《高中物理思維方法集解》試筆系列

 “物態(tài)、物態(tài)變化”和“熱力學定律”

高級物理教師       魏德田 

     所謂物態(tài)即物質(zhì)存在的固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)（以及固液態(tài)）等幾種聚集狀態(tài)。不同物質(zhì)狀態(tài)之間發(fā)生相互轉(zhuǎn)變——物態(tài)變化時，則會發(fā)生相應(yīng)的能量交換，而探討這種能量交換則必須應(yīng)用熔化熱、汽化熱以及熱平衡方程等知識。

    所謂熱力學定律即指熱一律、（進而演變?yōu)槟芰渴睾愣桑岫伞?/span>*熱三律等規(guī)律。

                       一、破解依據(jù)

欲順利解決此類問題，試歸納以下幾條依據(jù)：

㈠物態(tài)及物態(tài)變化（略）

⑴熱平衡方程 或；⑵熔化熱；⑶汽化熱。

㈡內(nèi)能和內(nèi)能改變

⑴內(nèi)能：包括①分子勢能；②分子動能。

⑵內(nèi)能改變

①做功；  ②熱傳遞。

⑶分子力、分子勢能與分子距離的關(guān)系（見[例題5]）。

㈢熱力學第一定律

⑴公式：  ⑵符號規(guī)定：若系統(tǒng)內(nèi)能增加（或減少），則（或）；吸（或放）熱，則（或）；而其對內(nèi)（或外做功），則（或）。

㈣熱力學第二定律等（略）

㈤能量守恒定律（略）

二、精選例題

[例題1]（08上海物理）已知理想氣體的內(nèi)能與溫度成正比。如圖所示的實線為汽缸內(nèi)一定質(zhì)量的理想氣體由狀態(tài)1到狀態(tài)2的變化曲線，則在整個過程中汽缸內(nèi)氣體的內(nèi)能（    ）

A．先增大后減小 B.先減小后增

C．單調(diào)變化        D.保持不變

[例題2]（07天津）A、B兩裝置，均由一支一端封閉、一端開口且?guī)в胁Ａ莸墓軤钊萜骱退y槽組成，除玻璃泡在管上的位置不同外，其他條件都相同。將兩管抽成真空后，開口向下豎起插入水銀槽中（插入過程沒有空氣進入管內(nèi)），水銀柱上升至圖示—2位置停止。假設(shè)這一過程水銀與外界沒有熱交換，則下列說法正確的是（    ）

A.A中水銀的內(nèi)能增量大于B中水銀的內(nèi)能增量

B.B中水銀的內(nèi)能增量大于A中水銀的內(nèi)能增量

C.A和B中水銀體積保持不變，故內(nèi)能增量相同

D.A和B中水銀溫度始終相同，故內(nèi)能增量相同

[例題3]（08四川）物體吸收熱量，其溫度一定升高（    ）

    B．熱量只能從高溫物體向低溫物體傳遞

    C．遵守熱力學第一定律的過程一定能實現(xiàn)

    D．做功和熱傳遞是改變物體內(nèi)能的兩種方式

[例題4](08重慶)地面附近有一正在上升的空氣團，它與外界的熱交熱忽略不計.已知大氣壓強隨高度增加而降低，則該氣團在此上升過程中（不計氣團內(nèi)分子間的勢能）(    )

A.體積減小，溫度降低                            B.體積減小，溫度不變

C.體積增大，溫度降低                     D.體積增大，溫度不變

[例題5]（05全國Ⅱ）對于定量氣體，可能發(fā)生的過程是（    ）

    A.等壓壓縮，溫度降低           B.等溫吸熱，體積不變

    C.發(fā)出熱量，內(nèi)能增加           D.絕熱壓縮，內(nèi)能不變  

[例題6]（06廣東）圖—3為電冰箱的工作原理示意圖。壓縮機工作時，強迫致冷劑在冰箱內(nèi)外的管道中不斷循環(huán)。在蒸發(fā)器中致冷劑汽化吸收箱體內(nèi)的熱量，經(jīng)過冷凝器時致冷劑液化，放出熱量到箱體外。下列說法正確的是(    )

