2.3 气体实验定律的微观解释 课件-2024-2025学年高二下学期物理粤教版（2019）选择性必修第三册

2.3 气体实验定律的微观解释 第二章　气体、液体和固体 从微观分子的运动及统计规律来看，气体的压强是大量气体分子频繁碰撞器壁的结果。 我们都有这样的经验： 当稀疏的雨点打在伞上时，我们感到伞上各 处受力是不均匀的，而且是断续的； 但当密集的雨点打到伞上时，就会感到雨伞 受到一个均匀的、持续的压力。 一、气体压强的微观解释 气体压强产生的原因与此相似，单个分子对器壁的冲力是短暂的，分子运动的速率各不相同，对器壁的冲击力也各不相同，但大量分子频繁地碰撞器壁，就会对器壁产生持续的、均匀的压力。 所以，从分子动理论的观点来看， 气体压强是大量气体分子对器壁作用 的宏观效果，大小等于大量气体分子 作用在器壁单位面积上的平均作用力。 由分子动理论和气体分子运动的统计规律可以知道，就大量分子而言，气体质量一定时，如果温度不变，体积越小，单位体积内气体分子数目越多，撞击器壁的分子数目越多，撞击的平均作用力越大，压强越大；如果体积不变，温度越高，气体分子热运动的平均速率越大，撞击的平均作用力越大，压强越大。据此我们能很好地解释气体实验定律。 二、气体实验定律的微观解释 一定质量的气体，温度保持不变时，气体分子热运动的平均速率一定，若气体体积减小，分子的密集程度增大，气体压强增大。反之，若气体体积增大，分子的密集程度减小小，气体压强减小。这就是玻意耳定律的微观解释。 一定质量的气体，体积保持不变时，气体分子的密集程度保持不变，若气体温度升高，分子的热运动的平均速率增大，气体压强增大。反之，若气体温度降低，分子热运动的平均速率减小，气体压强减小，这就是查理定律的微观解释。 有人做过这样一个实验：在1个标准大气压下，取空气、氢气、一氧化碳和二氧化碳各1dm3，分别将它们等温压缩至其压强均为2个标准大气压，测其体积，计算pV的乘积，结果如表所示。 气体 空气 氢气 一氧化碳 二氧化碳 pV 0.99977 1.00028 0.99974 0.99720 观察表中数据，实际气体压缩过程是否严格遵循气体实验定律？ 三、理想气体 在对气体实验定律的进一步精确实验研究中可以发现，任何实际气体都只是在压强不太大、温度不太低的情况下近似地遵循相关的定律。当压强较大、温度很低时，气体实验定律就不适用了。压强越大，单位体积内分子数目越多，这种偏离就越显著。事实上，任何气体在高压、低温下都会发生液化甚至成为固体。正因为如此，在p-T图线或V-T图线中，等容线和等压线在温度很低的一段是用虚线表示的。 虽然实际气体不严格遵循气体实验定律，但为了研究方便，我们可以设想有一种严格遵循气体实验定律的气体，这样的气体被称为理想气体。根据气体实验定律，可以推导出一定质量的某种理想气体，其压强、体积和热力学温度三个参量满足以下关系： 式中c是与p、V、T无关的常量，表明压强跟体积的乘积与热力学温度的比值保持不变。这就是一定质量的理想气体状态方程。 理想气体实际上是不存在的，它是对实际气体的一种理想化的简化模型。在通常的条件下，氢气、氧气、空气等气体都能很好地遵循气体实验定律，因此常把它们当作理想气体处理。 为何实际气体不严格遵循气体实验定律呢？人们通过理论分析确认，如果忽略分子的大小，将分子看作质点，同时忽略分子间的相互作用（除相互碰撞外），则气体将会严格遵循气体实验定律。因此，理想气体的理想化微观模型是分子有质量而没有体积，分子间除相互碰撞外，没有相互作用力。而实际气体，只有在常温常压下，分子间间距较大，分子的大小及相互作用力可以忽略时，才基本遵循气体实验定律。当气体压强很大、温度很低时，单位体积内分子数很多，分子非常密集，分子的大小及分子间相互作用力不可忽略时，气体实验定律也就不适用了。 1.理想气体 (1)定义：在任何温度、任何压强下都遵从气体实验定律的气体叫理想气体。 (2)特点①理想气体是一种理想化模型，是对实际气体的科学抽象。②在压强不太大（不超过大气压的几倍），温度不太低（不低于零下几十摄氏度）时，可以把实际气体近似地视为理想气体。 2.理想气体的状态方程一定质量的某种理想气体，由初状态（p1、V1、T1）变化到末状态 (p2、V2、T2)时，各量满足，其中c为常数， c与压强 p、体积V、温度T无关，与气体的质量、种类有关。 1.