【热学问题分类例析】有关热学的生活问题
时间：2019-03-11 03:25:29 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
热学研究的是热现象的规律，它虽不是重点，但向来是高考的必考内容之一，且多以选择题的形式出现．本文根据当今高考命题的特点和考点要求，从以下几个方面对热学问题进行分析，供同学们复习时参考．
一、微观量与宏观量的关系
例1 若以μ和p0表示水的摩尔质量和密度，V表示在标准状况下水蒸气的摩尔体积，p和ι表示在标准状况下水蒸气的密度和分子间的平均距离，NA为阿伏加德罗常数，m、△和d分别表示每个水分子的质量、体积和直径．下面几个关系式中正确的是
A．只有①③
B．只有①②③⑤
C．只有①③⑤⑥
D．只有③④⑤⑥
解析：物质处于任何一种热学状态，它的质量总是等于所含的所有分子的质量之和，所以摩尔质量μ(等于Vp)除以分子质量(m)总是等于lmol物质的分子数，故①和③是正确的．当物质处于固态或液态时，我们可以认为分子是紧挨在一起的，物体的总体积就等于所含的所有分子的体积之和．而当物质处于气态时，因其分子的间距大，气体的体积大于各分子的体积之和，所以②④对水蒸气不成立．若将水分子看成球体，忽略分子间的空隙，则有μ=1/6ρ0πd3NA，由此可推得⑤式是正确的．对于标准状态下的水蒸气，由于其分子间隔很大，所以我们可以将每个分子所占有的空间看成是一个立方体，这个立方体(体积
点评：①本题中μ、ρ0、v、ρ均为宏观量，而m、△、d、ι均为微观量，由解题过程可以知道阿伏加德罗常数是联系宏观量和微观量的桥梁．②在进行微观量计算时，要建立合适的分子模型．一般估算固、液体分子线度时采用球模型，估算气态分子间距时则采用立方体模型．
二、分子力与分子势能的特点
例2已知两分子间距由r1变为r2时，其分子势能不断减小．则下列有关该过程的判断，正确的是
A．两分子的间距一定增大
B．分子力一定始终做正功
c．两分子间的作用力一定增大
D．两分子间的作用力表现为引力
解析：根据分子力做功与分子势能变化的规律，可推知当分子势能不断减小时，分子力一定在不断做正功．另外，由分子力随分子间距变化的曲线(如图1所示)可知，当分子间距大于r0(r0为分子间引力等于斥力时的间距)时，分子间表现为引力，此时分子间距减小时，分子力做正功，分子势能减小，而分子力可能增也可能减，还有可能先增后减；而当分子间距小于r0时，分子间表现为斥力，此时分子间距增大时，分子势能减小，分子力一定减小．因此只有选项B是正确的．
点评：①要善于运用分子力做功W与分子势能变化之间的关系(W为正时分子势能减小，W为负时分子势能增加)进行分子力做功以及分子势能变化问题的讨论，它是分析该类问题的重要手段；②利用分子力随分子间距变化的图像讨论分子力的变化特点及其做功情况，具有直观、方便的优点，应给予足够的重视．
三、内能、热和功
例3 下列关于物体内能的说法，正确的是
A．若两物体质量和温度相等，且为同种物质时，它们的内能一定相等
B．1克0℃的氧气的内能比1克0℃的氢气的内能大
C．若物体吸热，则温度一定升高，内能一定增大
D．若外界对物体做功，则物体的温度可能不变，内能可能减小
解析：物体中所有分子的动能和势能的总和叫做物体的内能，其大小E内=(分子的平均动能Ek+分子的平均势能Ep)×分子总数N．其中Ek取决于温度，Ep与分子间距有关(宏观上表现为跟体积有关)，N则取决于物质的摩尔数，因此物体的内能与物质的种类以及物体的质量、温度和体积有关．质量、温度都相同的同种物体，其体积可能不等(如0℃的水和冰)，因而内能可能不相等，故A错误．1克0℃的氧气+与1克0℃的氢气比较，其分子平均动能相等，但氧气的分子数较少，故氧气的内能较小，B错误．物体吸热可能仅使分子势能增加，而不改变温度(如100℃的水汽化为100℃的水蒸气)；另外，物体吸热时也可能同时伴随着对外做功，使得内能不变或减小，故C也错．外界对物体做功时，可能同时伴随有放热过程，物体内能减小、温度不变都有可能，因此D正确．
点评：分析物体内能大小及其变化情况通常有两条途径：其一是根据内能大小的决定因素进行分析判断；其二是根据改变内能的两种方式――做功和热传递，由热力学第一定律进行分析判断．
四、热力学定律与能量守恒
例4 下列说法正确的是
A．一切不违反能量守恒定律的物理过程都是可以实现的
B．热量不可能从低温物体传到高温物体