A．熱量可以自發(fā)地從冰箱內(nèi)傳到冰箱外

B．電冰箱的致冷系統(tǒng)能夠不斷地把冰箱內(nèi)的熱量傳到外界，是因為其消耗了電能

C．電冰箱的工作原理不違反熱力學第一定律

D．電冰箱的工作原理違反熱力學第一定律

[例題7]（06天津）下列說法正確的是(     )

　  A．任何物體的內(nèi)能就是組成物體的所有分子熱運動動能的總和

　  B．只要對內(nèi)燃機不斷改進，就可以把內(nèi)燃機得到的全部內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能

　  C．做功和熱傳遞在改變內(nèi)能的方式上是不同的

　  D．滿足能量守恒定律的物理過程都能自發(fā)進行

[例題8](06重慶)如題圖—4，某同學將空的薄金屬筒開口向下壓入水中。設(shè)水溫均勻且恒定，筒內(nèi)空氣無泄漏，不計氣體分子間相互作用，則被淹沒的金屬筒在緩慢下降過程中，筒內(nèi)空氣體積減小(     )

　  A．從外界吸熱　　　　B．內(nèi)能增大

　  C.向外界放熱　　　　 D．內(nèi)能減小

[例題9] (06廣東物理)關(guān)于永動機和熱力學定律的討論，下列敘述正確的是(     )

A．第二類永動機違反能量守恒定律

B．如果物體從外界吸收了熱量，則物體的內(nèi)能一定增加

C．外界對物體做功，則物體的內(nèi)能一定增加

D．做功和熱傳遞都可以改變物體的內(nèi)能，但從能量轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的觀點來看這兩種改變方式 是有區(qū)別的

[例題10]（06北京）　如圖—5所示，兩個相通的容器P、Q間裝有閥門K、P中充滿氣體，Q為真空，整個系統(tǒng)與外界沒有熱交換.打開閥門K后，P中的氣體進入Q中，最終達到平衡，則(    )

A.氣體體積膨脹，內(nèi)能增加
B.氣體分子勢能減少，內(nèi)能增加
C.氣體分子勢能增加，壓強可能不變
D.Q中氣體不可能自發(fā)地全部退回到P中　

[例題11](07全國II)對一定質(zhì)量的氣體，下列說法正確的是(    )

    A、在體積緩慢不斷增大的過程中，氣體一定對外界做功

    B、在壓強不斷增大有過程中，外界對氣體一定做功

    C、在體積不斷被壓縮的過程中，內(nèi)能一定增加

    D、在與外界沒有發(fā)生熱量交換的過程中，內(nèi)能一定不變

[例題12]（06全國I）下列說法中正確的是(    )

A.氣體的溫度升高時，分子的熱運動變得劇烈，分子的平均動能增大，撞擊器壁時對器壁的作用力增大，從而氣體的壓強一定增大

B.氣體體積變小時，單位體積的分子數(shù)增多，單位時間內(nèi)打到器壁單位面積上的分子數(shù)增多，從而氣體的壓強一定增大

C.壓縮一定量的氣體，氣體的內(nèi)能一定增加

D.分子a從遠外趨近固定不動的分子b，當a到達受b的作用力為零處時，a的動能一定最大

[例題13](06全國II) 對一定質(zhì)量的氣體，若用N表示單位時間內(nèi)與器壁單位面積碰撞的分子數(shù)，則(    )

A．當體積減小時，N必定增加　　

B．當溫度升高時，N必定增加

　  C．當壓強不變而體積和溫度變化時，N必定變化

D．當壓強不變而體積和溫度變化時，N可能不變

[例題14](07江蘇物理)圖—6所示，絕熱氣缸中間用固定栓將可無摩擦移動的導(dǎo)熱隔板固定，隔板質(zhì)量不計，左右兩室分別充有一定量的氫氣和氧氣(視為理想氣體).初始時，兩室氣體的溫度相等，氫氣的壓強大于氧氣的壓強，松開固定栓直至系統(tǒng)重新達到平衡，下列說法中正確的是(    )

