分子動理論、熱和功及氣體狀態(tài)參量考點例析
本部分主要包括分子動理論、內(nèi)能、熱力學第一定律、熱力學第二定律、氣體的狀態(tài)參量及定性關系。在高考中多以選擇題、填空題的形式出現(xiàn),理科綜合一般只考一道選擇題,占分比例較小,試題難度屬于容易題或中檔題,因此只要能識記和理解相關知識點,得到本部分試題的分數(shù)并不困難。
一、夯實基礎知識
4、深刻理解物體內(nèi)能的概念
⑴做熱運動的分子具有的動能叫分子動能。溫度是物體分子熱運動的平均動能的標志。溫度越高,分子做熱運動的平均動能越大。
⑵由分子間相對位置決定的勢能叫分子勢能。分子力做正功時分子勢能減。环肿恿ψ髫摴r分子勢能增大。(所有勢能都有同樣結論:重力做正功重力勢能減小、電場力做正功電勢能減小。)
由上面的分析可以得出:當r=r0即分子處于平衡位置時分子勢能最小。不論r從r0增大還是減小,分子勢能都將增大。分子勢能與物體的體積有關。體積變化,分子勢能也變化。
⑶物體中所有分子做熱運動的動能和分子勢能的總和叫做物體的內(nèi)能。
5、掌握熱力學第一定律
做功和熱傳遞都能改變物體的內(nèi)能。也就是說,做功和熱傳遞對改變物體的內(nèi)能是等效的。但從能量轉(zhuǎn)化和守恒的觀點看又是有區(qū)別的:做功是其他能和內(nèi)能之間的轉(zhuǎn)化,功是內(nèi)能轉(zhuǎn)化的量度;而熱傳遞是內(nèi)能間的轉(zhuǎn)移,熱量是內(nèi)能轉(zhuǎn)移的量度。
外界對物體所做的功W加上物體從外界吸收的熱量Q等于物體內(nèi)能的增加ΔU,即ΔU=Q+W 這叫做熱力學第一定律。
在這個表達式中,當外界對物體做功時W取正,物體克服外力做功時W取負;當物體從外界吸熱時Q取正,物體向外界放熱時Q取負;ΔU為正表示物體內(nèi)能增加,ΔU為負表示物體內(nèi)能減小。
6、掌握熱力學第二定律
(1)熱傳導的方向性。熱傳導的過程是有方向性的,這個過程可以向一個方向自發(fā)地進行(熱量會自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體),但是向相反的方向卻不能自發(fā)地進行。
(2)第二類永動機不可能制成。我們把沒有冷凝器,只有單一熱源,從單一熱源吸收熱量全部用來做功,而不引起其它變化的熱機稱為第二類永動機。這表明機械能和內(nèi)能的轉(zhuǎn)化過程具有方向性:機械能可以全部轉(zhuǎn)化成內(nèi)能,內(nèi)能卻不能全部轉(zhuǎn)化成機械能。
(3)熱力學第二定律的表述:①不可能使熱量由低溫物體傳遞到高溫物體,而不引起其他變化(按熱傳導的方向性表述)。②不可能從單一熱源吸收熱量并把它全部用來做功,而不引起其他變化(按機械能和內(nèi)能轉(zhuǎn)化過程的方向性表述)。③第二類永動機是不可能制成的。
熱力學第二定律使人們認識到:自然界各種進行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性。它揭示了有大量分子參與的宏觀過程的方向性,使得它成為獨立于熱力學第一定律的一個重要的自然規(guī)律。
(4)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。很多事例證明,我們無法把流散的內(nèi)能重新收集起來加以利用。這種現(xiàn)象叫做能量的耗散。它從能量轉(zhuǎn)化的角度反映出自然界中的宏觀現(xiàn)象具有方向性。
8、掌握氣體的狀態(tài)參量
(1)溫度:溫度在宏觀上表示物體的冷熱程度;在微觀上是分子平均動能的標志。
熱力學溫度是國際單位制中的基本量之一,符號T,單位K(開爾文);攝氏溫度是導出單位,符號t,單位℃(攝氏度)。關系是t=T-T0,其中T0=273.15K,攝氏度不再采用過去的定義。
兩種溫度間的關系可以表示為:T = t+273.15K和ΔT =Δt,要注意兩種單位制下每一度的間隔是相同的。
0K是低溫的極限,它表示所有分子都停止了熱運動?梢詿o限接近,但永遠不能達到。
(2)體積。氣體總是充滿它所在的容器,所以氣體的體積總是等于盛裝氣體的容器的容積。
(3)壓強。氣體的壓強是由于氣體分子頻繁碰撞器壁而產(chǎn)生的。(絕不能用氣體分子間的斥力解釋。
一般情況下不考慮氣體本身的重力,所以同一容器內(nèi)氣體的壓強處處相等。但大氣壓在宏觀上可以看成是大氣受地球吸引而產(chǎn)生的重力而引起的。
壓強的國際單位是帕,符號Pa
常用的單位還有標準大氣壓(atm)和毫米汞柱(mmHg)。
