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...........................................12

題型三關于熱力學定律與能量守恒定律的理解......................................14

類型1熱力學第一定律的理解................................................14

類型2熱力學第二定律的理解................................................17

類型3熱力學第一定律與圖像的綜合應用.....................................18

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：分子質量加。、分子體積％、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p、物體的體積V、摩爾體積匕⑹等.

2.分子的兩種模型

(1)球模型：得直徑4=寸平(常用于固體和液體).

(2)立方體模型：％=/,得邊長"=函(常用于氣體).

3.幾個重要關系

（1）—個分子的質量：加0=訊.

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

（3）1mol物體的體積：VmiIi=^.

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p（單

位為kg/m，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.。克拉鉆石物質的量為等

B.。克拉鉆石所含有的分子數為色陰

C.每個鉆石分子直徑的表達式為（色染;單位為m）

D.。克拉鉆石的體積庫

【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P，阿伏伽德羅常數為NA，水的摩爾質量為M,水分子的直徑為

（I）計算體積為V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水時，液態水的體枳（將液態水分子看成球形，忽略

液態水分子間的間隙）。

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

的、非常完整的絲狀（橫截面為圓形）晶體.現有一根鐵質晶須，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p,鐵的摩爾質量為M,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（）

—B4/

d2RPNAd2“NA

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.轎車在發生

一定強度的碰撞時，疊氮化鈉（亦稱“二氮化鈉”，化學式NaNA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〃=1.25kg/n?,已

