熱學的基本概念與原理（原卷版）-2023版高考物理一輪復習

專題33熱學的基本概念與原理

目錄

題型一關于分子動理論及內能的考查...............................................1

類型1微觀量估算的兩種"模型"..............................................1

類型2布朗運動與分子熱運動................................................4

類型3分子力和內能.........................................................6

題型二固體、液體和氣體.........................................................8

類型1固體和液體性質的理解.................................................8

類型2氣體壓強的計算及微觀解釋...........................................10

題型三關于熱力學定律與能量守恒定律的理解.....................................13

類型1熱力學第一定律的理解...............................................13

類型2熱力學第二定律的理解...............................................15

類型3熱力學第一定律與圖像的綜合應用.....................................17

題型一關于分子動理論及內能的考查

類型1微觀量估算的兩種“模型”

1.微觀量與宏觀量

(1)微觀量：分子質量恤、分子體積Mo、分子直徑d等.

⑵宏觀量：物體的質量"?、摩爾質量M、物體的密度人物體的體積V、摩爾體積匕＞。1等.

2.分子的兩種模型

(1)球模型：Vo=1w3,得直徑”=個償(常用于固體和液體).

(2)立方體模型：V0=d\得邊長4=狙(常用于氣體).

3.幾個重要關系

（1）一個分子的質量：加0=瓦.

（2）一個分子的體積：%=金（注意：對于氣體，人表示一個氣體分子占有的空間）.

M

（3）1mol物體的體積：Vmoi=y.

模型1微觀量估算的球體模型

【例1】（多選）鉆石是首飾、高強度鉆頭和刻刀等工具中的主要材料，設鉆石的密度為〃（單

位為kg/n?）,摩爾質量為M（單位為g/mol）,阿伏加德羅常數為NA.已知1克拉=0.2g,則下

列選項正確的是（）

A.a克拉鉆石物質的量為肝

B.?？死@石所含有的分子數為筆運

3/6MX103

C.每個鉆石分子直徑的表達式為、（單位為m）

D.4克拉鉆石的體積為，

【例2】（2022?山東省摸底）在標準狀況下，體積為V的水蒸氣可視為理想氣體，已知水蒸氣

的密度為人阿伏伽德羅常數為M，水的摩爾質量為水分子的直徑為小

（1）計算體積為K的水蒸氣含有的分子數；

（2）估算體積為V的水蒸氣完全變成液態(tài)水時，液態(tài)水的體積（將液態(tài)水分子看成球形，忽略

液態(tài)水分子間的間隙）。

【例3】（2022?江蘇揚州市揚州中學月考）晶須是一種發(fā)展中的高強度材料，它是一些非常細

的、非常完整的絲狀（橫截面為圓形）晶體.現(xiàn)有一根鐵質晶須，直徑為d,用大小為尸的力

恰好將它拉斷，斷面呈垂直于軸線的圓形.已知鐵的密度為外鐵的摩爾質量為阿伏加

德羅常數為NA，則拉斷過程中相鄰鐵原子之間的相互作用力是（）

F,MF

A.—（------尸B.—（------尸

d2npN；d2Ttp&

c.￡（3_），F(xiàn)M

D.—（------尸

d~“NAd2TtpN/

模型2微觀量估算的立方體模型

【例4】（2022?河北衡水市月考）轎車中的安全氣囊能有效保障駕乘人員的安全.轎車在發(fā)生

一定強度的碰撞時，疊氮化鈉（亦稱“三氮化鈉”，化學式NaN3）受撞擊完全分解產生鈉和氮氣

而充入氣囊.若充入氮氣后安全氣囊的容積V=56L,氣囊中氮氣的密度p=1.25kg/n?,已

知氮氣的摩爾質量M=28g/mol,阿伏加德羅常數NA=6xl（）23moL,請估算：（結果保留一

位有效數字）

（1）一個氮氣分子的質量〃2；

（2）氣囊中氮氣分子的總個數N；

（3）氣囊中氮氣分子間的平均距離r.