它們間的關系是:1 atm=1.013×105Pa=760 mmHg; 1 mmHg=133.3Pa。
9、氣體的體積、壓強、溫度間的關系。
(1)一定質(zhì)量的氣體,在溫度不變的情況下,體積減小,壓強增大。
(2)一定質(zhì)量的氣體,在壓強不變的情況下,溫度升高,體積增大。
(3)一定質(zhì)量的氣體,在體積不變的情況下,溫度升高,壓強增大。
問題1:應弄清分子運動與布朗運動的關系
布朗運動是大量液體分子對固體微粒撞擊的集體行為的結果,個別分子對固體微粒的碰撞不會產(chǎn)生布朗運動。布朗運動的激烈程度與固體微粒的大小、液體的溫度等有關。固體微粒越小,液體分子對它各部分碰撞的不均勻性越明顯;質(zhì)量越小,它的慣性越小,越容易改變運動狀態(tài),所以運動越激烈。液體溫度越高,固體微粒周圍的液體分子運動越不規(guī)則,對微粒碰撞的不均勻性越明顯,布朗運動越激烈。但要注意布朗運動是懸浮的固體微粒的運動,不是單個分子的運動,但布朗運動證實了周圍液體分子的無規(guī)則運動。
二、解析典型問題
例1、下列關于布朗運動的說法中正確的是( )
A.布朗運動是指在顯微鏡下觀察到的組成懸浮顆粒的固體分子的無規(guī)則運動;
B.布朗運動是指在顯微鏡下觀察到的懸浮固體顆粒的無規(guī)則運動;
C.布朗運動是指液體分子的無規(guī)則運動;
D.布朗運動是指在顯微鏡下直接觀察到的液體分子的無規(guī)則運動。
顯然正確答案為B。
問題2:應弄清分子力與分子引力和斥力的關系。
分子之間雖然有空隙,大量分子卻能聚集在一起形成固體或液體,說明分子之間存在著引力。分子間有引力,而分子間有空隙,沒有緊緊吸在一起,說明分子間還存在著斥力。分子間同時存在著引力和斥力。分子之間同時存在著引力和斥力,都隨分子之間距離的變化而變化。但是,由于斥力比引力變化得快,便出現(xiàn)了“斥力大于引力”、“斥力和引力恰好相等”、“引力大于斥力”的情況;當r很大時,可以認為引力和斥力均“等于零”等情況。而分子力是指分子引力和斥力的合力,分子間距離為r0時分子力為零,并不是分子間無引力和斥力。
例2、若把處于平衡狀態(tài)時相鄰分子間的距離記為r0,則下列關于分子間的相互作用力的說法中正確的是 ( )
A.當分子間距離小于r0時,分子間作用力表現(xiàn)為斥力;
B.當分子間距離大于r0時,分子間作用力表現(xiàn)為引力;
C.當分子間距離從r0逐漸增大時,分子間的引力增大;
D.當分子間距離小于r0時,隨著距離的增大分子力是減小的
顯然正確答案為A、B。
問題3: 應弄清分子力做功與分子勢能變化的關系
與重力、彈力相似,分子力做功與路徑無關,可以引進分子勢能的概念。分子間所具有的勢能由它們的相對位置所決定。分子力做正功時分子勢能減小,分子力做負功時分子勢能增加。通常選取無窮遠處(分子間距離r>r0處)分子勢能為零。當兩分子逐漸移近時(r>r0),分子力做正功,分子勢能減。划敺肿泳嚯xr=r0時,分子勢能最小(且為負值);當兩分子再靠近時(r<r0),分子力做負功,分子勢能增大。
例3、分子甲和乙相距較遠時,它們之間的分子力可忽略。現(xiàn)讓分子甲固定不動,將分子乙由較遠處逐漸向甲靠近直到不能再靠近,在這一過程中( )
A、分子力總是對乙做正功;
B、分子乙總是克服分子力做功;
C、先是分子力對乙做正功,然后是分子乙克服分子力做功;
D、分子力先對乙做正功,再對乙做負功,最后又對乙做正功。
顯然正確答案為C。
問題4:應弄清溫度與分子動能的關系
物質(zhì)分子由于不停地運動而具有的能叫分子動能。分子的運動是雜亂的。同一物體內(nèi)各個分子的速度大小和方向是不同的。從大量分子的總體來看,速率很大和速率很小的分子數(shù)比較少,具有中等速率的分子數(shù)比較多。在研究熱現(xiàn)象時,有意義的不是一個分子的動能,而是大量分子的平均動能。從分子動理論觀點來看,溫度是物體分子熱運動平均動能的標志,溫度越高,分子的平均動能就越大;反之亦然。注意同一溫度下,不同物質(zhì)分子的平均動能都相同,但由于不同物質(zhì)的分子質(zhì)量不盡相同,所以分子運動的平均速率不盡相同。
例4、質(zhì)量相同、溫度相同的氫氣和氧氣,它們的(。
A.分子數(shù)相同; B.內(nèi)能相同 ;
C.分子平均速度相同 ; D.分子的平均動能相同。
顯然正確答案為D。
例5、關于溫度的概念,下列說法中正確的是( )
A.溫度是分子平均動能的標志,物體溫度高,則物體的分子平均動能大;
B.物體溫度高,則物體每一個分子的動能都大;
C.某物體內(nèi)能增大時,其溫度一定升高;
D.甲物體溫度比乙物體溫度高,則甲物體的分子平均速率比乙物體大.