知氮氣的摩爾質量何=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/〃：

⑵氣囊中氮氣分子的總個數M

⑶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p、摩爾質量為M的理想氣體，阿伏加德羅

常數為則該容器中氣體分子的總個數N=o現將這部分氣體壓縮成液體，

體積變為壞,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（）

A.衿贏，d=^/^

C2陪4濾

類型2布朗運動與分子熱運動

擴散現象、布朗運動與熱運動的比較

現象擴散現象布朗運動熱運動

活動主體分子微小固體顆粒分子

分子的運動，發生在固

比分子大得多的微粒的分子的運動，不能通過光

區別體、液體、氣體任何兩種

運動學顯微鏡直接觀要到

物質之間

共同點①都是無規則運動；②都隨溫度的升高而更加激烈

聯系擴散現象、布朗運動都反映分子做無規則的熱運動

【例1】（2023?重慶萬州?重慶市萬州笫二高級中學校聯考模擬預測）關于下列五幅圖像說法

正確的是（）

胡椒粉在熱

水中翻滾鋁塊與金塊登在一起

甲T

A.對甲圖，加熱一鍋水時發現水中的胡椒粉在翻滾，說明溫度越高布朗運動越劇烈

B.對乙圖，半杯水與半杯酒精混合之后的總體積要小于整個杯子的容積，說明液體分子之

間有間隙

C.對丙圖，自由膨脹和擴散現象都具有雙向可逆性

D.對丁圖、擴散現象不能在固體之間發生

【例2】.（2023?山東?模擬預測）2023年3月底受冷空氣以及大風天氣影響，全國各地均出

現不同程度的沙塵天氣，內蒙古、北京等中北部地區局部有強沙塵暴，甚至局部地區出現下

“泥點''的惡劣天氣，山東、河南、安徽、江蘇等華東地區也都出現AQI（空氣質量指數）爆

表達到50（）的現象，AQI指數中一項重要指標就是大家熟知的PM2.5指數，PM2.5是指空

氣中直徑小于或等于2.5刈1的懸浮顆粒物，漂浮在空中，很難自然沉降到地面。對于上述天

氣現象的解群中正確的是（）

A.中北部地區出現的沙塵暴中的沙塵顆粒所做的無規則運動是布朗運動

B.一團質量不變的沙塵暴從溫度較低的地區吹到溫度較高的地區，溫度逐漸升高、風速逐

漸減小，其內能逐漸減小

C.PM2.5顆粒的尺寸與空氣中氧氣分子的尺寸數量級相當

D.PM2.5在空氣中的無規則運動是由于大量空氣分子無規則運動對其撞擊的不平衡性引起

的

【例3】.（2023?江蘇南京?校考二模）霧霾天氣是一種大氣污染狀態，霾粒子的分布比較均

勻，而且灰霾粒子的尺度比較小，從0.001微米到10微米，平均直徑大約在I?2微米左右，

肉眼看不到空中飄浮的顆粒物。從物理學的角度認識霧霾，下列說法正確的是（）

A.霧霾天氣中霾粒子的運動是布朗運動

B.霾粒子的運動是分子的運動

C.霾粒子的擴散形成霾

D.霾粒子的運動與溫度無關

【例4】.（2023春?江蘇?高三校聯考階段練習）工作和生活中常用空調調節室內空氣的溫度，

下列說法正確的是（）

A.空調制熱使得室內溫度上升，則室內速率小的空氣分子比例減小

B.空調風速越大，室內空氣的分子動能也越大

C.空調過濾器能夠吸附PM2.5顆粒，此顆粒的運動是分子熱運動

D.空調既能制熱又能制冷，說明熱傳遞不存在方向性

【例5】.（2023?全國?高三專題練習）圖甲和圖乙是某同學從資料中查到的兩張記錄水中炭

粒運動位置連線的圖片，記錄炭粒位置的時間間隔均為30s,兩方格紙每格表示的長度相同，

下列說法中正確的是（）

A.炭粒的運動即布朗運動，也就是分子的運動

B.炭粒的運動是由于其內部分子在不停地做無規則運動產生的

C.若水溫相同，則甲中炭粒的顆粒較大

D.若炭粒大小相同，則甲中水分子的熱運動較劇烈

【例5】.（2023?全國?校聯考模擬預測）關于布朗運動、擴散現象，下列說法中正確的是（）

A.布朗運動和擴散現象都需要在重力作用下才能進行

B.布朗運動是固體微粒的運動，反映了液體或氣體分子的無規則運動

C.布朗運動和擴散現象只能在重力作用下進行

D.擴散現象直接證明了“物質分子在永不停息地做無規則運動”，而布朗運動間接證明了這

一觀點

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

分子間的作用力尸、分子勢能與與分子間距離，?的關系圖線如圖所示（取無窮遠處分子勢能

EP=0）.

（I）當/?＞「（）時，分子間的作用力表現為引力，當;?增大時，分子間的作用力做負功，分子勢

能增大.

（2）當一＜/"（）時，分子間的作用力表現為斥力，當「減小時，分子間的作用力做負功，分子勢

能增大.

（3）當r=n）時,分子勢能最小.

2.分析物體內能問題的五點提醒

（I）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、物質的量和物態等因素有關.

⑶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.

⑸內能由物體內部分子微觀運動狀態決定，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】（2023?江蘇南通?模擬預測）研究表明，分子間的作用力尸跟分子間距離「的關系如

圖所示。則（）

A.液體表面層分子間距離略大于4

B.理想氣體分子間距離為

C.分子間距離r=今時，分子力表現為斥力

D.分子間距離廠=4時，分子勢能最小

【例2】.（2023?湖北?統考模擬預測）當分子間距離為G時，分子間的作用力為0。當分子間

距離從O.Rq增大到10%的過程中，關于分子間作用力廠和分子勢能彳的變化，下列說法正

確的是（）

A.先變小后變大再變小，Ep先減少后增加

B.尸先變小后變大再變小，與先增加后減少

C.尸先變大后變小，綜先減少后增加再減少

D.產先變小后變大，綜先減少后增加再減少

【例3】（2022?山東日照市模擬）分子間勢能由分子間距7?決定。規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廠的關系如圖所示。若一分子固定于原點。，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〃的過程中，分子之間的作用力表現為引力

