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& 2013高考物理沪科版二轮复习课件：11-1《分子动理论、热力学定律与能量守恒》
2013高考物理沪科版二轮复习课件：11-1《分子动理论、热力学定律与能量守恒》
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资料概述与简介
阿伏加德罗常数的应用 类型二
热力学定律的应用 类型三
能量守恒定律的应用 第1单元　分子动理论、热力学定律与能量守恒
六、热力学第一定律
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．饱和蒸汽、未饱和蒸汽和饱和蒸汽压
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．要知道中学物理中涉及的国际单位制的基本单位和其他物理量的单位．包括摄氏度()、标准大气压．
实验：用油膜法估测分子的大小
1．考查阿伏加德罗常数及分子大小、分子质量、分子数目等微观量的估算．
2．考查分子的平均动能、热运动和布朗运动．
3．分子力与分子势能的综合问题．
4．考查内能的相关因素．
5．考查晶体和非晶体的特点及液体表面张力产生的原因．
6．气体实验定律的定量计算及图象的考查．
7．封闭气体压强的求解．
8．热力学第一定律与理想气体状态方程定性分析的综合考查．
9．考查热力学第二定律．
10．能量守恒定律的综合运算．
11．考查油膜法测分子直径大小的实验原理、操作步骤和数据的处理．
12．饱和汽、未饱和汽与饱和汽压及相对湿度的理解和计算．
1．复习本章时，要注意概念的强化与规律的记忆，如用油膜法测分子直径、分子力的特点、分子动能与温度的关系、分子势能与分子间距离的关系、永动机不可能实现的原因等．
2．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、宏观量与微观量及相互关系
1．固、液、气三态分子模型
在固体和液体分子大小的估算中通常将分子看做是一个紧挨一个的小球(或小立方体)，每个分子的体积也就是每个分子所占据的空间，虽然采用正方体模型和球形模型计算出分子直径的数量级是相同的，但考虑到误差因素，采用球形模型更准确一些．对气体分子来说，由于气体没有一定的体积和形状，气体分子间的平均距离比较大，气体分子占据的空间比每个分子的体积大得多，可以忽略每个分子的空间体积，认为每个分子占据的空间是一个紧挨一个的立方体，分子间的平均距离为立方体边长，气体分子占据的空间并非气体分子的实际体积．
分子体积V0、分子直径d、分子质量m0.
物体的体积V、摩尔体积Vm，物体的质量m、摩尔质量M、物体的密度ρ.
4．相互关系
(1)一个分子的质量：m0＝＝.
(2)一个分子的体积：V0＝＝.
(3)物体所含的分子数：n＝·NA＝·NA
或n＝·NA＝·NA.
(4)单位质量中所含的分子数：n′＝.
5．分子的大小
(1)球体模型直径d＝.
(2)立方体模型边长为d＝.
一般分子直径的数量级是10－10 m.
一般分子质量的数量级是10－26 kg.
【特别提醒】　(1)对气体分子，一般建立立方体模型，求出的立方体的边长d＝是相邻的气体分子之间的平均距离．
(2)对固体、液体来说，可以看成球体模型，也可以看成立方体模型，两种模型不会影响数量级的估算．
二、布朗运动和分子热运动的比较
　　　两种运动
比较项目　　　 布朗运动 热运动
活动主体 固体微小颗粒 分子
区别 是微小颗粒的运动，在光学显微镜下能看到，较大的颗粒不做布朗运动，但它本身的分子仍在做热运动 是分子的运动，分子无论大小都做热运动，热运动不能通过光学显微镜直接观察到
共同点 都是永不停息地无规则运动，都随温度的升高而变得更加激烈，都是肉眼所不能看见的
联系 布朗运动是由于小颗粒受到周围分子做热运动的撞击力而引起的，它是分子做无规则运动的反映
【特别提醒】　(1)扩散现象直接反映了分子的无规则运动，并且可以发生在固体、液体、气体任何两种物质之间．
(2)布朗运动中的微粒是由成千上万个分子组成的“分子集团”．
三、分子力与分子势能
项目　　　 分子间的相
互作用力F 分子势能Ep
与分子间距的关系图象
随分子间距的变化情况 r＜r0 F引和F斥都随距离的增大而减小，随距离的减小而增大，F引＜F斥，F表现为斥力 r增大，斥力做正功，分子势能减少．
r减小，斥力做负功，分子势能增加
r＞r0 F引和F斥都随距离的增大而减小，随距离的减小而增大，F引＞F斥，F表现为引力 r增大，引力做负功，分子势能增加．
r减小，引力做正功，分子势能减少
随分子间距的变化情况 r＝r0 F引＝F斥，F＝0 分子势能最小，但不为零
(10－9 m) F引和F斥都已十分微弱，可以认为分子间没有相互作用力 分子势能为零
【特别提醒】　(1)选两分子相距无穷远时分子势能为零，分子势能随分子间距离变化的关系中，当r＝r0时分子势能最小，但不是零，为负值．
(2)如果选r＝r0时分子势能为零，分子势能随分子间距离变化的关系不会因势能零点的选取不同而发生改变．Ep-r图线的形状也不会发生变化．但图线应做相对应的平移．
四、温度和温标
1．温度：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．
2．两种温标
(1)比较摄氏温标和热力学温标：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，Δt＝ΔT.