顯然正確答案為A。
問題5:應弄清物體的內(nèi)能與狀態(tài)參量的關系
物體的內(nèi)能是指組成物體的所有分子熱運動的動能與分子勢能的總和。由于溫度越高,分子平均動能越大,所以物體的內(nèi)能與物體的溫度有關;由于分子勢能與分子間距離有關,分子間距離又與物體的體積有關,所以物體的內(nèi)能與物體的體積有關;由于物體的摩爾數(shù)不同,物體包含的分子數(shù)目就不同,分子熱運動的總動能與分子勢能的總和也會不同,所以物體的內(nèi)能與物體的摩爾數(shù)有關?傊,物體內(nèi)能的多少與物體的溫度、體積和摩爾數(shù)有關。
對于理想氣體來說,由于分子之間沒有相互作用力,就不存在分子勢能。因此,理想氣體的內(nèi)能就是氣體所有分子熱運動的動能的總和。理想氣體的內(nèi)能只跟理想氣體的質(zhì)量、溫度有關,而與理想氣體的體積無關。即理想氣體的質(zhì)量和溫度保持不變,其內(nèi)能就保持不變。
例6、關于物體內(nèi)能,下列說法中正確的是
A. 相同質(zhì)量的兩個物體,升高相同的溫度內(nèi)能增量一定相同;
B. 在一定條件下,一定量00C的水結成00C的冰,內(nèi)能一定減;
C. 一定量的氣體體積增大,但既不吸熱也不放熱,內(nèi)能一定減;
D. 一定量氣體吸收熱量而保持體積不變,內(nèi)能一定減小。
分析與解:升高相同的溫度,分子的平均動能增量相同,而物體的內(nèi)能是物體內(nèi)所有的分子的動能和勢能的總和。分子的平均動能增量相同,分子數(shù)不同,分子的勢能也不一定相同,所以內(nèi)能增量一定相等是不正確的,即A錯。00C水變成00C冰,需放出熱量,因溫度不變,所以分子的動能不變,分子的勢能就必須減少,因而內(nèi)能就一定減少,即B正確。一定質(zhì)量的氣體體積增大,氣體對外做功,又因不吸熱不放熱,所以,內(nèi)能一定減少,即C正確。對一定量氣體吸熱但體積不變,即不對外做功,外界也不對氣體做功,內(nèi)能一定增加,即D錯。
問題6:應弄清物體的內(nèi)能的變化與做功、熱傳遞的關系
改變物體的內(nèi)能的途經(jīng)就是改變物體的分子動能和分子勢能,最終達到改變物體的內(nèi)能。能夠改變物體內(nèi)能的物理過程有兩種:做功和熱傳遞。
做功使物體的內(nèi)能發(fā)生變化的時候,內(nèi)能的變化可以用功的數(shù)值來量度。外界對物體做多少功,物體的內(nèi)能就增加多少;物體對外界做多少功,物體的內(nèi)能就減少多少。
熱傳遞使物體的內(nèi)能發(fā)生變化的時候,內(nèi)能的變化是用熱量來量度的。外界傳遞物體多少熱量,或者說物體吸收了多少熱量,物體的內(nèi)能就增加多少;物體傳遞給外界多少熱量,或者說物體放出了多少熱量,物體的內(nèi)能就減小多少。
做功和熱傳遞對改變物體的內(nèi)能是等效的。功和熱量都可以用來量度內(nèi)能的變化。它們的區(qū)別是:做功是其它形式的能(如:電能、機械能……)和內(nèi)能之間的轉(zhuǎn)化;熱傳遞是物體之間內(nèi)能的轉(zhuǎn)移。
例7、如圖1所示,固定容器及可動活塞P都是絕熱的,中間有一導熱的固定隔板B,B的兩邊分別盛有氣體甲和乙,F(xiàn)將活塞P緩慢地向B移動一段距離,已知氣體的溫度隨其內(nèi)能的增加而升高。則在移動P的過程中
A.外力對乙做功;甲的內(nèi)能不變;
B.外力對乙做功;乙的內(nèi)能不變;
C.乙傳遞熱量給甲; 乙的內(nèi)能增加 ;
D.乙的內(nèi)能增加;甲的內(nèi)能不變。
分析與解:在移動P的過程中,外界對乙氣體做功,乙的內(nèi)能要增加,所以乙的溫度要升高.乙的溫度升高后,甲、乙兩部分氣體就存在溫度差,乙的溫度較高,這樣乙傳遞熱量給甲。所以正確答案為C。
