗运动是指悬浮在液体中的固体微粒的无规那么运动。关于布朗运动，要注意以下几点：①形成条件是：只要微
粒足够小。②温度越高，布朗运动越猛烈。③观看到的是固体微粒〔不是液体，不是固体分子〕的无规那么运动，反映的是液体分子运动的无规那么性。④实验中描画出的是某固体微粒每隔30秒的位置的连线，不是该微粒的运动轨迹。
〔3〕什么缘故微粒越小，布朗运动越明显？能够如此分析：在任何一个选定的方向上，同一时刻撞击固体微粒的液体分子个数与微粒的横截面积成正比，即与微粒的线度r的平方成正比，从而对微粒的撞击力的合力F与微粒的线度r的平方成正比；而固体微粒的质量m与微粒的体积成正比，即与微粒的线度r的立方成正比，因此其加速度A=F/m∝r–1，即加速度与微粒线度r成反比。因此微粒越小，运动状态的改变越快，布朗运动越明显。
对布朗运动产生过程的分析有如下特点应加以注意。
〔1〕在排除了外界阻碍后，从流体内部找缘故。
〔2〕提出了〝液体分子〞那个物理模型，并认为分子总处于永不停息的无规那么运动中。同时，要把液体分子视做弹性小球，在跟固体微粒碰撞的过程中动能守恒。
〔3〕认为大量分子碰撞固体微粒时，某一瞬时，固体微粒各方向所受液体分子的冲力，关于体积小的固体微粒表现出明显的不平稳性。正是这种不平稳性，产生了布朗运动。
在那个地点，提出科学假讲，建立物理模型，通过宏观实验，进行分析推理以得出微观结构及其运动特点的方法，关于得出正确结论是重要的。
同时，大量分子对固体微粒碰撞的冲力的不平稳性，冲力合力的方向的不确定性，还表达出
新的规律性。这种反映大量分子永不停息的无规那么运动的整体规律，称之为统计规律。
3．分子间的相互作用力
〔1〕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。
〔2〕引导同学们动手画F-r图象。先从横坐标r=r0开始〔r0是处于平稳状态时相邻分子间的
距离〕，分不画斥力〔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。
〔3〕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
〔4〕从本质上来讲，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确实是由这些带电粒子间的相互作用而引起的。〔也确实是讲分子力的本质是四种差不多相互作用中的电磁相互作用〕。
【例题3】下面关于分子力的讲法中正确的有：
A．铁丝专门难被拉长，这一事实讲明铁丝分子间存在引力
B．水专门难被压缩，这一事实讲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专门难再压缩，这一事实讲明这时空气分子间表现为斥力
D．磁铁能够吸引铁屑，这一事实讲明分子间存在引力
解：A、B正确。不管如何样压缩，气体分子间距离一定大于r0，因此气体分子间一定表现为引力。空气压缩到一定程度专门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，应该用压强增大讲明，因此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，因此D也不正确。
4．物体的内能
〔1〕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。
〔2〕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。〕
由分子力曲线能够得出：当r=r0即分子处于平稳位置时分子势能最小。不论r从r0增大依旧减小，分子势能都将增大。假如以分子间距离为无穷远时分子势能为零，那么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。
〔3〕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。
【例题4】假如取两个分子相距无穷远时的分子势能为零，下面讲法中正确的有
A．当两分子间距在r0和10r0之间时，分子势能一定为负值
B．当两分子间距为r0时，分子势能一定为零
C．当两分子间距为r0时，分子势能最小且为负值
D．当两分子间距小于r0时，分子势能可能为正值
解：假设取两分子相距无穷远时分子势能为零，那么当两分子间距在r0到10r0之间时，分子
力表现为引力，分子势能随间距的减小而减小〔现在分子力做正功〕。而当分子间距小于r0时，
分子力表现为斥力，分子势能随间距的减小而增大〔现在分子力做负功〕。由此可知：选项A、C正确。在分子间距小于r0到一定值以后，将会显现分子势能为正值的情形，因此，选项D也成立。故应选A、C、D。
小结：各位置分子势能的大小关系是绝对的．然而，是正值依旧负值却跟零势能点的规定有关。
5．热力学第一定律
做功和热传递都能改变物体的内能。也确实是讲，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是有区不的：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加上物体从外界吸取的热量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；当物体温度升高ΔU为正，物体温度降低ΔU为负；ΔU为正表示物体内能增加，ΔU为负表示物体内能减小。
【例题5】以下讲法中正确的选项是
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取了热量
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
