分子动理与热力学定律备考建议

■河南省平顶山市一中 许彦廷

分子动理与热力学定律备考建议

■河南省平顶山市一中 许彦廷

选修3-3是2017年高考两个选考模块之一,备考2017年高考,同学们需要掌握的选修3-3中有关分子动理论与热力学定律的主要内容包括以下五个方面。

一、分子动能

1.分子由于运动而具有的能叫分子动能。物体内部各个分子的运动速度大小不一,所以各个分子的动能也有大有小,且同一个分子的运动速度时刻变化,因此研究一个分子的动能没有实际意义。

2.物体中所有分子的动能的平均值叫分子热运动的平均动能。温度是分子热运动剧烈程度的标志,是大量分子热运动的平均动能的标志,温度越高分子热运动的平均动能越大。温度是一个宏观量,对个别分子讲温度是没有意义的。

3.分子热运动的平均动能与物体宏观机械运动的速度无关。

关于分子的动能,下列说法中正确的是( )。

A.物体运动的速度大,物体中分子的动能一定大

B.物体的温度升高,物体中每个分子的动能都增大

C.物体的温度降低,物体中所有分子热运动的平均动能一定减小

D.物体的温度是0℃时,物体中所有分子热运动的平均动能为零

解析:物体中的分子热运动与物体的宏观机械运动无关,因此物体运动的速度大,物体中分子的动能不一定大,选项A错误。物体的温度升高(降低),物体中所有分子的平均动能一定增大(减小),但不能确定某一个分子的动能是否增大(减小),选项B错误、C正确。物体的温度是0℃时,分子的热运动并不会停止,因此分子热运动的平均动能不为零,选项D错误。答案为C。

二、分子势能

1.分子间具有由它们的相对位置所决定的势能,叫分子势能。分子势能的变化用分子力做功来量度。分子力做正功,分子势能减小;分子力做负功,分子势能增大。

2.分子势能与物体的体积有关。当分子间距r>r0时,分子势能随体积的增大(减小)而增大(减小);当分子间距r

关于分子势能,下列说法中正确的是( )。

A.物体的温度越高,物体中的分子势能越大

B.物体的体积越大,物体中的分子势能越大

C.当分子间的作用力减小时,分子势能必定减小

D.当分子间的作用力表现为斥力时,分子间距越小,分子势能越大

解析:分子势能与物体的温度无关,选项A错误。若在分子间距rr0区域内,物体的体积增大,则分子力做负功,分子势能增大。因此选项B错误。当分子间的作用力减小时,分子力是做正功还是做负功无法确定,因此选项C错误。当分子间的作用力表现为斥力时,分子间距减小,则分子力做负功,分子势能一定增大,选项D正确。答案为D。

三、物体的内能

1.物体中所有分子热运动的动能和分子势能的总和叫物体的内能。物体的内能与物质的量、温度和体积等三个因素有关。

2.内能和机械能是两种不同形式的能。内能是由大量分子的热运动和分子间相对位置所决定的能量。机械能是由物体做机械运动和物体发生形变所决定的能量。机械能可以等于零,而内能永远不会等于零。物体可以同时具有内能和机械能。在一定条件下,物体的内能和机械能可以相互转化。

3.做功和热传递是改变内能的两种方式。做功是其他形式的能与内能的相互转化过程,内能的改变量可以用做功的数值来量度;热传递是物体间内能的转移过程,内能的转移量用热量来量度。

关于物体的内能,下列说法中正确的是( )。

A.质量和温度相同的物体,其内能一定相同

B.一定量0℃的水结成0℃的冰,其内能一定减小

C.若外界对物体做功,则物体的内能一定增加

D.物体不从外界吸收热量,其内能也可能增加

解析:物体的内能取决于温度、体积和物质的量等三个因素,故选项A错误。当一定量0℃的水结成0℃的冰时,将放出热量,该过程中分子热运动的平均动能不变,分子势能减小,使得内能减小,选项B正确。当外界对物体做功时,若物体同时放出热量,则其内能不一定增加,选项C错误。物体不从外界吸收热量,但可以通过对其做功,使得物体的内能增加,选项D正确。答案为BD。

四、热力学第一定律

1.一个热力学系统的内能增量ΔU等于外界向它传递的热量Q和外界对它所做的功W的和,这个关系叫热力学第一定律。表达式为ΔU=Q+W。

2.能量既不会凭空产生,也不会凭空消失,它只能从一种形式转化为另一种形式,或者从一个物体转移到别的物体,在转化或转移的过程中其总量不变,这个规律叫能量守恒定律。

3.物质的不同运动形式对应着不同形式的能,各种形式的能可以在一定条件下相互转化或转移。

图1

如图1所示,两个相通的容器P、Q间装有阀门K。容器P内充满气体,容器Q内为真空,整个系统与外界没有热交换。打开阀门K后,容器P中的气体进入容器Q中,最终达到平衡,则( )。