例8、有關物體內(nèi)能,以下說法中正確的是:
A.1g00c水的內(nèi)能比1g00c冰的內(nèi)能大;
B.電流通過電阻后電阻發(fā)熱切,它的內(nèi)能增加是通過“熱傳遞”方式實現(xiàn)的;
C.氣體膨脹,它的內(nèi)能一定減少;
D.橡皮筋被拉伸時,分子間熱能增加。
分析與解:00c的水和00c的冰分子平均動能相同,但內(nèi)能并不相同,水結成冰必然放出熱量,說明相同質(zhì)量的水的內(nèi)能大,A選項對。電阻發(fā)熱是由于電流做功而不是熱傳遞,B選項錯。氣體膨脹,對外做功,但可能吸收更多的熱量,C選項不對。橡皮筋被子拉伸時,分子克服分子力做功,所以分子間勢能增加,D選項對。
所以本題正確答案為AD。
問題7:會計算液體產(chǎn)生的壓強
計算液體產(chǎn)生壓強的步驟是:1選取假想的一個液體薄片(其自重不計)為研究對象;2分析液片兩側受力情況,建立力的平衡方程,消去橫截面積,得到液片兩側的壓強平衡方程;3解方程,求得氣體壓強。
例9、如圖2所示,粗細均勻的豎直倒置的U型管右端封閉,左端開口插入水銀槽中,封閉著兩段空氣柱1和2。已知h1=15cm,h2=12cm,外界大氣壓強p0=76cmHg,求空氣柱1和2的壓強。
分析與解:設空氣柱1和2的壓強分別為P1和P2,選水銀柱h1和下端管內(nèi)與水銀槽內(nèi)水銀面相平的液片a為究對象,根據(jù)帕斯卡定律,氣柱1的壓強P1通過水銀柱h1傳遞到液片a上,同時水銀柱h1由于自重在a處產(chǎn)生的壓強為h1cmHg,從而知液片a受到向下的壓力為(P1+h1)S,S為液片a的面積。液片a很薄,自重不計。液片受到向上的壓強是大氣壓強通過水銀槽中水銀傳遞到液片a的,故液片a受到向上的壓力為P0S.因整個水銀柱h1處于靜止狀態(tài),故液片a所受上、下壓力相等,即:(P1+h1).S=P0S
故氣柱1的壓強為P1=61cmHg.
通過氣柱2上端畫等高線AB,則由連通器原理可知PB=PA=P1。
再以水銀柱h2的下端面的液片b為研究對象,可求得空氣柱2的壓強為P2=73cmHg.
例10、圖3中豎直圓筒是固定不動的,粗筒橫截面積是細筒的4倍,細筒足夠長,粗筒中A、B兩輕質(zhì)活塞間封有空氣,氣柱長L=20cm。活塞A上方的水銀深H=10cm,兩活塞與筒壁間的摩擦不計,用外力向上托住活塞B,使之處于平衡狀態(tài),水銀面與粗筒上端相平,F(xiàn)使活塞B緩慢上移,直到水銀的一半被推入細筒中,求此時氣體的壓強。大氣壓強p0相當于75cm高的水銀柱產(chǎn)生的壓強。
分析與解:使活塞B緩慢上移,當水銀的一半被推入細筒中時,水銀柱的高度為H、=25cm,所以此時氣體的壓強為P2=P0+ρgH、=100cmHg.
問題8:會計算固體活塞產(chǎn)生的壓強
用固體(如活塞等)封閉在靜止容器內(nèi)的氣體壓強,應對固體(如活塞等)進行受力分析,然后根據(jù)平衡條件求解。
例11、如圖4所示,一個橫截面積為S的圓筒形容器豎直放置。金屬圓板A的上表面是水平的,下表面是傾斜的,下表面與水平面的夾角為θ,圓板的質(zhì)量為M,不計圓板與容器壁之間的摩擦,若大氣壓強為P0,則被封閉在容器內(nèi)的氣體的壓強P等于( )
A.P0 +
B.+
C.P0 +
D.P0 + 。
分析與解:設金屬圓板下表面的面積為S、,則S、=S/cosθ;被封閉氣體對圓板下表面的壓力為PS、,方向垂直下表面向上。
以圓板為研究對象,它受重力Mg、大氣壓力P0S、封閉氣體的壓力N1= PS、、容器右壁的壓力N2(注意:容器左壁對圓板無壓力),如圖5所示。
因圓板處于平衡狀態(tài),所受合力為零,在豎直方向上
的合力也為零,即
因為
所以
故應選D。
若選A和部分氣體為研究對象,則該題的解答非常簡單,受力圖如圖6所示。由平衡條件可得P=,計算過程非常簡單.