    A、初始時氫分子的平均動能大于氧分子的平均動能

    B、系統(tǒng)重新達到平衡時，氫氣的內(nèi)能比初始時的小

    C、松開固定栓直至系統(tǒng)重新達到平衡的過程中有熱量從氧氣傳遞到氫氣

    D、松開固定栓直至系統(tǒng)重新達到平衡的過程中，氧氣的內(nèi)能先增大后減小

[例題15](07重慶)氧氣鋼瓶充氣后壓強高于外界人氣壓，假設(shè)緩慢漏氣時瓶內(nèi)外溫度始終相等且保持不變，氧氣分子之間的相互作用.在該漏氣過程中瓶內(nèi)氧氣(    )

    A．分子總數(shù)減少，分子總動能不變；　　　　B．密度降低，分子平均動能不變

    C．吸收熱量，膨脹做功；　　　　　　　　　D．壓強降低，不對外做功

    [例題16](07全國I)如圖—7所示，質(zhì)量為m的活塞將一定質(zhì)量的氣體封閉在氣缸內(nèi)，活塞與氣缸之間無摩擦.a態(tài)是氣缸放在冰水混合物中氣體達到的平衡狀態(tài)，b態(tài)是氣缸從容器中移出后，在室溫(27oC)中達到的平衡狀態(tài).氣體從a態(tài)變化到b態(tài)的過程中大氣壓強保持不變.若因下列說法正確的是(    )

    A、與b態(tài)相比，a態(tài)的氣體分子在單位時間內(nèi)撞擊活塞的個數(shù)較多

    B、與a態(tài)相比，b態(tài)的氣體分子在單位時間內(nèi)對活塞的沖量較大

    C、在相同時間內(nèi)，a、b兩態(tài)的氣體分子對活塞的沖量相等

    D、從a態(tài)到b態(tài)，氣體的內(nèi)能增加，外界對氣體做功，氣體對外界釋放了熱量

[例題17]（04上海）利用掃描隧道顯微鏡（STM）可以得到物質(zhì)表面原子排列的圖象，從而可以研究物質(zhì)的構(gòu)成規(guī)律，下面的照片是一些晶體材料表面的STM圖象，通過觀察、比較，可以看到這些材料都是由原子在空間排列而構(gòu)成的，具有一定的結(jié)構(gòu)特征，則構(gòu)成這些材料的原子在物質(zhì)表面排列的共同特點是

(1)_____________________________________________________________________；

(2)_____________________________________________________________________。

 [例題18]（03江蘇）如圖—8，甲分子固定在坐標原點O，乙分子位于x軸上，甲分子對乙分子的作用力與兩分子間距離的關(guān)系如圖中曲線所示。F>0為斥力，F<0為引力。a、b、c、d為x軸上四個特定的位置?，F(xiàn)把乙分子從a處由靜止釋放，則（    ）                              

A.乙分子從a到b做加速運動，由b到c做減速運動

B.乙分子從a到c做加速運動，到達c時速度最大

C.乙分子由a到b的過程中，兩分子間的分子勢能一直減少

D.乙分子由b到d的過程中，兩分子間的分子勢能一直增加

[例題19](08寧夏) (1)如圖—9所示，由導(dǎo)熱材料制成的氣缸和活塞將一定質(zhì)量的理想氣體封閉在氣缸內(nèi)，活塞與氣缸壁之間無摩擦，活塞上方存有少量液體。將一細管插入液體，由于虹吸現(xiàn)象，活塞上方液體逐漸流出。在此過程中，大氣壓強與外界的溫度保持不變。關(guān)于這一過程，下列說法正確的是          。（填入選項前的字母，有填錯的不得分）