C.在兩分子間距等于八處，分子之間的作用力等于（）

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4】（2023?山東日照市高三模擬）分子間勢能由分子間距，?決定.規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廠的關系如圖所示.若一分子固定于原點O,

另一分子從距。點無限遠向O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門的過程中，分子之間的作用力表現為引力

C.在兩分子間距等于〃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巴

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則的幾何外形，而多晶體和非晶體沒有天然規則的幾何外形，所以

不能從形狀上區分晶體與非晶體。

(4)晶體和非晶體不是絕對的，在某區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11(2023春?江蘇鎮江?高三校考階段練習)對下列幾種固體物質的認識，正確的有()

A.食鹽熔化過程中，溫度保持不變，說明食鹽是晶體

B.燒熱的針尖接觸涂有蜂蠟薄層的云母片背面，熔化的蜂蠟呈橢圓形，說明蜂蠟是晶體

C.天然石英表現為各向異性，是由于該物質的微粒在空間的排列不規則

D.石墨和金剛石的物理性質不同，是由于石墨是非晶體，金剛石是晶體

【例2】.(2023春?浙江杭州?高三學軍中學校考階段練習)關于卜.列插圖的說法正確的是

()

A.甲圖為方解石的雙折射現象，是因為其內部分子排列是無序的

B.乙圖中￡細管材料制作防水衣的防水效果比?細管材料好

C.丙圖為a粒子的散射實驗現象，其中，、/運動軌跡是不可能存在的

D.丁圖的絕熱容器中，抽掉隔板，容器內氣體溫度降低

【例3】.（2023?河北衡水?河北棗強中學校考模擬預測）下列說法正確的是（）

A.若1kg某種密度為p的液體具有的分子個數為〃，則分子的體積約為1kg.pT〃"