【例5】某一體積為V的密封容器，充入密度為小摩爾質量為M的理想氣體，阿伏加德羅

常數為NA。則該容器中氣體分子的總個數N=。現(xiàn)將這部分氣體壓縮成液體，

體積變?yōu)槠?此時分子中心間的平均距離d=（將液體分子視為立方體模型）。

【例6】空調在制冷過程中，室內空氣中的水蒸氣接觸蒸發(fā)器（銅管）液化成水，經排水管排

走，空氣中水分越來越少，人會感覺干燥.某空調工作一段時間后，排出液化水的體積為V,

水的密度為"，摩爾質量為M,阿伏加德羅常數為NA，則液化水中分子的總數N和水分子

的直徑d分別為（）

M36M3［式pNn

A.'d=\B.d=

兀M6M

M3

C.2啥D-'d=\6M

類型2布朗運動與分子熱運動

擴散現(xiàn)象、布朗運動與熱運動的比較

現(xiàn)象擴散現(xiàn)象布朗運動熱運動

活動主體分子微小固體顆粒分子

分子的運動，發(fā)生在固

比分子大得多的微粒的分子的運動，不能通過光

區(qū)別體、液體、氣體任何兩種

運動學顯微鏡直接觀察到

物質之間

共同點①都是無規(guī)則運動；②都隨溫度的升高而更加激烈

聯(lián)系擴散現(xiàn)象、布朗運動都反映分子做無規(guī)則的熱運動

【例1】（2022?江蘇省高考模擬）據研究發(fā)現(xiàn)，新冠病毒感染的肺炎傳播途徑之一是氣溶膠傳

播。氣溶膠是指懸浮在氣體介質中的固態(tài)或液態(tài)顆粒所組成的氣態(tài)分散系統(tǒng)。這些固態(tài)或液

態(tài)顆粒的大小一般在IO、?io3pm之間。已知布朗運動微粒大小通常在10'm數量級。下

列說法正確的是（）

A.布朗運動是氣體介質分子的無規(guī)則運動

B.在布朗運動中，固態(tài)或液態(tài)顆粒越小，布朗運動越劇烈

C.在布朗運動中，顆粒無規(guī)則運動的軌跡就是分子的無規(guī)則運動的軌跡

D.當固態(tài)或液態(tài)顆粒很小時，能很長時間都懸浮在氣體中，顆粒的運動屬于布朗運動，能

長時間懸浮是因為氣體浮力作用

【例2】（2022?北京豐臺區(qū)期末）關于布朗運動，下列說法正確的是（）

A.布朗運動是液體分子的無規(guī)則運動

B.懸浮在液體中的顆粒越小、液體溫度越高，布朗運動越明顯

C.懸浮顆粒越大，在某一瞬間撞擊它的分子數越多，布朗運動越明顯

D.布朗運動的無規(guī)則性反映了顆粒內部分子運動的無規(guī)則性

【例3】（2022?江蘇海安市期末）將墨汁滴入水中，逐漸擴散，最終混合均勻，下列關于該現(xiàn)

象的解釋正確的是（）

A.墨汁擴散是水的對流形成的

B.墨汁擴散時炭粒與水分子發(fā)生化學反應

C.混合均勻主要是由于炭粒受重力作用

D.混合均勻過程中，水分子和炭粒都做無規(guī)則運動

[例4],某同學在顯微鏡下觀察水中懸浮的花粉微粒的運動。他把小微粒每隔一定時間的

位置記錄在坐標紙上，如圖所示。則該圖反映了（）

A.液體分子的運動軌跡

B.花粉微粒的運動軌跡

C.每隔一定時間花粉微粒的位置

D.每隔一定時間液體分子的位置

【例5】.（2022?北京市豐臺區(qū)模擬）玻璃杯中裝入半杯熱水后擰緊瓶蓋，經過一段時間后發(fā)

現(xiàn)瓶蓋很難擰開。原因是（）

A.瓶內氣體壓強變小

B.瓶內氣體分子熱運動的平均動能增加

C.瓶內氣體速率大的分子所占比例增大

D.瓶內氣體分子單位時間內撞擊瓶蓋的次數增加

類型3分子力和內能

1.分子間的作用力、分子勢能與分子間距離的關系

分子間的作用力F、分子勢能經與分子間距離r的關系圖線如圖所示(取無窮遠處分子勢能

￡P=0).

(1)當時，分子間的作用力表現(xiàn)為引力，當r增大時，分子間的作用力做負功，分子勢

能增大.