解：吸热后物体温度不一定升高，如冰融解为水或水沸腾时都需要吸热，而温度不变，这时吸热后物体内能的增加表现为分子势能的增加，因此A不正确。做功也能够使物体温度升高，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，因此B不正确。冰化为水时要吸热，内能中的分子动能不变，但分子势能增加，因此内能增加，因此C不正确。水沸腾时要吸热，内能中的分子动能不变但分子势能增加，因此内能增大，D正确。
6．能量守恒定律
能量守恒定律指出：能量即可不能凭空产生，也可不能凭空消逝，它只能从一种形式转化为不的形式，或者从一个物体转移到不的物体，在转化或转移的过程中其总量不变。
【例题6】〝奋进号〞航天飞机进行过一次太空飞行，其要紧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%，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刻在地球的阴影内，因此在它能发电的时刻内将把所发电的一部分储存在蓄电池内。由以上数据，估算那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差不多不变，确实是地日距离R0。太阳的辐射功率应视为平均分布在以太阳为圆心，地日距离为半径的球面上，由此能够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刻能够发电，因此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
〔1〕热传导的方向性。热传导的过程是有方向性的，那个过程能够向一个方向自发地进行〔热量会自发地从高温物体传给低温物体〕，然而向相反的方向却不能自发地进行。
〔2〕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，从单一热源吸取热量全部用来做功，而不引起其它变化的热机称为第二类永动机。
这讲明机械能和内能转化过程具有方向性：机械能能够全部转化成内能，内能却不能全部转化成机械能。
物体的内能和机械能之间要紧区不有如下几点：
①对应着不同的研究对象和物理运动形式。
机械能对应于宏观物体的机械运动，而物体的内能对应于大量分子的热运动，是大量分子的集体表现，是统计平均的结果。
②对应着不同的相互作用力。
机械能对应于万有引力和弹簧弹力；而物体的内能对应于静电力。
③数值的确定依据和方法不同。
〔3〕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取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：自然界种进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性。它揭示了有大量分子参与的宏观过程的方向性，使它成为独立于热力学第一定律的一个重要的自然规律。
〔4〕能量耗散。自然界的能量是守恒的，然而有的能量便于利用，有些能量不便于利用。专门多事例证明，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。
【例题7】如下图容器中，A、B各有一个可自由移动的轻活塞，活塞下方是水，上方为空气，大气压恒定．A、B底部由带有阀门K的管道相连，整个装置与外界绝热。原先A中水面比B中高，打开阀门，使A中的水逐步向B中流，最后达到平稳。在那个过程中，下面哪个讲法正确？
A．大气压力对水做功，水的内能增加
B．水克服大气压力做功，水的内能减少
C．大气压力对水不做功，水的内能不变
D．大气压力对水不做功，水的内能增加
解：确定连通器中的水〔系统〕为研究对象。
由于涉及系统内能是否变化，因此应从热传递和做功两个方面进行。
由题中给出的条件可知：整个装置与外界绝热，因此不发生热传递。
同时，连通器中的水应受到连通器壁和器底的弹力，大气通过活塞施加的大气压力，以及由
于整个系统在地面而受到的重力。逐一判定各力的做功情形可知：
连通器对水的作用力，因无宏观位移或位移与力的方向垂直而对水不做功。
再看大气压力的功．打开阀门K后，依照连通器原理，最后A、B两管中的水面相平。设A管的横截面积为S1，水面下降的高度为h1，B管的横截面积为S2，水面上升的高度为h2。如下图。由于水的总体积保持不变，故有S1h1=S2h2。
A管中的水受向下的大气压力下降，大气压力做正功为W1=P0S1h1。B管中的水受到向下的压力，但水面上升，大气压力做负功为W2=-P0S2h2。那么大气压力对水所做的总功W=W1+W2=0。即大气压力对水不做功。
至于重力对水所做的功，如图能够看到：水从A管流到B管，最后水面相平，最终的成效是A管中高度为h1的水柱移到B管中成为高度为h2的水柱，其重心的高度下降，因此，在那个过程中水所受重力对水做正功。
据热力学第一定律：△E=W+Q可知：水所受各力的合功为正功，传递的热量为零，因此，水的内能应增加。故应选D。
小结：关于有关系统内能变化的咨询题，应依照热力学第一定律，认真分析系统所受外力做功和热传递的情形，综合运用各方面的知识，有步骤地求解。
二、气体的体积、压强、温度间的关系
1．气体的状态参量
〔1〕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差不多量之一，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，摄氏度不再采纳过去的定义。
两种温度间的关系能够表示为：T=t+273.15K和ΔT=Δt，要注意两种单位制下每一度的间隔是相同的。
0K是低温的极限，它表示所有分子都停止了热运动。能够无限接近，但永久不能达到。
〔2〕体积。气体总是充满它所在的容器，因此气体的体积总是等于盛装气体的容器的容积。
