第14讲 热学(复习讲义)-【优化探究】2026年高考物理二轮专题复习配套课件（广东专版）

专题六　热学 原子物理 [构建知识网络] 第14讲　热学 [高考素养]　1.理解分子动理论,知道固体、液体和气体的特点。2.能熟练应用气体实验定律和理想气体状态方程解决问题。3.会分析热力学定律与气体实验定律结合的问题。 课堂巩固　强化关键能力 考点一　分子动理论 固体和液体 考点二　气体实验定律 理想气体状态方程 考点三　热力学定律与气体实验定律相结合问题 内容索引 考点四　常见的变质量气体问题 考点一　分子动理论 固体 和液体 一 7 1.估算问题 (1)分子总数:N=nNA=NA=NA。 (2)两种分子模型:①球体模型:V=πR3=πd3(d为球体直径);②立方体模型:V=a3。 2.分子热运动 分子永不停息地做无规则运动,温度越高,分子的无规则运动越剧烈,即平均速率越大,但某个分子的瞬时速率不一定大。实例:布朗运动和扩散现象。 3.分子间作用力、分子势能与分子间距离的关系 4.气体压强的微观解释 5.晶体与非晶体 分类 晶体 非晶体 单晶体 多晶体 外形 规则 不规则 物理性质 各向异性 各向同性 熔点 确定 不确定 原子排列 有规则,但多晶体每个晶体间的排列无规则 无规则 联系 晶体与非晶体在一定条件下可以相互转化 6.液体 (1)表面张力:使液体表面积收缩到最小。 (2)液晶:既具有液体的流动性又具有晶体的光学各向异性。 [例1]　(2025·广东汕头一模)半导体掺杂对于半导体工业有着举足轻重的作用,其中一种技术是将掺杂源物质与硅晶体在高温(800到1 250摄氏度)状态下接触,掺杂源物质的分子由于热运动渗透进硅晶体的表面,温度越高掺杂效果越显著,下列说法正确的是 (　　) A.这种渗透过程是自发可逆的 B.硅晶体具有光学上的各向同性 C.这种渗透过程是分子的扩散现象 D.温度越高掺杂效果越好是因为温度升高时,所有分子的热运动速率都增加 C [解析]　掺杂源物质的分子由于热运动渗透进硅晶体的表面,所以这种渗透过程是分子的扩散现象,该过程为自发过程,其逆过程不能自发进行,故A错误,C正确;由于硅晶体的晶格结构,硅晶体具有光学上的各向异性,故B错误;温度越高掺杂效果越好是因为温度升高时,分子的平均速率增大,并不是所有分子的热运动速率都增加,故D错误。 [例2]　(多选)(2025·广东佛山模拟)如图甲、乙所示,分别表示两分子间的作用力、分子势能与两分子间距离的关系。分子a固定在坐标原点O处,分子b从r=r4处以某一速度向分子a运动(运动过程中仅考虑分子间作用力),假定两个分子的距离为无穷远时它们的分子势能为0,则(　　) A.图甲中分子间距从r2到r3,分子间的引力 增大,斥力减小 B.分子b运动至r3和r1位置时动能可能相等 C.图乙中r5一定大于图甲中r2 D.若图甲中阴影面积S1=S2,则两分子间最小距离小于r1 BD [解析]　题图甲中分子间距从r2到r3,分子间的引力、斥力均减小,分子间作用力增大,故A错误;分子b从r3到r2和从r2到r1两过程,若图像与横轴所围面积相等,则分子间作用力做功为0,动能变化量为0,分子b在r3和r1两位置时动能可能相等,故B正确;题图甲中r2处分子间作用力为0,分子b在此处分子势能最小,应对应题图乙中r6处,即题图乙中r5一定小于题图甲中r2,故C错误;若题图甲中阴影面积S1=S2,则分子b从r4到r1过程分子间作用力做功为0,分子b在r4处速度不为0,则分子b在r1处速度不为0,将继续运动,靠近分子a,故D正确。 [例3]　 (2025·山东卷)分子间作用力F与分子间距离 r的关系如图所示,若规定两个分子间距离r等于r0时 分子势能Ep为零,则 (　　) A.只有r大于r0时,Ep为正 B.只有r小于r0时,Ep为正 C.当r不等于r0时,Ep为正 D.当r不等于r0时,Ep为负 C [解析]　两个分子间距离r等于r0时分子势能为零,从r0处随着距离的增大,此时分子间作用力表现为引力,分子间作用力做负功,故分子势能增大;从r0处随着距离的减小,此时分子间作用力表现为斥力,分子间作用力也做负功,分子势能也增大。