(2)當rVro時，分子間的作用力表現(xiàn)為斥力，當r減小時，分子間的作用力做負功，分子勢

能增大.

(3)當，?=/?()時，分子勢能最小.

2.分析物體內能問題的五點提醒

(1)內能是對物體的大量分子而言的，不存在某個分子內能的說法.

(2)內能的大小與溫度、體積、物質的量和物態(tài)等因素有關.

(3)通過做功或熱傳遞可以改變物體的內能.

(4)溫度是分子平均動能的標志，相同溫度的任何物體，分子的平均動能都相同.

(5)內能由物體內部分子微觀運動狀態(tài)決定，與物體整體運動情況無關.任何物體都具有內

能，恒不為零.

【例1】(2022?山東日照市模擬)分子間勢能由分子間距r決定。規(guī)定兩分子相距無窮遠時分

子間的勢能為零，兩分子間勢能與分子間距/?的關系如圖所示。若一分子固定于原點0,另

一分子從距。點無限遠向。點運動。下列說法正確的是()

A.在兩分子間距從無限遠減小到,-2的過程中，分子之間的作用力先增大后減小

B.在兩分子間距從無限遠減小到打的過程中，分子之間的作用力表現(xiàn)為引力

C.在兩分子間距等于八處，分子之間的作用力等于0

D.對于標準狀況下的單分子理想氣體，絕大部分分子的間距約為「2

【例2】（2020.全國卷I33（1））分子間作用力尸與分子間距r的關系如圖所示，r=n時，F(xiàn)

=0.分子間勢能由，?決定，規(guī)定兩分子相距無窮遠時分子間的勢能為零.若一分子固定于原

點O,另一分子從距。點很遠處向。點運動，在兩分子間距減小到「2的過程中，勢能

（填“減小”“不變”或“增大”）；在間距由冷減小到打的過程中，勢能（填“減

小，，，，不變，，或，，增大，，）；在間距等于。處，勢能（填”大于’，”等于,，或“小于”）零.

【例3】（2022?重慶市萬州第一中學高三月考）對于一定質量的實際氣體，下列說法正確的是

（）

A.溫度不變、體積增大時，內能一定減小

B.氣體的體積變化時，內能可能不變

C.氣體體積不變，溫度升高，內能可能不變

D.流動的空氣一定比靜態(tài)時內能大

【例4】（2022?廣東深圳市4月調研）宇航員王亞萍太空授課呈現(xiàn)了標準水球，這是由于水的

表面張力引起的。在水球表面層中，水分子之間的相互作用總體上表現(xiàn)為（填”引

力''或"斥力”）。如圖所示，A位置固定一個水分子甲，若水分子乙放在C位置，其所受分子

力為零，則將水分子乙放在如圖（填“C之間”或“8C之間”），其分子力與水球表面

層分子有相同的作用效果。若空間兩個分子間距從無限遠逐漸變小，直到小于ro,則分子勢

能變化的趨勢是o

ACB

【例5】(2022?山東日照市高三模擬)分子間勢能由分子間距r決定.規(guī)定兩分子相距無窮遠

時分子間的勢能為零，兩分子間勢能與分子間距r的關系如圖所示.若一分子固定于原點O,

另一分子從距。點無限遠向。點運動.下列說法正確的是()

A.在兩分子間距從無限遠減小到/'2的過程中，分子之間的作用力先增大后減小

B.在兩分子間距從無限遠減小到八的過程中，分子之間的作用力表現(xiàn)為引力

C.在兩分子間距等于八處，分子之間的作用力等于0

D.對于標準狀況下的單分子理想氣體，絕大部分分子的間距約為-2

題型二固體、液體和氣體

類型1固體和液體性質的理解

1.晶體和非晶體

(1)單晶體具有各向異性，但不是在各種物理性質上都表現(xiàn)出各向異性。

(2)具有確定熔點的物體必定是晶體，反之，必是非晶體。

(3)單晶體具有天然的規(guī)則的幾何外形，而多晶體和非晶體沒有天然規(guī)則的幾何外形，所以

不能從形狀上區(qū)分晶體與非晶體。

(4)晶體和非晶體不是絕對的，在某些條件下可以相互轉化。

(5)液晶既不是晶體，也不是液體。

2.液體表面張力

(1)形成原因：表面層中分子間距離比液體內部分子間距離大，分子間作用力表現(xiàn)為引力。

(2)表面特征：表面層中分子間的引力使液面產生了表面張力，使液體表面好像一層張緊的

彈性薄膜。

(3)表面張力的方向：和液面相切，垂直于液面上的分界線。

(4)表面張力的效果：使液體表面具有收縮的趨勢，使液體表面積趨于最小，而在體積相同

的條件下，球形表面積最小。

【例1】(2022?福建莆田市4月模擬)關于熱學知識的理解，下列說法中正確的是()