B.鐵是由許多單晶微粒紐成的，實質上是非晶體

C.半杯水和半杯酒精混合之后的總體積小于整個杯子的容積，說明液體分子在做熱運動

D.對于不浸潤現象，附著層內分子間的作用力表現為斥力

【例4】.（2023?浙江金華,統考三模）噴霧型防水劑是現在市場上廣泛銷售的特殊防水劑。

其原理是噴劑在玻璃上形成一層薄薄的保護膜，形成類似于荷葉外表的效果。水滴以楙球形

分布在表面，故無法停留在玻璃匕從而在遇到雨水的時候，雨水會自然流走，保持視野清

晰。如圖所示。下列說法正確的是（）

防雨神器

A.水滴呈橢球形的是液體表面張力作用的結果，與重力無關

B.照片中的玻璃和水滴發生了浸潤現象

C.水滴與玻璃表面接觸的那層水分子間距比水滴內部的水分子間距大

D.照片中水滴表面分子比水滴的內部密集

【例5】.（2023?遼寧沈陽遼寧實驗中學校考模擬預測〉關于氣體、固體和液體，下列說法

正確的是（）

A.液體表面張力的方向與液面垂直并指向液體內部

B.分子間同時存在著引力和斥力，當引力和斥力相等時，分子勢能最大

C.液晶具有液體的流動性，低溫時會凝固成結晶態，分子取向是有序的

D.容器中氣體分子的數密度越大，在單位時間內，與單位面枳器壁碰撞的分子越多

【例6】.（2023?江蘇南京,校考模擬預測）將兩端開口的玻璃管豎直插在水中，現象如圖所

不，則（）

A.水不浸潤玻璃

B.現象與液體的表面張力無關

C.換成直徑更小的玻璃管，管內外液面的高度差將變小

D.水與玻璃的相互作用比水分子之間的相關作用強

【例7】.（2023?江蘇南通海安高級中學校考模擬預測）將粗細不同、兩端開口的玻璃毛細

管插入裝有某種液體的容器里，現象如圖所示，則下列說法正確的是（）

A.容器中的液體可能是水銀

B.若在“問天”太空艙中進行實驗，仍然是較細毛細管中的液面更高

C.若用不同液體進行實驗，兩毛細管中的高度差相同

D.圖中毛細管附著層內的液體分子密度大于液體內部

【例8】.（2023?安徽?校聯考三模）下列有關現象說法錯誤的是（）

A.跳水運動員從水下露出水面時頭發全部貼在頭皮上，是水的表面張力作用的結果

B.地球大氣的各種氣體分子中氫分子質量小，其平均速率較大，更容易掙脫地球引力而逃

逸，因此大氣中氫含量相對較少

C.液晶電視的工作原理口利用了液晶的光學性質與某些晶體相似，具有各向異性

D.?東質量的理想氣體，如果壓強不變，體積增大，那么它可能向外界放熱

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.

夕〃〃/〃〃,5

甲乙

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，〃，活塞橫截面積為S,外界大氣壓強為po.由于活塞處于平衡狀態,

所以外S+/〃g=pS,

則氣體的壓強為〃=加+等.

圖乙中的液柱也可以看成，活塞“，由于液柱處于平衡狀態，所以〃S+〃?g=p(S

則氣體壓強為p=po--母=po—pAgh.

⑵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8和人的

壓強關系可由圖中虛線聯系起來.則有pB+pgh2=p.\,

而］)A=po+pghi，

所以氣體B的壓強為P8=Po+pgS|一九2).

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；分子速率的分布規律按“中間多、兩頭少”的統計規律分布，且這個

分布狀態與溫度有關，溫度升高時，平均速率會增大，如圖所示.

各速率區間的分子數

占總分子數的百分比

20

3.氣體壓強的微觀解釋

（I）產生原因：由于氣體分子無規則的熱運動，大量的分子頻繁地碰撞器壁產生持續而穩定

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，下列論述正碓的是（）

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】若己知大氣壓強為外，圖中各裝置均處于靜止狀態.

⑴已知液體密度均為"，重力加速度為g,求各被封閉氣體的壓強.

甲乙丙

J戊

⑵如圖中兩個汽缸質量均為M,內部橫截面積均為S,兩個活塞的質量均為機，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、&重力加速度為g,活塞與缸壁之間無摩擦，求封閉氣體A、B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

I.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.

⑶與外界絕熱，則不發生熱傳遞，此時。=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，體現在

分子動能的變化上，從宏觀上看就是溫度發生了變化.

2.三種特殊情況

（1）若過程是絕熱的，則。=0,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、末狀態物體的內能不變，即△"=（）,則W+Q=0或W=-Q,外界對物體

做的功等于物體放出的熱量.