综上可知,当r不等于r0时,Ep为正,故选C。 二 考点二　气体实验定律 理想气体状态方程 18 1.压强的计算 (1)被活塞和气缸封闭的气体,通常对活塞或气缸进行受力分析,应用平衡条件或牛顿第二定律求得气体的压强。 (2)被液柱封闭的气体一般用等压面法;在连通器中,同一种液体(中间不间断)同一深度处压强相等;液体内深h处的总压强p=p0+ρgh,p0为液面上方的压强。 2.合理选取气体变化所遵循的规律列方程 (1)若气体质量一定,p、V、T均发生变化,则选用理想气体状态方程列式求解。 (2)若气体质量一定,p、V、T中有一个量不发生变化,则选用对应的实验定律列方程求解。 3.多个研究对象的问题 由活塞或液柱相联系的两部分气体问题,要注意寻找两部分气体之间的压强、体积关系,列出关联关系方程,再结合气体实验定律或理想气体状态方程求解。 [例4]　(多选)(2025·河南卷)如图,一圆柱形气缸水平固定放置,其内部被活塞M、P、N密封成两部分,活塞P与气缸壁均绝热且两者间无摩擦。平衡时,P左、右两侧理想气体的温度分别为T1 和T2,体积分别为V1和V2,T1<T2,V1<V2,则 (　　) A.固定M、N,若两侧气体同时缓慢升高相同温度,P将右移 B.固定M、N,若两侧气体同时缓慢升高相同温度,P将左移 C.保持T1、T2不变,若M、N同时缓慢向中间移动相同距离,P将右移 D.保持T1、T2不变,若M、N同时缓慢向中间移动相同距离,P将左移 AC [解析]　设开始时两部分气体压强为p0,固定M、N,假设P不动,由查理定律得Δp1=p0,Δp2=p0,因T1<T2,则Δp1>Δp2,故P将右移,A正确,B错误;保持T1、T2不变,假设P不动,M、N移动相同的距离,则两部分气体体积减小量相同,由玻意耳定律得p0V1=p1(V1-ΔV),p0V2=p2(V2-ΔV),解得p1= p0,p2=p0,因V1<V2,则p1>p2,故P将右移,C正确,D错误。 [例5]　(2024·广东卷)差压阀可控制气体进行单向流动,广泛应用于减震系统。如图所示,A、B两个导热良好的气缸通过差压阀连接,A内轻质活塞的上方与大气连通,B内气体体积不变。当A内气体压强减去B内气体压强大于Δp时差压阀打开,A内气体缓慢进入B中,当该差值小于或等于Δp时差压阀关闭。当环境温度T1=300 K时,A内气体体积VA1=4.0×102 m3,B内气体压强pB1等于大气压强p0,已知活塞的横截面积S=0.10 m2,Δp=0.11p0,p0=1.0× 105 Pa,重力加速度大小g取10 m/s2,A、B内的气体可 视为理想气体,忽略活塞与气缸间的摩擦,差压阀与连 接管内的气体体积不计。当环境温度降到T2=270 K时: (1)求B内气体压强pB2; (2)求A内气体体积VA2; [解析]　(1)(2)假设温度降低到T2时,差压阀没有打开,A、B两个气缸导热良好,B内气体做等容变化,初态pB1=p0,T1=300 K,末态T2=270 K, 根据=,代入数据可得pB2=9×104 Pa。 A内气体做等压变化,压强保持不变, 初态VA1=4.0×102 m3,T1=300 K,末态T2=270 K, 根据=,代入数据可得VA2=3.6×102 m3。 由于p0-pB2<Δp,假设成立,即pB2=9×104 Pa,VA2=3.6×102 m3。 [答案]　(1)9×104 Pa　(2)3.6×102 m3 (3)在活塞上缓慢倒入铁砂,若B内气体压强回到p0并保持不变,求已倒入铁砂的质量m。 [解析]　恰好稳定时,A内气体压强为pA'=p0+, B内气体压强pB'=p0, 此时差压阀恰好关闭,所以有pA'-pB'=Δp, 代入数据联立解得m=1.1×102 kg。 [答案]　1.1×102 kg [例6]　(2025·广东卷)如图是某铸造原理示意图,往气室注入空气增加压强,使金属液沿升液管进入已预热的铸型室,待铸型室内金属液冷却凝固后获得铸件。