A.單晶體的某些物理性質呈現(xiàn)各向異性

B.液體表面張力產生的原因是液體表面層分子間距離比較大，分子力表現(xiàn)為

斥力

C.雨水沒有透過雨傘是因為水和傘的不浸潤現(xiàn)象

D.在熔化過程中，非晶體要吸收熱量，但溫度可以保持不變

【例2】(多選)下列理解正確的是()

A.彩色液晶顯示器利用了液晶的光學性質具有各向異性的特點

B.單晶體具有固定的熔點，多晶體沒有固定的熔點

C.有的物質在不同條件下能夠生成不同晶體，是因為組成它們的微粒能夠按照不同規(guī)則在

空間分布

D.固體可以分為晶體和非晶體兩類，晶體、非晶體是絕對的，是不可以相互轉化的

【例3】在甲、乙、丙三種固體薄片上涂上石蠟，用燒熱的針尖接觸薄片背面上的一點，石

蠟熔化區(qū)域的形狀如圖甲、乙、丙所示.甲、乙、丙三種固體在熔化過程中溫度隨加熱時間

變化的關系如圖丁所示，則下列說法中正確的是()

A.甲一定是單晶體

B.乙可能是金屬薄片

C.丙在一定條件下可能轉化成乙

D.甲內部的微粒排列是規(guī)則的，丙內部的微粒排列是不規(guī)則的

【例4】（2022?寧夏石嘴山市第三中學模擬）關于以下幾幅圖中現(xiàn)象的分析，下列說法正確的

是（）

甲乙丙丁

A.甲圖中水最停在水面而不沉，是浮力作用的結果

B.乙圖中將棉線圈中肥皂膜刺破后，擴成一個圓孔，是表面張力作用的結果

C.丙圖中毛細管中液面高于管外液面的是毛細現(xiàn)象，低于管外液面的不是毛細現(xiàn)象

D.丁圖中玻璃管的裂口在火焰上燒熔后，它的尖端會變鈍，是一種浸潤現(xiàn)象

類型2氣體壓強的計算及微觀解釋.

1.氣體壓強的計算

（1）活塞模型

如圖所示是最常見的封閉氣體的兩種方式.

求氣體壓強的基本方法:先對活塞進行受力分析，然后根據平衡條件或牛頓第二定律列方程.

圖甲中活塞的質量為，小活塞橫截面積為S,外界大氣壓強為P0.由于活塞處于平衡狀態(tài)，

所以poS+mg—pS,

則氣體的壓強為0=「()+警.

圖乙中的液柱也可以看成“活塞”，由于液柱處于平衡狀態(tài)，所以pS+/ng=poS,

則氣體壓強為p=pL*'=po~~pntgh.

(2)連通器模型

如圖所示，U形管豎直放置.同一液體中的相同高度處壓強一定相等，所以氣體B和A的

壓強關系可由圖中虛線聯(lián)系起來.則有Pn+pgh2=PA,

而PA=p°+pgh，

所以氣體B的壓強為pB—po+pg(hi-hi).

2.氣體分子運動的速率分布圖像

氣體分子間距離大約是分子直徑的10倍，分子間作用力十分微弱，可忽略不計；分子沿各

個方向運動的機會均等；分子速率的分布規(guī)律按“中間多、兩頭少”的統(tǒng)計規(guī)律分布，且這個

分布狀態(tài)與溫度有關，溫度升高時，平均速率會增大，如圖所示.

各速率區(qū)間的分子數

占總分子數的百分比

20

15-----溫度為(氏

—溫度為100七

，求分子的速率(m/s)

3.氣體壓強的微觀解釋

(1)產生原因：由于氣體分子無規(guī)則的熱運動，大量的分子頻繁地碰撞器壁產生持續(xù)而穩(wěn)定

的壓力.