〔3〕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斥力讲明！〕
一样情形下不考虑气体本身的重量，因此同一容器内气体的压强处处相等。但大气压在宏观上能够看成是大气受地球吸引而产生的重力而引起的。〔例如在估算地球大气的总重量时能够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=1.013×105Pa=760mmHg；1mmHg=133.3Pa。
2．气体分子动理论
〔1〕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柔弱。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每个气体分子的运动是杂乱无章的，但对大量分子的整体来讲，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，能够求出那个温度下该种气体分子的平均速率。
〔2〕用分子动理论讲明气体压强的产生〔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。
3．气体的体积、压强、温度间的关系〔新大纲只要求定性介绍〕
一定质量m 的〔摩尔质量M 一定〕理想气体能够用力学参量压强〔P 〕、几何参量体积〔V 〕和热学参量温度〔T 〕来描述它所处的状态，当P 、V 、T 一定时，气体的状态是确定的，当气体状态发生变化时，至少有两个参量要发生变化。
〔1〕一定质量的气体，在温度不变的情形下，体积减小时，压强增大，体积增大时，压强减小。
〔2〕一定质量的气体，在压强不变的情形下，温度升高，体积增大。
〔3〕一定质量的气体，在体积不变的情形下，温度升高，压强增大。
4．气体压强的定性分析
气体压强的确定要依照气体所处的外部条件，往往需要利用跟气体接触的液柱和活塞等物体的受力情形和运动情形分析。
【例题8】如图为医院为病人输液的部分装置，图中A 为输液瓶，B 为滴壶，C 为进气管，与大气相通。那
么在输液过程中〔瓶A 中尚有液体〕，以下讲法正确的选项是：①瓶A 中上方气体的压强随液面的下降而增大；
②瓶A 中液面下降，但A 中上方气体的压强不变；③滴壶B 中的气体压强随A 中液面的下降而减小；④在瓶中
药液输完往常，滴壶B 中的气体压强保持不变
A ．①③
B ．①④
C ．②③
D ．②④
解：进气管C 端的压强始终是大气压P 0，设输液瓶A 内的压强为P A ，能够得到P A =P 0-ρgh ，因此P A 将随着
h 的减小而增大。滴壶B 的上液面与进气管C 端的高度差不受输液瓶A 内液面变化的阻碍，因此压强不变。选B 。
【例题9】两端封闭的平均直玻璃管竖直放置，内用高h 的汞柱把管内空气分为上下两部分，静止时两段空
气柱的长均为L ，上端空气柱压强为P 1=2ρgh (ρ为水银的密度)。当玻璃管随升降机一起在竖直方向上做匀变速运动时，稳固后发觉上端空气柱长减为2L /3。那么以下讲法中正确的选项是
A ．稳固后上段空气柱的压强大于2ρgh
B ．稳固后下段空气柱的压强小于3ρgh
C ．升降机一定在加速上升
D ．升降机可能在匀减速上升
解：系统静止时下段空气柱的压强是3ρgh 。做匀变速运动稳固后上段空气柱体积减小讲明其压强增大，而
下段空气柱体积增大，讲明其压强减小。由水银柱的受力分析可知，其合力方向向下，因此加速度向下，可能匀
加速下降，也可能匀减速上升。选ABD 。
【例题10】在一个固定容积的密闭容器中，加入3L 的X (g)和2L 的Y(g)，在一定条件下这两种气体发生反应而生成另两种气体：4X (g)+3Y(g)2Q(g)+n R(g)，达到平稳后，容器内温度不变，而混合气体的压强比原先增大，那么该反应方程中的n 值可能为
A ．3
B ．4
C ．5
D ．6
解：由于反应前后所有物质差不多上气态，设反应前后的总的物质的量分不为N 1、N 2，由于在一定温度和体积下，气体的压强和气体物质的量成正比，因此生成物的物质的量应该大于反应前的物质的量，只能取n =6，选D 。
5．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：〔1〕ΔU 仅由温度决定，升温时为正，降温时为负；〔2〕W 仅由体积决定，压缩时为正，膨胀时为负；〔3〕Q 由ΔU 和W 共同决定；〔4〕在绝热情形下Q =0，因此有ΔU=W 。
【例题11】钢瓶内装有高压氧气。打开阀门氧气迅速从瓶口喷出，当内外气压相等时赶忙关闭阀门。过一段时刻后再打开阀门，会可不能再有氧气逸出？
解：第一次打开阀门氧气〝迅速〞喷出，是一个绝热过程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定低于外界温度，而压强
等于外界大气压；〝过一段时刻〞通过热交换，钢瓶内氧气的温度又和外界温度相同了，由于体积未变，因此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。
【例题12】一定质量的理想气体由状态A 通过A→B →C →A 的循环过程〔A→B 为等温线〕，其中那些时期是吸热的，那些阶是放热的？整个过程是吸热依旧放热？ L L
h
解：第一能够判定C状态下气体温度较高。依照热力学第一定律分时期列表进行分析如下：各时期都应先依照温度和体积的变化确定ΔU和W的正负，再依照ΔU=Q+W确定Q的正负。全过程始末温度相同，因此内能相同，但由图可知：W=FS=PΔV 〔气体做功等于P-V曲线下到横轴间的面积〕，由图可见A→B时期气体对外界做功少，C→A时期外界对气体做功多，B→C 时期气体体积不变W=0，因此全过程外界对气体作正功，气体必定放热。结论是A→B、B→C气体吸热；C→A和全过程气体放热。
ΔU W Q
A→B0 －+
B→C+ 0 +
C→A－+ －
全过程0 + －