(2)关系：T＝t＋273.15 K.
3．平衡态及特点：对于一个孤立的热学系统，无论其初始状态如何经过足够长的时间后，必须达到一个宏观平衡性质不再随时间变化的状态，叫平衡态，系统处于平衡态时有共同特性即“温度相同”．
【特别提醒】　(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、物体的内能
1．平均动能：每个做热运动的分子都具有动能mv2，但是各个分子的动能有大有小，且不断变化．在研究热现象时，某个分子的动能大小没有意义，有意义的是物体内所有分子的动能的平均值2．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温度、体积、物态和分子个数(即质量)都有关系．
3．改变物体内能的两种方式：做功和热传递．
4．物体的内能和机械能的比较
比较　　 内能 机械能
定义 物体内所有分子热运动的动能与分子势能之和 物体的动能、重力势能和弹性势能的统称
因素 与物体的温度、体积、物态和分子数有关 跟宏观运动状态、参考系和零势能点的选取有关
量值 任何物体都有内能 可以为零
测量 无法测量 可测量
本质 微观分子的运动和相互作用的结果 宏观物体的运动和相互作用的结果
形式 热运动 机械运动
联系 在一定条件下可以相互转化，能的总量守恒
【特别提醒】　(1)物体的体积越大，分子势能不一定越大，如0 ℃的水结成0 ℃的冰后体积变大，但分子势能却减小了．
(2)理想气体分子间相互作用力为零，故分子势能忽略不计，一定质量的理想气体的内能只与温度有关．
(3)内能是对物体的大量分子而言的，不存在某个分子内能的说法．
1．改变内能的两种方式的比较
　　　方式名称
比较项目　　　 做功 热传递
内能变化情况 外界对物体做功，物体的内能增加；物体对外界做功，物体的内能减少 物体吸收热量，内能增加物体放出热量，内能减少
从运动形式上看 做功是宏观的机械运动向物体的微观分子热运动的转化 热传递则是通过分子之间的相互作用，使同一物体的不同部分或不同物体间的分子热运动发生变化，是内能的转移
区别 从能量的角度看 做功是其他形式的能向内能的转化过程 不同物体间或同一物体不同部分之间内能的转移
能的性质变化情况 能的性质发生了变化 能的性质不变
相互联系 做一定量的功或传递一定量的热量在改变内能的效果上是相同的
说明：当一个系统的内能发生变化时，一定要分析做功和热传递两种可能性，不能遗漏其中一种．
2．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：W＋Q＝ΔU.