例12、如圖7,氣缸由兩個橫截面不同的圓筒連接而成.活塞A、B被輕剛性細桿連接在一起,可無摩擦移動.A、B的質(zhì)量分別為mA=12kg,mB=8.0kg,橫截面積分別為SA=4.0×10-2m2,SB=2.0×10-2m2.一定質(zhì)量的理想氣體被封閉在兩活塞之間.活塞外側大氣壓強P0=1.0×105Pa.
(1)氣缸水平放置達到如圖7所示的平衡狀態(tài),求氣體的壓強.
(2)現(xiàn)將氣缸豎直放置,達到平衡后如圖8所示.求此時氣體的壓強.取重力加速度g=10m/s2.
分析與解:(1)氣缸處于圖7位置時,設氣缸內(nèi)氣體壓強為P1,對于活塞和桿,據(jù)力的平衡條件有:
p0SA+p1SB=p1SA+p0SB
解得 p1=p0=1.0×105Pa
(2)氣缸處于圖8位置時,設氣缸內(nèi)氣體壓強為P2,對于活塞和桿,據(jù)力的平衡條件有:
P0SA+(mA+mB)g+P2SB=P2SA+P0SB
解得 P2=.
問題9:會根據(jù)熱力學第二定律判定熱學過程的可能性
例13、根據(jù)熱力學第二定律,可知下列說法中正確的有:
A.熱量能夠從高溫物體傳到低溫物體,但不能從低溫物體傳到高溫物體;
B.熱量能夠從高溫物體傳到低溫物體,也可能從低溫物體傳到高溫物體;
C.機械能可以全部轉(zhuǎn)化為熱量,但熱量不可能全部轉(zhuǎn)化為機械能;
D.機械能可以全部轉(zhuǎn)化為熱量,熱量也可能全部轉(zhuǎn)化為機械能。
分析與解:根據(jù)熱傳遞的規(guī)律可知熱量能夠從高溫物體傳到低溫物體;當外界對系統(tǒng)做功時,可以使系統(tǒng)從低溫物體吸取熱量傳到高溫物體上去,致冷機(如冰箱和空調(diào))就是這樣的裝置。但是熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體。選項A錯誤,B正確。
一個運動的物體,克服摩擦阻力做功,最終停止;在這個過程中機械能全部轉(zhuǎn)化為熱量。外界條件發(fā)生變化時,熱量也可以全部轉(zhuǎn)化為機械能;如在等溫膨脹過程中,系統(tǒng)吸收的熱量全部轉(zhuǎn)化為對外界做的功,選項C錯誤,D正確。
綜上所述,該題的正確答案是B、D。
例14、關于第二類永動機,下列說法正確的是:
A.沒有冷凝器,只有單一的熱源,能將從單一熱源吸收的熱量全部用來做功,而不引起其他變化的熱機叫做第二類永動機;
B.第二類永動機違反了能量守恒定律,所以不可能制成;
C.第二類永動機不可能制成,說明機械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,內(nèi)能卻不可能全部轉(zhuǎn)化為機械能;
D.第二類永動機不可能制成,說明機械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,內(nèi)能卻不可能全部轉(zhuǎn)化為機械能,同時不引起其他變化。
分析與解:根據(jù)第二類永動機的定義可A正確,第二類永動機不違反了能量守恒定律,是違反第二定律,所以B選項錯誤。機械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,內(nèi)能在引起其他變化時是可能全部轉(zhuǎn)化為機械能,所以C錯誤,D選項正確。
問題10:會根據(jù)能量守恒定律分析求解問題
例15、如圖9所示,直立容器內(nèi)部有被隔板隔開的A、B體積相同兩部分氣體,A的密度小,B的密度大,抽去隔板,加熱氣體使兩部分氣體均勻混合,設在此過程氣體吸熱Q,氣體的內(nèi)能增加為,則( )
A.; B.;
C.; D.無法比較。
分析與解:A、B氣體開始的合重心在中線下,混合均勻后在中線,所以系統(tǒng)重力勢能增大,由能量守恒有,吸收熱量一部分增加氣體內(nèi)能,一部分增加重力勢能。所以正確答案是B.