C．只要对内燃机不断进行改进，就可以把内燃机得到的全部内能转化为机械能
D．“能量耗散”仍然符合能量守恒
解析：自然界中，满足能量守恒定律的过程并不都是能自发进行的，而是具有一定的方向性．例如第二类永动机并不违反能量守恒定律，但违反热力学第二定律，故而不能实现，所以A错误．在一定的条件下，热量可从低温物体传到高温物体(如电冰箱)，因此B错误．C违背了热力学第二定律，故错误．“能量耗散”是指有些能量流散到周围环境中，不能重新收集起来加以利用的现象．能量“耗散”不是能量的“消失”，它仍然存在于自然界中，因此D正确．
点评：自然界中物体的运动变化常常需要综合满足多条规律。热力学第一定律是能量的转化与守恒在热力学过程中的体现，它对过程没有条件和方向的限制，只指出在任何热力学过程中能量不会有任何增加或损失．热力学第二定律则独立于热力学第一定律，它反映了热力学过程进行的方向的规律，即回答了哪些热力学过程可以发生．
五、气体的状态参量及其变化规律
例5 下列对一定质量的气体的判断，正确的是
A．当温度升高时，单位时间内与器壁单位面积碰撞的分子数必定增加
B．当压强不变而体积和温度变化时，单位时间内与器壁单位面积碰撞的分子数必定变化
C．体积和温度都增加时，其压强一定增大
D．体积和压强都减小时，其温度一定降低
解析：一定质量的气体在单位时间内与器壁单位面积的碰撞次数N，取决于分子密度n和分子运动的 剧烈程度，即与体积V和温度T两个因素都有关．当T增大时，V也可能变化，所以N不一定增加，故A错．同理，当V和T都变化时，N也可能不变，因而B也错．气体压强的大小取决于分子平均动能(宏观上表现为温度T)和分子密度n两个因素．当V增大时，n减小，将使压强ρ减小；但T的增大又将使ρ增大，因而当V和T，都增大时，ρ不一定增大，故C错．同理，V减小使n增大，此时若要使ρ减小，T一定得减小，故D正确．
点评：我们以分子运动理论为基础，从决定气体压强大小的各因素出发对本题展开分析和讨论．事实上，气体状态参量的变化问题还可由一定量气体状态参量变化的规律pv/T=c(恒量)展开讨论．虽然考试大纲对此并未作要求，但借此分析该类问题更为简捷、方便．
六、气体的内能及其变化
例6 如图2所示，绝热隔板K把绝热的气缸分隔成体积相等的两部分，K与气缸壁的接触是光滑的．两部分中分别盛有相同质量、相同温度的同种气体a和b气体分子之间的相互作用力可忽略．现通过电热丝对气体a加热一段时间后，a、b各自达到新的平衡，则有
A．a的体积增大了，压强变小了
B．b的温度升高了
c．加热后a的分子热运动比b的分子热运动更激烈
D．a增加的内能大于b增加的内能
解析：由于气缸和隔板均是绝热的，当a气体被加热时，其分子热运动加剧，使其压强增大而推动隔板右移，对b气体做功，使b气体内能增加，同时使b压强也增大；当达到新的平衡时，a、b压强相等且均比原来大，故A错误，B正确．达到新的平衡后，由于。和6是质量相同的同种气体，且压强相等，而b的分子密度大于a，因此a分子运动的剧烈程度应大于b，a的温度较高，内能较大，故C、D正确．所以正确答案为：B、C、D．
点评：因通常情况下气体的分子力几乎为零，其分子势能可以忽略，因此气体的内能即为气体分子的总动能，它仅由质量和温度决定．对于一定量的气体来说，内能的变化仅取决于温度的改变，这是气体内能的一个重要特点．
七、气体问题的综合分析
例7 如图3所示，气缸内用活塞密封一定质量的空气，活塞与气缸无摩擦．开始时活塞处于静止状态，给气缸加热后，活塞匀速缓慢地向上移动一定距离，在这过程中
A．缸内空气分子间斥力一定增大
B．缸内空气分子平均动能一定增大
C．缸内空气吸收的热量有可能等于对外做的功
D．缸内空气对外做的功等于活塞重力势能的增加量
解析：活塞上移时，缸内空气体积增大，分子间距增大，分子间的斥力减小，故A错误．分析活塞的受力情况可知，活塞缓慢上移时缸内气压不变，而气体分子密度减小，则其分子热运动一定加剧，温度升高，分子动能增大，故B正确．根据热力学第一定律可知，缸内空气吸收的热量等于对外做的功与其内能的增量之和，所以C错误．以活塞为研究对象，由功能关系可知，缸内空气与缸外大气对活塞做的总功等于活塞重力势能的增加量，因此D错误．
点评：气体状态参量的变化规律和热力学第一定律是同时制约气体状态变化过程的两个基本规律，也是分析气体状态变化问题的两个重要依据．当根据其中的一个规律对气体的状态变化过程不能作出充分判断时，可求助于另一规律．