(3)W、Q、ΔU的“＋、－”号法则
外界对物体做功 物体吸收热量 内能增加
－ 物体对外界做功 物体放出热量 内能减少
(3)三种特殊情况
3．温度、内能、热量、功的比较
温度 内能(热能) 热量 功
含义 表示物体的冷热程度，是物体分子平均动能大小的标志，它是大量分子热运动的集体表现，对个别分子来说，温度没有意义 物体内所有分子动能和势能的总和，它是由大量分子的热运动和分子的相对位置所决定的能 是热传递过程中内能的改变量，热量用来量度热传递过程中内能转移的多少 做功过程是机械能或其他形式的能和内能之间的转化过程
关系 温度和内能是状态量，热量和功则是过程量．热传递的前提条件是存在温差，传递的是热量而不是温度，实质上是内能的转移
说明：(1)温度、内能、热量和功是热学中相互关联的四个物理量．当物体的内能改变时，温度不一定改变．只有当通过热传递改变物体内能时才会有热量传递，但能的形式没有发生变化．
(2)热量是热传递过程中的特征物理量，离开过程谈热量毫无意义．就某一状态而言，只有“内能”，根本不存在“热量”和“功”，因此不能说一个系统中含有“多少热量”或“多少功”．
(3)物体的内能大，并不意味着物体一定会对外做功或向外传递热量．只有物体的内能变化较大时，做的功或传递的热量才会多．
4．能量守恒定律的理解及应用
(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、电荷运动具有电能、原子核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)在利用能量守恒定律解题时，要注意先搞清楚过程中有几种形式的能在转化或转移，分析初、末状态，确定ΔE增、ΔE减各为多少，再由ΔE增＝ΔE减列式计算．
【特别提醒】　(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)能量转化和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．
七、热力学第二定律
1．两种表述 2．两类永动机的比较
分类 第一类永动机 第二类永动机
设计要求 不需要任何动力或燃料，却能不断地对外做功的机器 从单一热源吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响的机器
制成原因 违背能量守恒 不违背能量守恒，违背热力学第二定律
3.对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．
4．热力学第一、第二定律的比较
　　　　 热力学第一定律 热力学第二定律
示的问题 热力学第一定律说明，在任何过程中能量一定守恒，它从能量守恒的角度揭示了功、热量和内能改变量三者的定量关系，是普遍意义下的能量守恒定律的一种特殊形式. 热力学第二定律则反映了自然过程进行的方向性和条件．它指出自然界中出现的过程是有方向性的，某方向的过程可以实现，而另一方向的过程则不一定能实现．指明并非所有遵守能量守恒的过程都能实现
化情况 当摩擦力做功时，机械能可以全部转化为内能 内能不可能在不引起其他变化的情况下完全变成机械能
递情况 热量可以从高温物体自动传向低温物体 热力学第二定律说明热量不能自发地从低温物体传向高温物体
种类 热力学第一定律只有一种表述形式，即ΔU＝W＋Q. 热力学第二定律有多种表述形式
情况 告诫人们：第一类永动机不可能制成 告诫人们：第二类永动机不可能制成
的关系 在热力学中，两者既相互独立，又互为补充，共同构成了热力学知识的理论基础
【特别提醒】　(1)热力学第一、第二定律从不同角度揭示了热力学过程中遵守的规律，只有同时符合两定律的过程才能实现．
(2)两定律都是热力学基本定律，分别从不同角度揭示了与热现象有关的物理过程所遵循的规律．
(2012年徐州模拟)一个标准足球场的面积为105 m×68 m＝7 140 m2.通常用空气湿度(相对湿度、绝对湿度)表示空气中含有水蒸气的情况，若球场附近一定体积的空气中所含的水蒸气凝结成水后的体积为103 cm3，已知水的密度为ρ＝1.0×103 kg/m3，水的摩尔质量Mmol＝1.8×10－2kg/mol，一标准大气压为1.0×105 Pa，试求：
(1)该足球场上方空气的质量；
(2)水蒸气凝结成的水中含多少水分子；
(3)估算一个水分子的直径为多大．(以上计算结果均保留一位有效数字)．
【思路点拨】　解答该题应注意以下三个方面：
(1)根据压强的定义求足球场上方的空气质量．
(2)利用NA的桥梁作用求水分子的个数．
(3)建立分子的模型求分子直径．
【解析】　(1)由p0S＝mg得：
m＝＝kg＝7×107 kg.