【例1】（2023?江蘇?模擬預測）如圖所示，向一個空的鋁制飲料罐中插入一根內部粗細均勻

透明吸管，接口用蠟密封，在吸管內引入一小段油柱（長度可以忽略），如果不計大氣壓的

變化，這就是一個簡易的氣溫計。當溫度由（變為《時，油柱從離接口上處緩慢移到離接口

3L的位置。下列說法正確的是（）

A.單位時間內碰撞單位面積器壁的分子數增加

B.飲料罐內氣體的壓強變小

C.罐內氣體對外做的功夫于氣體從外界吸收的熱量

D.若給吸管標上溫度刻度值，刻度是均勻的

【例2】.（2023春?山西晉中?高三統考階段練習）圖中甲為氣壓升降椅，乙為其核心部件模

型簡圖。活塞與椅面的總質量為川，活塞橫截面積為S,氣缸內封閉一定質量的理想氣體,

穩定時氣柱長度為L，該氣缸導熱性能良好，忽略一切摩擦。某同學盤坐上椅面，穩定后缸

內氣柱長為:，」知大氣壓強為4,室內溫度為心，重力加速度為g,則（）

A.該同學的質量為爭

B.該同學坐穩后，封閉氣體的壓強增大、溫度升高

C.該同學坐穩后，室內氣溫緩慢上升至1.17；,每個氣體分子的動能都增大

D.該同學坐穩后，室內氣溫緩慢上升至L1”,該過程缸內氣體對外界做功為0.1（R）S+Mg）L

【例3】.（2023?河北?模擬預測）冬奧會上的人造雪絕非"假雪”，是對水和空氣一定比例混

合壓縮，并對混合水氣的溫度控制在。?5℃之間，再通過造雪機霧化噴出，下列說法錯誤的

是（）

A.外界空氣溫度必須低于混合水氣溫度，才能使水凝固成雪

B.對混合水氣加壓越大，雪質越好

C.噴出的混合水氣對外做功內能減小，凝固成雪

D.混合水氣噴灑得越遠，雪質越好

【例4】（2023?重慶沙坪壩?重慶八中校考二模）某同學從重慶夫西藏旅游,路途中溫度逐漸

降低，為了補充能量拿出自己所帶的堅果，發現包裝堅果的密封袋明顯膨脹。下列關于袋內

氣體（可視為質量不變的理想氣體）說法正確的是（）

A.壓強增大B.分子平均動能不變

C.一定從外界吸收熱量D.對外做功，內能減小

【例5】（2023?江蘇蘇州?統考三模）如圖所示，某同學將空的玻璃瓶開口向下緩緩壓入水中，

設水溫均勻且恒定，瓶內空氣看作理想氣體，下降過程中瓶內空氣質量不變，則（）

A.瓶內氣體分子斥力增大

B.瓶內氣體對外放出熱量

C.瓶內氣體分子平均動能增大

D.單位時間與瓶壁碰撞的分子數不變

類型2熱力學第二定律的理解

I.熱力學第二定律的含義

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

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

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，都揭示了大最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象的宏觀過程都具有方向性。

3.熱力學過程的方向性實例

⑴而溫物體部黑土抵沮物體.

日不■日科*化為題.

（3）氣體體枳匕三瞿意之氣體體積匕

（較大）.

?）不同氣體A和混合氣

T小SREHSXSTFRSKr

體AB.

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I】（2023?廣東廣州?廣東實驗中學校考模擬預測）火熱的6月即將到來，高三的同學們

也進入高考最后的沖刺，教室里的空調為同學們提供了舒爽的環境，空調的工作原理如圖所

示，以下表述高溫物體正確的是（）

高溫物體

低溫物體

A.空調的工作原理對應的是熱力學第一定律的開爾文表述制冷機

B.空調的工作原理反映了熱傳導的方向性

C.此原理圖中的G=2

D.此原理圖說明熱量不能從低溫物體傳到高溫物體

【例2】.（2023?全國?高三專題練習）熱力學第二定律表明（）

A.不可能從單一熱源吸收熱量使之全部變為有用的功

B.摩擦生熱的過程是不可逆的

C.在一個可逆過程中，工作物質凈吸熱等于對外作的功

D.熱量不可能從溫度低的物體傳到溫度高的物體

[例3][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o

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曷全部轉化為功，而不產生其他影響

D.冰箱的制冷機工作時從箱內低溫環境中提取熱量散發到溫度較高的室內

類型3熱力學第一定律與圖像的綜合應用

1.氣體的狀態變化可由圖像直接判斷或結合理想氣體狀態方程華=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.

⑴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+Q判斷氣體是吸熱還是放熱.