柱状铸型室通过排气孔与大气相通,大气压强p0=1.0×105 Pa,铸型室底面积S1=0.2 m2,高度h1=0.2 m,底面与注气前气室内金属液面高度差H=0.15 m,柱状气室底面积S2=0.8 m2,注气前气室内气体压强为p0,金属液的密度ρ=5.0×103 kg/m3,重力加速度g取10 m/s2,空气可视为理想气体,不计升液管的体积。 (1)求金属液刚好充满铸型室时,气室内金属液面下降的高度h2和气室内气体压强p1; [解析]　根据体积关系得S1h1=S2h2, 可得气室内金属液面下降的高度h2=0.05 m, 此时气室内气体的压强p1=p0+ρg(h1+H+h2), 代入数据可得p1=1.2×105 Pa。 [答案]　0.05 m 1.2×105 Pa (2)若在注气前关闭排气孔使铸型室密封,且注气过程中铸型室内温度不变,求注气后铸型室内的金属液高度为h3=0.04 m时,气室内气体的压强p2。 [解析]　初始时,铸型室内气体的压强为p0,体积V=S1h1, 当铸型室内液面高为h3=0.04 m时,铸型室内气体的体积为V'=S1(h1-h3), 根据玻意耳定律有p0V=p'V', 可得此时铸型室内气体的压强为p'=1.25×105 Pa。 同理根据体积关系有S1h3=S2h4, 可得气室内金属液面下降的高度h4=0.01 m。 此时气室内气体的压强p2=p'+ρg(H+h3+h4),代入数据可得p2=1.35×105 Pa。 [答案]　1.35×105 Pa [以图说法] 图形示例 方法总结 一般应用平衡条件分析被封闭气体的压强,有时也应用气体实验定律分析封闭气体压强 一般应用液体压强公式、连通器原理分析被封闭气体的压强 寻找“两团气”之间的压强、体积或位移关系,列出辅助方程。然后分别针对“两团气”根据气体实验定律或理想气体状态方程列式 三 考点三　热力学定律与气体实验定律相结合问题 30 1.热力学第一定律中ΔU、W、Q的分析思路 (1)内能变化量ΔU ①由气体温度变化分析ΔU:温度升高,内能增加,ΔU>0;温度降低,内能减少,ΔU<0。 ②由公式ΔU=W+Q分析内能变化。 (2)做功情况W 由体积变化分析气体做功情况:体积膨胀,气体对外界做功,W<0;体积被压缩,外界对气体做功,W>0。 (3)气体吸、放热Q 一般由公式Q=ΔU-W分析气体的吸、放热情况:Q>0,吸热;Q<0,放热。 2.对热力学第二定律的理解 热量可以由低温物体传递到高温物体,也可以从单一热源吸收热量全部转化为功,但会产生其他影响。 名师点拨:该考点通常利用气体状态变化图像结合热力学定律解决问题,处理这类综合问题的一般思路是:根据气体图像的特点判断气体的压强、温度、体积的变化情况,从而判断气体的内能及做功情况。在处理这类问题时,应明确图像斜率和面积的物理意义,在V-T图像(或p-T图像)中,比较两个状态的压强(或体积)大小,可以比较这两个状态到原点连线的斜率的大小;在p-V图像中,图线与V轴所围面积表示气体对外界或外界对气体所做的功。 [例7]　(多选)(2025·甘肃卷)如图,一定量的理想气体从状态A经等容过程到达状态B,然后经等温过程到达状态C。已知质量一定的某种理想气体的内能只与温度有关,且随温度升高而增大。下列说法正确的是 ( 　　) A.A→B过程为吸热过程 B.B→C过程为吸热过程 C.状态A的压强比状态B的小 D.状态A的内能比状态C的小 ACD [解析]　A→B过程,体积不变,则W=0,温度升高,则ΔU>0,根据热力学第一定律ΔU=W+Q可知,Q>0,即该过程吸热,选项A正确;B→C过程,温度不变,则ΔU=0,体积减小,则W>0,根据热力学第一定律ΔU=W+Q可知,Q<0,即该过程为放热过程,选项B错误;A→B过程,体积不变,温度升高,根据=C可知,压强变大,即状态A的压强比状态B的压强小,选项C正确;状态A的温度低于状态C的温度,可知状态A的内能比状态C的小,选项D正确。 [例8]　(2023·广东卷)在驻波声场作用下,水中小气泡周围液体的压强会发生周期性变化,使小气泡周期性膨胀和收缩,气泡内气体可视为质量不变的理想气体,其膨胀和收缩过程可简化为如图所示的p-V图像,气泡内气体先从压强为p0、体积为V0、温度为T0的状态A等温膨胀到体积为5V0、压强为pB的状态B,然后从状态B绝热收缩到 体积为V0、压强为1.9p0、温度为TC的状态C,B到C过 程中外界对气体做功为W,已知p0、V0、T0和W。求: (1)pB的表达式。 [解析]　从状态A到状态B气体做等温变化,根据玻意耳定律可得pAVA=pBVB,解得pB=p0。 [答案]　pB=p0 (2)TC的表达式。 [解析]　由状态B到状态C,根据理想气体状态方程可知 =,解得TC=1.9T0。 [答案]　TC=1.9T0 (3)B到C过程,气泡内气体的内能变化了多少? [解析]　根据热力学第一定律可知ΔU=W+Q, 其中Q=0,故气体内能增加ΔU=W。 [答案]　W 四 考点四　常见的变质量气体问题 39 在充气、抽气等“变质量”问题中可以把充进或抽出的气体包含在气体变化的始、末状态中,即把变质量问题转化为恒定质量问题,从而可以利用气体实验定律或理想气体状态方程求解。 (1)充气中的变质量问题 设想将充进容器内的气体用一个无形的弹性口袋收集起来,那么当我们取容器和口袋内的全部气体为研究对象时,这些气体状态不管怎样变化,其质量总是不变的。这样,就将变质量的问题转化成质量一定的问题了。 (2)抽气中的变质量问题 用抽气筒对容器抽气的过程中,对每一次抽气而言,气体质量发生变化,其解决方法同充气问题类似,假设把每次抽出的气体包含在气体变化的始、末状态中,即用等效法把变质量问题转化为恒定质量问题。 (3)灌气问题 将一个大容器里的气体分装到多个小容器中的问题,可以把大容器中的气体和多个小容器中的气体看作整体作为研究对象,可将变质量问题转化为定质量问题。 (4)漏气问题 容器漏气过程中气体的质量不断发生变化,不能用理想气体状态方程求解。如果把容器内剩余气体与已漏出的气体看作整体作为研究对象,便可使变质量问题变成一定质量的气体状态变化的问题,可用理想气体状态方程求解。 [例9]　(2025·广东湛江二模)如图所示是一增压装置示意图,圆柱形气缸内部高为H,其底部和侧壁绝热,顶部导热。不计重力和厚度的绝热活塞将缸中空气(可视为理想气体)分隔成两部分。初始时,活塞位于气缸正中间,上、下两部分气体的压强、温度均与大气压强p0和环境温度T0相同。现通过打气筒缓慢向气缸上部充入一定量的空气后,活塞移动距离为,此时下部气体的温度为。环境温度始终保持不变, 不计活塞与气缸壁间的摩擦,活塞不漏气。求: (1)充气后气缸下部气体的压强; [解析]　设气缸内部横截面积为S,对气缸下部封闭气体,根据理想气体状态方程有=, 其中V0=,V1=,T1=, 解得p1=2.5p0。 [答案]　2.5p0 (2)充入空气的质量与气缸中原有空气的总质量之比。 [解析]　设充入的气体在压强为p0时的体积为ΔV,对气缸上部气体进行分析,根据玻意耳定律有p0·HS+p0ΔV=p2·HS, 其中p2=p1=2.5p0, 解得ΔV=HS。 气缸中原有空气的体积V=HS, 则==。 [答案]　 [例10]　(2025·广东清远模拟)我国自主研发的094型战略核潜艇,使我国核威慑力量更加有效,被称为“镇国神器”。一个体积为V的简易核潜艇模型如图所示,当储水舱中的气体体积为V0、压强为p0时,核潜艇总体积的浸没在海水中。当核潜艇用空气压缩泵缓慢排出储水舱上方的部分气体时,会吸入一定量的海水,使核潜艇恰好全部浸没在海水里并处于静止状态,此时储水舱上方气体的压强为p1。 已知储水舱中的气体可视为理想气 体,且气体温度不发生变化。求: (1)进入储水舱的海水的体积ΔV; [解析]　设海水的密度为ρ,由平衡条件得 ρgV=mg,ρgV=mg+ρgΔV, 解得ΔV=。 [答案]　 (2)储水舱剩余气体与原有气体的质量之比k。 [解析]　由玻意耳定律得p1(V0-ΔV)=p0V', 储水舱剩余气体的质量与原有气体的质量之比为 k==, 解得k=。 [答案]　 [例11]　(2025·广东深圳一模)容器A、B通过管道相连,管道左侧与容器A相通,中间与容器B相通,右端直接与外界大气相通。