气体压强从微观角度看是大量气体分子频繁碰撞容器壁而产生的一个持续的压力效果.一同学用如图实验装置模拟这一情境.桌面上放一台秤，用杯子向台秤上倾倒大豆，观察台秤的示数.关于实验现象及推论，下列说法正确的是 ( 　) A.只增大倾倒大豆的杯子高度，台秤示数会减小 B.只增加相同时间内倾倒大豆的数量，台秤示数会减小 C.气体分子与容器壁的碰撞越剧烈、越频繁，则气体压强就越大 D.一定质量的气体，其温度越高、体积越大，则气体压强就越大 课堂检测 解析：倾倒大豆的杯子高度增大，类似与器壁发生碰撞的气体分子的平均速率增大，压强增大，压力增大，因此台秤示数增大，故A错误；倾倒大豆时大豆对台秤有力的作用，这个力是大豆对台秤的压力，相同时间内倾倒的大豆越多，类似与器壁发生碰撞的气体分子的数目越多，压强越大，压力越大，因此台秤的示数越大，故B错误；气体分子与容器壁的碰撞越剧烈、越频繁，即在单位时间内作用在器壁单位面积上的平均作用力越大，则气体压强越大，故C正确；一定质量的气体，其温度越高、体积越大，气体压强不一定越大，故D错误. 答案：C 2.从冰箱中拿出的空瓶，一段时间后瓶塞弹出，其原因是 ( 　) A.瓶内气体分子数增加 B.瓶内所有气体分子的运动都更剧烈 C.瓶塞所受合外力变小 D.瓶塞受瓶内气体分子的作用力变大 D 解析：瓶子是密封的，故瓶内气体分子数不变，故A错误；温度是分子平均动能的标志，从冰箱中取出后温度将上升，分子平均动能增大，但不是每个分子的动能都增大，故B错误；瓶塞在冰箱中不动，合外力为零，取出后瓶塞弹出，合外力不为零，此时合外力增大，故C错误；瓶内气体体积不变，温度升高，故压强增大，所以瓶塞受瓶内气体分子的作用力变大，故D正确. 3.对于一定质量的理想气体，下列说法正确的是 (　　) A.增大压强，气体温度一定也升高 B.压强减小，降低温度，气体分子间的平均距离一定减小 C.保持体积不变，降低温度，气体分子单位时间内碰撞器壁单位面积的次数可能增多 D.降低温度，减小体积，气体分子单位时间内碰撞器壁单位面积的次数可能增多 解析：根据理想气体状态方程=c可知，增大压强时，若体积减小，则温度可能不变，A错误；同理，当压强减小，降低温度时，气体的体积有可能增大，也有可能减小，此时气体分子间的平均距离可能增大，也可能减小，B错误；保持体积不变，单位体积内的分子数不变，降低温度，根据=c可知，压强减小，气体分子的平均动能减小，气体分子单位时间内碰撞器壁单位面积的次数减少，C错误；降低温度，分子的平均动能减小，减小体积，单位体积内的分子数增多，根据=c可知，压强有可能增大，气体分子单位时间内碰撞器壁单位面积的次数可能增多，D正确. 答案：D 4.(多选)一定质量的理想气体，从图中A状态开始，经历了B、C，最后到D状态，下列说法中正确的是 (　 　) A.A→B温度升高，体积不变 B.B→C压强不变，体积变小 C.C→D压强变小，体积变小 D.B点的温度最高，C点的体积最小 解析：从图像直接看出A→B温度升高，因为AB延长线经过原点，是等容线，体积不变，A正确；B→C是等压线，压强不变，根据 =c，压强不变，随着温度降低，体积变小，B正确；根据 =c，C→D温度不变，压强变小，体积增大，C错误；由图线直接看出， B点的温度最高，根据 =c得，=， 气体的体积与p-T图像的斜率成反比， 由图像得kA=kB<kD<kC，则VA=VB>VD>VC，所以C点的体积最小，D正确. 答案：ABD 5.如图所示，圆柱形气缸A中用质量为2m的活塞封闭了一定质量的理想气体，气体温度为27 ℃，气缸中的活塞通过滑轮系统悬挂一质量为m的重物，稳定时活塞与气缸底部的距离为h，现在重物m上加挂一个质量为的小物体，已知大气压强为p0，活塞横截面积为S，m=，不计一切摩擦，求当气体温度升高到37 ℃且系统重新稳定后，重物m下降的高度. 解析：以气缸内气体为研究对象， 初状态：p1S+mg=p0S+2mg V1=hS，T1=300 K 末状态：p2S+mg=p0S+2mg V2=(h+Δh)S，T2=310 K 由题意知m=，解得p1=2p0，p2=p0 根据理想气体状态方程= 解得Δh=0.24h. FormatFactory : www.pcfreetime.com FormatFactory : www.pcfreetime.com $$