例16、如圖10所示的A、B是兩個管狀容器,除了管較粗的部分高低不同之外,其他一切全同。將此兩容器抽成真空,再同時分別插入兩個水銀池中,當水銀柱停止運動時,問二管中水銀的溫度是否相同?為什么?設水銀與外界沒有熱交換。
分析與解:不同。A管中水銀的溫度略高于B管中水銀的溫度。兩管插入水銀池時,大氣壓強均為P0,進入管中的水銀的體積均為V,所以大氣壓力對兩池中水銀所做的功相同,但兩裝置中水銀重力勢能的增量不同,所以兩者內(nèi)能改變量也不同。由圖可知,A管中水銀的重力勢能較小,所以A管中水銀的內(nèi)能增量較多,其溫度應略高。
問題11:會求解力熱綜合問題
例17、如圖11所示,在質(zhì)量為M的細玻璃管中盛有少量乙醚液體,用質(zhì)量為m的軟木塞將管口封閉。加熱玻璃管使軟木塞在乙醚蒸氣的壓力下水平飛出,玻璃管懸于長為L的輕桿上,細桿可繞上端O軸無摩擦轉(zhuǎn)動。欲使玻璃管在豎直平面內(nèi)做圓周運動,在忽略熱量損失的條件下,乙醚最少要消耗多少內(nèi)能?
分析與解:設活塞沖開瞬間,軟木塞和細玻璃管的速度分別為V1、V2,則據(jù)動量守恒定律可得:MV2-mV1=0,
玻璃管在豎直平面內(nèi)做圓周運動至少要達到最高點,此時速度V3=0.
對玻璃管根據(jù)機械能守恒定律可得:。
根據(jù)能量守恒得乙醚最少要消耗的內(nèi)能為:
。
問題12:會分析求解聯(lián)系實際的問題
例18、如圖12所示,鋼瓶內(nèi)裝有高壓氧氣。打開閥門氧氣迅速從瓶口噴出,當內(nèi)外氣壓相等時立即關閉閥門。過一段時間后再打開閥門,會不會再有氧氣逸出?
分析與解:第一次打開閥門氧氣“迅速”噴出,是一個絕熱過程Q=0,同時氧氣體積膨脹對外做功W<0,由熱力學第一定律ΔU<0,即關閉閥門時瓶內(nèi)氧氣溫度必然低于外界溫度,而壓強等于外界大氣壓;“過一段時間”經(jīng)過熱交換,鋼瓶內(nèi)氧氣的溫度又和外界溫度相同了,由于體積未變,所以瓶內(nèi)氧氣壓強將增大,即大于大氣壓,因此再次打開閥門,將會有氧氣逸出。
例19、 如圖13為醫(yī)院為病人輸液的部分裝置,圖中A為輸液瓶,B為滴壺,C為進氣管,與大氣相通。則在輸液過程中(瓶A中尚有液體),下列說法正確的是:①瓶A中上方氣體的壓強隨液面的下降而增大;②瓶A中液面下降,但A中上方氣體的壓強不變;③滴壺B中的氣體壓強隨A中液面的下降而減;④在瓶中藥液輸完以前,滴壺B中的氣體壓強保持不變
A.①③ B.①④ C.②③ D.②④
分析與解:進氣管C端的壓強始終是大氣壓p0,設輸液瓶A內(nèi)的壓強為pA,可以得到pA= p0-ρgh,因此pA將隨著h的減小而增大。滴壺B的上液面與進氣管C端的高度差不受輸液瓶A內(nèi)液面變化的影響,因此壓強不變。選B。
典型錯誤之一:忽視大氣壓力對系統(tǒng)所做的功。
三、警示易錯試題
例20、如圖14所示,內(nèi)部橫截面積為S的圓筒形絕熱容器,封有一定質(zhì)量的理想氣體,開口向上放在硬板上。設活塞質(zhì)量為m1,現(xiàn)有一質(zhì)量為m2的橡皮泥從距活塞上表面高為h1處的A點由靜止開始下落,碰到活塞后,隨活塞一起下降的最大距離為h2,若不計活塞與容器壁的摩擦,求容器內(nèi)氣體內(nèi)能的最大變化量是多少?
錯解:橡皮泥自由下落h1的過程中,機械能守恒。碰撞活塞時,動量守恒。橡皮泥和活塞一起下降過程中,由于容器絕熱減少的機械能都通過對氣體做功轉(zhuǎn)變成系統(tǒng)的內(nèi)能。
由機械能守恒得:
根據(jù)動量守恒得:
所以內(nèi)能的增量為:
分析糾錯:只有當物體的體積不發(fā)生變化時,大氣壓力對物體所做的功才為零。由于固體或液體的體積變化通常是可以忽略的,所以當研究對象是固體或液體時,不考慮大氣壓力的做功。但氣體體積容易發(fā)生顯著變化,大氣壓力做功必須考慮。對于本題由于氣體體積發(fā)生了變化,所以大氣壓力要對氣體做功。正確答案應為:
典型錯誤之二:忽視大氣壓對彈簧秤示數(shù)的影響。
例21、如圖15所示,兩根同樣的薄壁玻璃管A、B,管內(nèi)分別有一段長為h1、h2的水銀柱(h1<h2),懸掛在彈簧秤下,開口向下倒插在水銀槽中(管口與水銀槽底不接觸,且玻璃管中封閉有少量氣體),此時兩彈簧秤的讀數(shù)分別為F1和F2,則關于F1、F2的大小情況說法正確的是( )
A.F1=F2;
B.若溫度升高,但兩彈簧秤的讀數(shù)都不變。.