(2)決定因素(一定質量的某種理想氣體)

①宏觀上：決定于氣體的溫度和體積.

②微觀上：決定于分子的平均動能和分子的密集程度.

【例1】(多選)對于一定質量的理想氣體，下列論述正確的是()

A.氣體的壓強由溫度和單位體積內的分子個數共同決定

B.若單位體積內分子個數不變，當分子熱運動加劇時，壓強可能不變

C.若氣體的壓強不變而溫度降低，則單位體積內分子個數一定增加

D.若氣體的壓強不變而溫度降低，則單位體積內分子個數可能不變

【例2】若已知大氣壓強為外，圖中各裝置均處于靜止狀態(tài).

(1)已知液體密度均為P，重力加速度為g,求各被封閉氣體的壓強.

1

h

甲乙丙

T

(2)如圖中兩個汽缸質量均為M,內部橫截面積均為5,兩個活塞的質量均為布，左邊的汽缸

靜止在水平面上，右邊的活塞和汽缸豎直懸掛在天花板下.兩個汽缸內分別封閉有一定質量

的空氣4、B,重力加速度為g,活塞與缸壁之間無摩擦，求封閉氣體48的壓強各多大？

【例3】(多選)密閉容器內有一定質量的理想氣體，如果保持氣體的壓強不變，氣體的溫度

升高，下列說法中正確的是()

A.氣體分子的平均速率增大

B.器壁單位面積受到氣體分子碰撞的平均作用力變大

C.氣體分子對器壁的平均作用力變大

D.該氣體的密度減小

題型三關于熱力學定律與能量守恒定律的理解

類型1熱力學第一定律的理解

1.熱力學第一定律的理解

(1)內能的變化都要用熱力學第一定律進行綜合分析.

(2)做功情況看氣體的體積：體積增大，氣體對外做功，W為負；體積縮小，外界對氣體做

功，W為正.

(3)與外界絕熱，則不發(fā)生熱傳遞，此時Q=0.

（4）如果研究對象是理想氣體，因理想氣體忽略分子勢能，所以當它的內能變化時，體現(xiàn)在

分子動能的變化上，從宏觀上看就是溫度發(fā)生了變化.

2.三種特殊情況

（1）若過程是絕熱的，則。=0,W=AU,外界對物體做的功等于物體內能的增加；

（2）若過程中不做功，即W=0,則。=4。，物體吸收的熱量等于物體內能的增加；

（3）若過程的初、末狀態(tài)物體的內能不變，即AU=0,則W+Q=0或卬=-0,外界對物體

做的功等于物體放出的熱量.

【例1】（多選）（2021?湖南卷75（1）改編）如圖，兩端開口、下端連通的導熱汽缸，用兩個輕質

絕熱活塞（截面積分別為&和S2）封閉一定質量的理想氣體，活塞與汽缸壁間無摩擦.在左端

活塞上緩慢加細沙，活塞從A下降h高度到B位置時，活塞上細沙的總質量為加在此過程

中，用外力下作用在右端活塞上，使活塞位置始終不變.整個過程環(huán)境溫度和大氣壓強加

保持不變，系統(tǒng)始終處于平衡狀態(tài)，重力加速度為g.下列說法正確的是（）

A.整個過程，理想氣體的分子平均動能保持不變

B.整個過程，理想氣體的內能增大

C.整個過程，理想氣體向外界釋放的熱量小于⑦oSJ?+〃?"）

D.左端活塞到達8位置時，外力F等于喏

【例2】（2021?河北卷，15）兩個內壁光滑、完全相同的絕熱汽缸A、B,汽缸內用輕質絕熱

活塞封閉完全相同的理想氣體，如圖2所示?，F(xiàn)向活塞上表面緩慢倒入細沙，若A中細沙

的質量大于B中細沙的質量，重新平衡后，汽缸A內氣體的內能（填“大于”"小于”