A.气体体积膨胀,内能不变

B.气体分子势能减小,内能增加

C.气体分子势能增加,压强可能不变

D.气体体积膨胀,内能减小

解析:气体在真空中自由膨胀,对外不做功,故由热力学第一定律ΔU=W+Q可得,气体的内能不变,选项A正确,B、D错误。气体的体积增大,压强减小,故选项C错误。答案为A。

注意:虽然体积与分子势能有关,但却不能说体积增大,分子势能就增大或减小,也不能说体积增大就一定对外做功。做功和热传递,这两种方式都能改变物体的内能,但二者在本质上是不同的。做功过程是其他形式的能与内能之间的转化,而热传递是内能的转移,其能量的形式没有改变。

图2

如图2所示是用导热性能良好的材料制成的气体实验装置,开始时封闭的空气柱长度为22cm。现用竖直向下的外力F压缩气体,使封闭的空气柱长度变为2cm,人对活塞做功100J,大气压强p0=1×

105Pa,不计活塞的重力,活塞的横截面积S=1cm2。问:

(1)若用足够长的时间缓慢压缩气体,求压缩后气体的压强。

(2)若以适当的速度压缩气体,向外散失的热量为20J,则气体的内能增加多少?

解析:(1)因为缓慢压缩气体,所以气体温度保持不变。设压缩后气体的压强为p,则根据玻意耳定律得p0V0=pV,由题意得l0=22cm,l=2cm,V0=l0S,V=lS,解得p=1.1×106Pa。

(2)大气压力对活塞做功W1=p0S(l0-l)=2J,人对活塞做功W2=100J,外界向气体传递的热量Q=-20J,根据热力学第一跟踪训练定律得气体内能的增加量ΔU=W1+W2+ Q=82J。

五、热力学第二定律

1.热力学第二定律的两种表述:第一种,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;第二种,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。

2.热力学第二定律的第一种表述是按照热传导过程的方向性表述的,第二种表述则是按照机械能与内能转化过程的方向性来表述的。这两种表述是等价的,都揭示了自然界的基本规律,即一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的。

3.第一类永动机和第二类永动机都是不可制成的,但两者不能制成的原因不同。第一类永动机不能制成是因为其违背能量守恒定律;第二类永动机并不违背能量守恒定律,但与热力学第二定律相矛盾,即违背与热现象有关的宏观过程不可逆的原则。

根据热力学定律,下列判断正确的是( )。

A.我们可以把火炉散失到周围环境中的能量全部收集到火炉中再次用来取暖

B.满足能量守恒定律的过程都可以自发地进行

C.冰箱的制冷系统能将冰箱内的热量传给外界较高温度的空气,而不引起其他变化

D.气体分子自发的扩散运动只能向着分子均匀分布的方向进行

解析:火炉通过能量耗散把内能传递到大气中去,变为大气的内能,根据热力学第二定律可知,这些能量不可能再全部收集到火炉中,故选项A错误。自然界中与热现象有关的宏观过程既要满足能量守恒定律又要满足热力学第二定律,故选项B错误。根据热力学第二定律可知,冰箱的制冷系统将冰箱内的热量传给外界较高温度的空气的时候需要电流做功,气体分子自发的扩散运动只能向着分子均匀分布的方向进行,故选项C错误,D正确。答案为D。

点评:理解热力学第二定律方向性的意义时,应该明确逆向过程不是不可进行,而是会引起其他方面的变化。理解热量不可能从低温物体传到高温物体而不引起其他变化的具体含义时,应该明确热量可能由低温物体传递到高温物体,但要产生其他影响。

图3

1.如图3所示,将完全相同的A、B两球分别浸没在初始温度相同的水和水银的同一深度处。已知A、B两球用同一种特殊的材料制成,当温度稍微升高时,球的体积会明显变大。现让两种液体的温度同时缓慢地升高到同一值,发现两球膨胀后,体积相等。若忽略绳子、水和水银由于温度的变化而引起的体积膨胀,则以下判断正确的是( )。

A.因为同一深度处水的压强较小,所以A球在膨胀过程中对外做的功较多

B.因为同一深度处水银的压强较大,所以B球在膨胀过程中内能增加较多

C.在膨胀过程中,A球吸引的热量较多D.在膨胀过程中,B球吸收的热量较多

图4

2.如图4所示,一演示用的“永动机”转轮由五根轻杆和转轴构成,轻杆的末端装有用形状记忆合金制成的叶片。轻推转轮后,进入热水的叶片因伸展而“划水”,推动转轮转动。离开热水后,叶片形状迅速恢复,转轮因此能够较长时间转动。下列说法中正确的是( )。

A.转轮依靠自身惯性转动,不需要消耗外界能量

B.转轮转动所需能量来自形状记忆合金自身

C.转动的叶片不断搅动热水,水温升高

D.叶片在热水中吸收的热量一定大于释放在空气中的热量

参考答案:1.D 2.D

(责任编辑 张 巧)