C.F1<F2
D.若外界大氣壓強增大,但兩彈簧秤的讀數(shù)都不變。
錯解:本題容易錯選BC。
分析糾錯:可以證明:F1=P0S+ρh1gS和F2=P0S+ρh2gS,所以有F1<F2;若溫度升高,玻璃管中封閉有少量氣體的壓強增大,所以h1和h2都減小,也就是兩彈簧秤的讀數(shù)都減;若外界大氣壓強增大,則h1和h2都增大,所以兩彈簧秤的讀數(shù)都增大。綜上所述,正確答案是C.
典型錯誤之三:誤把布朗微粒運動的折線圖當作軌跡。
例22、在觀察布朗運動時,從微粒在a點開始計時,間 隔30 s記下微粒的一個位置得到b、c、d、e、f、g等點,然后用直線依次連接,如圖16所示,則下列說法正確的是:
A.微粒在75s末時的位置一定在cd的中點;
B.微粒在75s末時的位置可能在cd的連線上,但不可能在cd中點;
C.微粒在前30s內(nèi)的路程一定等于ab的長度;
D.微粒在前30s內(nèi)的位移大小一定等于ab的長度。
錯解:本題容易錯選CD.
分析糾錯:b、c、d、e、f、g等分別粒子在t=30s、60s、90s、120s、150s、180s時的位置,但并不一定沿著折線abcdefg運動,所以正確答案只能是D.
典型錯誤之四:誤把自由膨脹當作等壓膨脹。
例23、如圖17所示的絕熱容器,把隔板抽掉,讓左側理想氣體自由膨脹到右側直至平衡,則下列說法正確的是( )
A.氣體對外做功,內(nèi)能減少,溫度降低;
B.氣體對外做功,內(nèi)能不變,溫度不變;
C.氣體不做功,內(nèi)能不變,溫度不變,壓強減小;
D.氣體不做功,內(nèi)能減少,壓強減小。
錯解:認為氣體體積變大就對外做功,壓強減小,溫度降低,內(nèi)能減少,錯選A。
分析糾錯:因為氣體自由膨脹,所以不對外做功,因此內(nèi)能不變,溫度不變;由于體積增大,所以壓強減小。正確答案應選C。
四、如臨高考測試
1、一定質(zhì)量的理想氣體處于某一平衡狀態(tài),此時其壓強為P0,有人設計了四種途徑,使氣體經(jīng)過每種途經(jīng)后壓強仍為P0。這四種途徑是( )
①先保持體積不變,降低壓強,再保持溫度不變,壓縮體積
②先保持體積不變,使氣體升溫,再保持溫度不變,讓體積膨脹
③先保持溫度不變,使體積膨脹,再保持體積不變,使氣體升溫
④先保持溫度不變,壓縮氣體,再保持體積不變,使氣體降溫
可以斷定,
A. ①、②不可能 B. ③、④不可能
C. ①、③不可能 D. ①、②、③、④都可能
2、一定量的氣體吸收熱量,體積膨脹并對外做功,則此過程的末態(tài)與初態(tài)相比,( )
A.氣體內(nèi)能一定增加
B.氣體內(nèi)能一定減小
C.氣體內(nèi)能一定不變
D.氣體內(nèi)能是增是減不能確定
3、若以表示水的摩爾質(zhì)量,v表示在標準狀態(tài)下水蒸氣的摩爾體積,為在標準狀態(tài)下水蒸氣的密度,NA為阿伏加德羅常數(shù),m、△分別表示每個水分子的質(zhì)量和體積,下面是四個關系式:
① ② ③ ④ 其中( )
A.①和②都是正確的; B.①和③都是正確的;
C.②和④都是正確的; D.①和④都是正確的。
4、 下列說法正確的是( )
A. 熱量不能由低溫物體傳遞到高溫物體;
B. 外界對物體做功,物體的內(nèi)能必定增加;
C. 第二類永動機不可能制成,是因為違反了能量守恒定律;
D. 不可能從單一熱源吸收熱量并把它全部用來做功,而不引起其他變化。
5、甲、乙兩個相同的密閉容器中分別裝有等質(zhì)量的同種氣體,已知甲、乙容器中氣體的壓強分別為p甲、p乙,且p甲<p乙,則 ( )
A. 甲容器中氣體的溫度高于乙容器中氣體的溫度;
B. 甲容器中氣體的溫度低于乙容器中氣體的溫度;
C. 甲容器中氣體分子的平均動能小于乙容器中氣體分子的平均動能;
D. 甲容器中氣體分子的平均動能大于乙容器中氣體分子的平均動能。
6、下列說法哪些是正確的( )
A.水的體積很難被壓縮,這是分子間存在斥力的宏觀表現(xiàn);