或，，等于，，）汽缸B內氣體的內能。圖3為重新平衡后A、B汽缸中氣體分子速率分布圖像，

其中曲線（填圖像中曲線標號）表示汽缸B中氣體分子的速率分布規(guī)律。

[例3]（2022?山東濟南市模擬）泉城濟南，以泉聞名。小張同學在濟南七十二名泉之一的

珍珠泉游覽時，發(fā)現(xiàn)清澈幽深的泉池底部，不斷有氣泡生成，上升至水面破裂。假設水恒溫，

則氣泡在泉水中上升過程中，以下判斷正確的是（）

A.氣泡對泉水做正功，氣泡吸收熱量

B.氣泡對泉水做正功，氣泡放出熱量

C.泉水對氣泡做正功，氣泡吸收熱量

D.泉水對氣泡做正功，氣泡放出熱量

【例4】（2022?山東濰坊市高考模擬）蛟龍?zhí)柹顫撈髟趫?zhí)行某次實驗任務時，外部攜帶一裝有

氧氣的汽缸，汽缸導熱良好，活塞與缸壁間無摩擦且與海水相通。己知海水溫度隨深度增加

而降低，則深潛器下潛過程中，下列說法正確的是（）

A.每個氧氣分子的動能均減小

B.氧氣放出的熱量等于其內能的減少量

C.氧氣分子單位時間撞擊缸壁單位面積的次數增加

D.氧氣分子每次對缸壁的平均撞擊力增大

類型2熱力學第二定律的理解

1.熱力學第二定律的含義

（1）“自發(fā)地”指明了熱傳遞等熱力學宏觀現(xiàn)象的方向性，不需要借助外界提供能量的幫助。

（2）“不產生其他影響”的含義是發(fā)生的熱力學宏觀過程只在本系統(tǒng)內完成，對周圍環(huán)境不產

生熱力學方面的影響，如吸熱、放熱、做功等。在產生其他影響的條件下內能可以全部轉化

為機械能，如氣體的等溫膨脹過程。

2.熱力學第二定律的實質

熱力學第二定律的每一種表述，都揭示了大量分子參與的宏觀過程的方向性，進而使人們認

識到自然界中進行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性。

3.熱力學過程的方向性實例

熱GQ能fl發(fā)傳給

（1）高溫物體低溫物體。

熱球Q不能自發(fā)傳給

⑵功看黑黑熱。

能自發(fā)膨脹到

（3）氣體體積%氣體體積V2

不能自發(fā)收縮到

（較大）。

灌自發(fā)混合成

（4）不同氣體A和B混合氣

不能自發(fā)分陽成

體ABo

4.兩類永動機的比較

第一類永動機第二類永動機

不需要任何動力或燃料，卻能從單一熱源吸收熱量，使之完全變

設計要求

不斷地對外做功的機器成功，而不產生其他影響的機器

不違背能量守恒定律，違背熱力學

不可能制成的原因違背能量守恒定律

第二定律

【例1】（多選）下列說法正確的是（）

A.冰箱能使熱量從低溫物體傳遞到高溫物體，因此不遵循熱力學第二定律

B.自發(fā)的熱傳導是不可逆的

C.可以通過給物體加熱而使它運動起來，但不產生其他影響

D.氣體向真空膨脹具有方向性

【例2][2020?全國H卷，33（1）]下列關于能量轉換過程的敘述，違背熱力學第一定律的有

,不違背熱力學第一定律、但違背熱力學第二定律的有。

A.汽車通過燃燒汽油獲得動力并向空氣中散熱

B.冷水倒入保溫杯后，冷水和杯子的溫度都變得更低

C.某新型熱機工作時將從高溫熱源吸收的熱量全部轉化為功，而不產生其他影響

D.冰箱的制冷機工作時從箱內低溫環(huán)境中提取熱量散發(fā)到溫度較高的室內

類型3熱力學第一定律與圖像的綜合應用

1.氣體的狀態(tài)變化可由圖像直接判斷或結合理想氣體狀態(tài)方程牛=C分析.

2.氣體的做功情況、內能變化及吸放熱關系可由熱力學第一定律分析.

(1)由體積變化分析氣體做功的情況：體積膨脹，氣體對外做功；氣體被壓縮，外界對氣體

做功.

(2)由溫度變化判斷氣體內能變化：溫度升高，氣體內能增大；溫度降低，氣體內能減小.

(3)由熱力學第一定律AU=W+。判斷氣體是吸熱還是放熱.

(4)在p-V圖像中，圖像與橫軸所圍面積表示對外或外界對氣體整個過程中所做的功.

【例1】