A.氣體分子的平均動能逐漸增大

B.單位時間氣體分子對活塞撞擊的次數(shù)增多

C.單位時間氣體分子對活塞的沖量保持不變

D.氣體對外界做功等于氣體從外界吸收的熱量

(2)如圖—10，一定質(zhì)量的理想氣體被活塞封閉在可導(dǎo)熱的氣缸內(nèi)，活塞相對于底部的高度為h，可沿氣缸無摩擦地滑動。取一小盒沙子緩慢地倒在活塞的上表面上。沙子倒完時，活塞下降了h/4。再取相同質(zhì)量的一小盒沙子緩慢地倒在活塞的上表面上。外界天氣的壓強和溫度始終保持不變，求此次沙子倒完時活塞距氣缸底部的高度。

[例題20]（07寧夏）如圖—11所示，兩個可導(dǎo)熱的氣缸豎直放置，它們的底部都由一細管連通（忽略細管的容積）。兩氣缸各有一個活塞，質(zhì)量分別為m₁和m₂，活塞與氣缸無摩擦?；钊南路綖槔硐霘怏w，上方為真空。當氣體處于平衡狀態(tài)時，兩活塞位于同一高度h。（已知m₁＝3m，m₂＝2m）

（1）在兩活塞上同時各放一質(zhì)量為m的物塊，求氣體再次達到平衡后兩活塞的高度差（假定環(huán)境溫度始終保持為T₀）。

（2）在達到上一問的終態(tài)后，環(huán)境溫度由T₀緩慢上升到T，試問在這個過程中，氣體對活塞做了多少功？氣體是吸收還是放出了熱量？（假定在氣體狀態(tài)變化過程中，兩物塊均不會碰到氣缸頂部）。

三、參考答案

⒈B⒉B⒊D⒋C⒌A C⒍BC⒎C⒏C⒐D⒑D⒒A⒓D⒔C⒕CD⒖BC⒗AC

17.[解析]在確定方向上原子有規(guī)律地排列, 在不同方向上原子的排列規(guī)律一般不同,原子排列具有一定對稱性等.

18.答案:BC

     [點撥]順便說明,分子力、分子勢能曲線各不相同，它們雖皆有最小值，由圖？可知其分子距離一個為ob點，另一個為0c，讀者細思之。

19.[解析]（1）D

（2）設(shè)大氣和活塞對氣體的總壓強為p₀，加一小盒沙子對氣體產(chǎn)生的壓強為p，由玻馬定律得

---- ①                            

由①式得

                      ------------------ ②

再加一小盒沙子后，氣體的壓強變?yōu)?/span>p₀+2p。設(shè)第二次加沙子后，活塞的高度為h′

′---------③

聯(lián)立②③式解得

h′=                                           

20.[解析] ⑴首先，設(shè)左、右活塞的面積分別為A^/和A，由于氣體處于平衡狀態(tài)，故兩活塞對氣體的壓強相等，即

 ---------------①

由此可得

-------------------②

顯見，右活塞面積較小。

然后，分析可知，在兩個活塞上各加一質(zhì)量為m的物塊后，由于右側(cè)壓強增加的多，使得右活塞降至氣缸底部，所有氣體都在左氣缸中。

由①②式，可得初態(tài)時氣體的壓強為，體積為；末態(tài)時氣體壓強為，設(shè)x為左活塞的高度，體積為。再由玻意耳－馬略特定律得

--------③

由此解得  ，亦即兩活塞的高度差為

⑵接下來，當溫度由T₀上升至T時，分析可知右活塞仍在氣缸底部，氣體的壓強始終為。設(shè)x^/是溫度達到T時左活塞的高度，由蓋·呂薩克定律得

 -------------④

容易求出活塞對氣體做的功為

最后，由熱一律可知，在此過程中氣體吸收熱量。

                                            (2017-08-04  經(jīng)典重發(fā))