管道内设置了两个单向阀k1和k2,单向阀只能向右开,只允许气体从左向右移动。手持B中的活塞手柄,让活塞上下往复运动,就能把A中的部分气体抽出到大气中。已知A和B的体积分别为VA和VB,初始状态A中气体压强跟大气压相等,都等于p0,活塞横截面积为S,活塞厚度不计,管道的体积不计,不考虑气体温度的变化,活塞从B容器底部上升到顶部算作一次抽气,求: (1)第一次抽气结束时容器A中气体的压强; [解析]　第一次抽气后,设A中气体压强为p1,根据玻意耳定律得p0VA=p1(VA+VB), 解得p1=。 [答案]　 (2)开始进行第n+1次抽气时,需要对活塞手柄施加多大的拉力。 [解析]　第二次抽气时,p1VA=p2(VA+VB), 解得p2==()2p0,以此类推…… 则当n次抽气后容器A内的气体压强pn=()np0。 开始进行第n+1次抽气时,以活塞为研究对象,受力分析,有F+pnS=p0S, 解得F=(p0-pn)S=[1-()n]p0S。 [答案]　[1-()n]p0S 五 课堂巩固 强化关键能力 1.(2025·广东茂名一模)建筑工地上工人用液态金属浇筑一个金属立柱时,由于工艺缺陷在柱体内部浅层形成了一个不规则的空腔,为修补空腔需要测出空腔的体积,在金属立柱上打一个小孔,用细管将空腔内部与一个封闭的气缸相连通(如图所示),做好密封使空腔、气缸、细管内部组成一个密闭的空间。气缸上部由横截面积S=10 cm2的活塞密封,初始状态气缸内封闭的气体体积为10 L。现对活塞施加一个竖直向下的变力F,使活塞缓慢下移,当气缸内气体体积变为7 L时,外力F的大小为20 N,上述过程中外力F做的功W1=28 J。已知外界环境温度不变,金属立柱、空腔及气缸导热性良好,不计活塞质量、活塞与气缸 间的摩擦力、细管中气体的体积,大气压强p0=1.0×105 Pa。 求: (1)金属立柱内空腔的体积; [解析]　以空腔内气体和气缸内气体整体为研究对象,根据等温变化规律有 p0(10 L+V)=(+p0)(7 L+V), 解得V=8 L。 [答案]　8 L (2)气缸内气体体积由10 L变为7 L的过程中,气缸及空腔内的气体向外界放出的热量。 [解析]　上述过程中外力F做的功W1=28 J, 大气对活塞的压力F0=p0S=100 N, 可知大气对活塞做的功W2=F0 J=300 J, 外界环境温度不变,金属立柱、空腔及气缸导热性良好,内能不变,根据热力学第一定律可知0=W-Q, 解得气缸及空腔内的气体向外界放出的热量Q=W=W1+W2=328 J。 [答案]　328 J 2.(2025·陕西宝鸡二模)一物理兴趣小组的同学为测量一个形状不规则物体的体积,将其放置到密闭导热圆柱形容器底部,用质量、体积忽略不计的活塞封闭一部分理想气体。稳定时测得活塞与容器底部的距离为h,活塞横截面积为S,封闭气体的温度为T0;现把质量为m的物体轻轻放在活塞上,稳定后测得活塞下降Δh,封闭气体的温度仍为T0;缓慢加热被封闭气体,活塞缓慢上升,当温度上升到T0时,活塞上升到原位置停止。 已知外界大气压强p0恒定,Δh=0.15h,重力加速度为g,活塞 可无摩擦地滑动。求: (1)外界大气压p0; [解析]　以封闭的理想气体为研究对象,设初状态气体的压强为p1,体积为V1,温度为T1;把物体轻放在活塞上稳定后气体的压强为p2,体积为V2,温度为T2;当气体升温活塞上升到原位置时气体的压强为p3,体积为V3,温度为T3。由题意可得: 第一状态:压强p1=p0, 体积V1=Sh-V, 温度T1=T0; 第三状态:压强p3=p0+, 体积V3=Sh-V, 温度T3=T0。 从第一状态到第三状态为等容变化,根据查理定律有=, 联立解得p0=。 答案: (2)被测物体的体积V。 [解析]　第二状态:压强p2=p0+, 体积V2=S(h-Δh)-V, 温度为T2=T0。 从第一状态到第二状态为等温变化,根据玻意耳定律有p1V1=p2V2,结合上述结论解得V=0.1Sh。 [答案]　0.1Sh $