（4）在〃-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】（2023?黑龍江哈爾濱?哈師大附中校考三模）如圖所示的〃-V圖象中，一定質量的

理想氣體從狀態A開始，經過狀態8、C、D,最后回到狀態4。其中4。和8c平行于橫軸，

48和8平行，A8延長線過坐標原點0,下列說法正確的是（）

A.4-3過程氣體分子熱運動的平均動能不變

B.C-＞。過程氣體單位體積內分子數增加

C.0fA過程中，氣體分子與器壁在單位時間、單位面積上的碰撞次數將減少

D.整個過程中，氣體向外界放出的熱量大于從外界吸收的熱量

【例2】.（2023?河北?校聯考模擬預測）一定量的理想氣體從狀態〃經狀態匕變化到狀態J

其圖像如圖所示，則氣體（）

A.由狀態”變化到狀態。的過程，氣體對外界做正功

B.由狀態力變化到狀態。的過程，氣體溫度升高

C.由狀態〃經狀態〃變化到狀態c的過程，氣體向外界放熱

D.由狀態4經狀態〃變化到狀態C的過程，氣體的內能先不變后增大

【例3】（2023?山東?高三專題練習）如圖所示，一定質量的理想氣體從狀態4開始，經歷

A8、BC、CD、0A四個過程回到原狀態A,其中A8、C。為等壓過程，BC、DA為等溫過

程，狀態C、。的壓強和體積未知，下列說法正確的是（）

A.在過程中氣體和外界沒有發生熱傳遞

B.氣體在狀態A的內能大于在狀態。的內能

C.氣體從狀態4變化到狀態8對外做功40J

D.在過程CD中外界對氣體做的功等于在過程A4中氣體對外界做的功

【例4】.（2023?北京?高三專題練習）如圖所示，固定在水平地面上的汽缸內密封一定質量

的理想氣體，活塞處于靜止狀態。若活塞與汽缸的摩擦忽略不計，口氣體與外界環境沒有熱

交換。將活塞從4處緩慢地推至B處的過程中，下列說法正確的是（）

A.氣體的內能保持不變B.氣體的內能逐漸增大

C.氣體的壓強保持不變D.氣體的壓強逐漸減小

【例5】.（2023春?山東煙臺高三統考期中）一容器封閉了一定質量的理想氣體，現使氣體

從4狀態經8狀態、C狀態回到A狀態，其體積隨熱力學溫度的變化圖像如圖所示，則下

列說法中正確的是（）

A.氣體從8-C狀態過程中氣體對外做功的值等于放出的熱量

B.完成一次全循環，氣體對外界做的總功大于物體吸收的熱量

C.氣體從狀態過程中單位時間內碰撞單位面積器壁的分子數減少

D.氣體從8-C狀態過程中氣體對外界做的功大于氣體從JA過程中外界對氣體做的功

【例6】.（2023?江蘇南通海安高級中學校考模擬預測）布雷頓循環由兩個等壓變化、兩個

絕熱過程構成，其壓強〃和體枳v的關系如圖所示。如果將工作物質看作理想氣體，則卜.

列說法中正確的是（）

A.A到8過程，氣體的內能在減小

B.狀態8的溫度低于狀態C的溫度

C.。到。過程，外界對氣體做的功小十氣體向外界放H的熱量

D.經過一個布雷頓循環，氣體吸收的熱量小于放出的熱量

【例7】.（2023?山東?校聯考模擬預測）一定質量的理想化體從狀態。開始，經a-b、b-c、

一。三個過程后再回到狀態小其p-7圖像如圖所示，則該氣體（）

A.在狀態〃的內能小于在狀態》的內能

B.在狀態。的分子密集程度大于在狀態人的分子密集程度

C.在b-c過程中氣體對外界做功等于a-b和c-a過程外界對氣體做功的和

D.在a-b過程氣體放出的熱量小于b-c過程中氣體從外界吸收的熱量

【例8】.（2023?山東聊城?統考三模）一定質量的理想氣體從狀態〃開始，經。一＞〃，bic,

c一。三個過程后回到初始狀態〃，其7-丫圖像如圖所示。已知々化，2幻、〃（3%訃

。（3%,2工）），下列說法正確的是（）

A.氣體在。一〃過程中壓強增大

B.氣體在b-c過程中從外界吸收的熱量小于增加的內能

C.氣體在過程中外界對氣體做的功等于氣體向外界放出的熱量

D.氣體在過程中內能的減少量大于。re過程中內能的增加量

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...........................................12

題型三關于熱力學定律與能量守恒定律的理解......................................14

類型1熱力學第一定律的理解................................................14

類型2熱力學第二定律的理解................................................17

類型3熱力學第一定律與圖像的綜合應用.....................................18

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/小、分子體積％、分子直徑d等.