(2)水的摩尔体积为
V0＝＝m3/mol＝2×10－5 m3/mol
水分子数：
n＝＝个＝3×1025个．
(3)建立水分子的球模型有πd3＝
得水分子直径
d＝ ＝ m＝4×10－10m.
【答案】　(1)7×107 kg　(2)3×1025个　(3)4×10－10 m
【名师点评】　在求解与阿伏加德罗常数有关的计算问题时，总体思路是：
(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0.6 J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0.1 J的功，同时吸收了0.3 J的热量，则此过程中，气泡内气体内能增加了________J.
已知气泡内气体的密度为1.29 kg/m3，平均摩尔质量为0.029 kg/mol.阿伏加德罗常数NA＝6.02×1023 mol－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，ΔU＝0，对外做功，W＝－0.6 J，
由ΔU＝Q＋W有Q＝ΔU－W＝0.6 J＞0，
即需从外界吸收0.6 J的热量．
气泡到达湖面后，由ΔU＝Q＋W
得ΔU＝(0.3－0.1)J＝0.2 J.
(3)设气体体积为V0，液体体积为V1
气体分子数n＝NA，V1＝n(或V1＝nd3)
则＝πd3NA(或＝d3NA)
解得＝1×10－4(9×10－5～2×10－4都算对)．
【答案】　(1)D　(2)吸收　0.6　0.2　(3)1×10－4(或9×10－5～2×10－4)
重1 000 kg的气锤从2.5 m高处落下，打在质量为200 kg的铁块上，要使铁块的温度升高40 ℃以上，气锤至少应落下多少次？设气锤撞击铁块时做的功有60%用来使铁块温度升高，且铁的比热c＝0.11 cal/(g·℃)，g取10 m/s2，1 cal＝4.2 J.
【思路点拨】　先确定气锤撞击铁块时的动能，再由能量转化确定内能的增加量，列方程求解下落次数．
【解析】　气锤下落过程中只有重力做功，机械能守恒， 因而气锤撞击铁块时动能为
Ek＝mgh＝103×10×2.5 J＝2.5×104 J
由动能定理知气锤撞击铁块所做的功为
W＝Ek－0＝2.5×104 J
使铁块温度升高的热量(到40 ℃)
Q＝cmΔt＝0.11×200×103×40 cal＝3.696×106 J
设气锤下落n次才能使铁块温度升高40 ℃，由能的转化和守恒定律有：n·W·η＝Q
n＝＝＝246.4
故气锤至少要下落247次．
【答案】　247次
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提问：级别：大三来自：河北省石家庄市
回答数：3浏览数：
粗略计算分子体积选择模型时,什么时候是球?什么时候是正方体?
粗略计算分子体积选择模型时,什么时候是球?什么时候是正方体?
&提问时间： 11:36:26
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回答：级别：专业试用 06:37:52来自：河北省廊坊市
在计算固体、液体分子体积、直径时，用球模型；计算气体分子所占空间大小或气体分子间距离时，用正方体模型。
提问者对答案的评价：
回答：级别：一年级 12:48:03来自：湖南省长沙市
当计算分子的大小时用球型。当计算分子的体积是用正方形。在分子是单层是计算分子的直径是用球型。总之要看那一种模型在分子的排列中没有空隙，只要没空隙就可以了，因为只有这样我们才可以把它看成是理想的。
回答：级别：三年级 13:57:22来自：河南省漯河市
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if(inputs[1]==this){y+=90;}
if(inputs[2]==this){y-=90;}
if(inputs[3]==this){x-=90;}
if(inputs[4]==this){x=0;y=0; ul.style.webkitTransition='-webkit-transform 0.1s linear';}
//当点击重置按钮时，迅速转回到初始状态。
ul.style.webkitTransform = "rotateX("+x+"deg) rotateY("+y+"deg)";
//变换效果（沿X轴和Y轴旋转）
&ul id="ul"&
&li&1&/li&
&li&2&/li&
&li&3&/li&
&li&4&/li&
&li&5&/li&
&li&6&/li&
&div class="container"&
&div class="button"&
&input type="button" value="上"&
&input type="button" value="右"&
&input type="button" value="左"&
&input type="button" value="下"&
&input type="button" value="重置"&
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