B.氣體總是很容易充滿容器,這是分子間存在斥力的宏觀表現(xiàn);
C.兩個相同的半球殼吻合接觸,中間抽成真空(馬德堡半球),用力很難拉開,這是分子間存在吸引力的宏觀表現(xiàn);
D.用力拉鐵棒的兩端,鐵棒沒有斷,這是分子間存在吸引力的宏觀表現(xiàn)。
7、下列說法正確的是( )
A.外界對一物體做功,此物體的內(nèi)能一定增加;
B.機械能完全轉(zhuǎn)化成內(nèi)能是不可能的;
C.將熱量傳給一個物體,此物體的內(nèi)能一定改變;
D.一定量氣體對外做功,氣體的內(nèi)能不一定減少。
8、如圖18所示,密閉絕熱的具有一定質(zhì)量的活塞,活塞的上部封閉著氣體,下部為真空,活塞與器壁的摩擦忽略不計,置于真空中的輕彈簧的一端固定于容器的底部.另一端固定在活塞上,彈簧被壓縮后用繩扎緊,此時彈簧的彈性勢能為(彈簧處于自然長度時的彈性勢能為零),現(xiàn)繩突然斷開,彈簧推動活塞向上運動,經(jīng)過多次往復運動后活塞靜止,氣體達到平衡態(tài),經(jīng)過此過程( )
A.全部轉(zhuǎn)換為氣體的內(nèi)能;
B.一部分轉(zhuǎn)換成活塞的重力勢能,其余部分仍為彈簧的彈性勢能;
C.全部轉(zhuǎn)換成活塞的重力勢能和氣體的內(nèi)能;
D.一部分轉(zhuǎn)換成活塞的重力勢能,一部分轉(zhuǎn)換為氣體的內(nèi)能,其余部分仍為彈簧的彈性勢能。
9、下列說法正確的是( )
A.外界對氣體做功,氣體的內(nèi)能一定增大;
B.氣體從外界只收熱量,氣體的內(nèi)能一定增大;
C.氣體的溫度越低,氣體分子無規(guī)則運動的平均動能越大;
D.氣體的溫度越高,氣體分子無規(guī)則運動的平均動能越大.
10、分子間有相互作用勢能,規(guī)定兩分子相距無窮遠時兩分子間的勢能為零。設分子a固定不動,分子b以某一初速度從無窮遠處向a運動,直至它們之間的距離最小。在此過程中, a、b之間的勢能( )
A.先減小,后增大,最后小于零
B.先減小,后增大,最后大于零
C.先增大,后減小,最后小于零
D.先增大,后減小,最后大于零
11、一定質(zhì)量的理想氣體,從某一狀態(tài)開始,經(jīng)過系列變化后又回一開始的狀態(tài),用W1表示外界對氣體做的功,W2表示氣體對外界做的功,Q1表示氣體吸收的熱量,Q2表示氣體放出的熱量,則在整個過程中一定有( )
A.Q1―Q2=W2―W1 B.Q1=Q2
C.W1=W2 D.Q1>Q2
12、一個帶活塞的氣缸內(nèi)盛有一定量的氣體。若此氣體的溫度隨其內(nèi)能的增大而升高,則( )
A將熱量傳給氣體,其溫度必升高
B.壓縮氣體,其溫度必升高
C.壓縮氣體,同時氣體向外界放熱,其溫度必不變
D.壓縮氣體,同時將熱量傳給氣體,其溫度必升高
13、有一段12cm長汞柱,在均勻玻璃管中封住了一定質(zhì)量的氣體。如圖19所示。若管中向上將玻璃管放置在一個傾角為300的光滑斜面上。在下滑過程中被封閉氣體的壓強(設大氣壓強為P0=76cmHg)為( )
A.76cmHg
B.82cmHg
C.88cmHg
D.70cmHg。
14、如圖20所示,若在湖水里固定一細長圓管,管下端未觸及湖底,管內(nèi)有一不漏氣的活塞,它的下端位于水面上;钊牡酌娣e為S=1.0cm2,質(zhì)量不計,水面上的大氣壓強為P0=1.0×105Pa,現(xiàn)把活塞緩慢地提高H=15m,則拉力對活塞做的功為 J,大氣壓力對做的功為 J。
15、質(zhì)量為M的木塊靜止于光滑的水平桌面上,另有一質(zhì)量為m的子彈,以水平初速度v0向木塊射來,與木塊發(fā)生相互作用后,子彈最后停留在木塊中。設此過程中機械能損失的有30%轉(zhuǎn)化為子彈的內(nèi)能增加,并知道子彈的比熱為C ,試求子彈的溫度升高Δt 。
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