⑵宏觀量：物體的質量〃?、摩爾質顯M、物體的密度物體的體積匕摩爾體積匕血等.

2.分子的兩種模型

⑴球模型：%=//,得直徑管(常用于固體和液體).

(2)立方體模型：％=小,得邊長4=的(常用于氣體).

3.幾個重要關系

（1）—個分子的質量：訊.

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

（3）1mol物體的體積：VmiIi=^.

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p（單

位為kg/m）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.。克拉鉆石物質的量為等

B.。克拉鉆石所含有的分子數為"a

C.每個鉆石分子直徑的表達式為寸叫;'（單位為m）

D.。克拉鉆石的體積庫

【答案】ABC

【解析】。克拉鉆石的質量為0.2〃克，得物質的量為肝，所含分子數為嚕XNA，故A、

?V11V1

B正確；每個鉆石分子的體積為絲震二固體分子看作球體，/，聯

立解得分子直徑故c正確；。克拉鉆石的體積為絲啜」，D錯誤.

【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P，阿伏伽德羅常數為NA，水的摩爾質量為M,水分子的直徑為

（1）計算體積為V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水時，液態水的體積（將液態水分子看成球形，忽略

液態水分子間的間隙）。

【答案…捌A⑵喀^

【解析】（1）體積為丫的水蒸氣的質量為機=PP

故體積為V的水蒸氣含有的分子數為N=2NA=%VA。

⑵液態水分子看成球形，水分子的直徑為〃

3

則一個水分子的體積為％=

則液態水的體積為

―尸制匏）；啥.

【例3】（2U22?江蘇揚州巾揚州中學月考）晶須是一種發展中的高強度材料，它是一些非常細

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

恰好將它拉斷，斷面呈垂直于軸線的圓形.已知鐵的密度為p,鐵的摩爾質量為M，阿伏加

德羅常數為刈，則拉斷過程中相鄰鐵原子之間的相互作用力是（）

FM尸，6M、；

A.—（----------尸B.—（------>

d2sN\d2npN\

d-itpNAd~TtpN入

【答案】C

【解析】鐵的摩爾體積V=號M，單個分子的體積鈍=念M，又％=4孤\所以分子的半徑

r=）（3—）；分子的最大截面積so=+=發出一）；鐵質晶須的橫截面卜.的分子數〃

~RpN人RpN、

nd2

二k4，拉斷過程中相鄰鐵原子之間的相互作用力"0=F5=rF（--6--M-----）-3,故C正確.

S。n僵TtpNA

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.轎車在發生

一定強度的碰撞時，疊氮化鈉（亦稱“二氮化鈉”，化學式NaN?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〃=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)氣囊中氮氣分子的總個數M

(3)氣囊中氮氣分子間的平均距離r.

【答案】⑴5x10-26(2)2x1024(3)3x10-9m

【解析】(1)一個氮氣分子的質量加=岑

/VA

解得*5x1026kg

⑵設氣囊內氮氣的物質的最為〃，則有〃="

N=〃NA

解得心2X1()24(個)

(3)氣體分子間距較大，可以認為每個分子占據一個邊長為，?的立方體，

則有

解得r=3xI09m.

【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=。現將這部分氣體壓縮成液體，

體積變為%),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)。

【答案】國

MPVNA

【解析】氣體的質量，

氣體分子的總個數N=〃Nk部A=%NA

該部分氣體壓縮成液體，分子個數不變

設每個液體分子的體積為V.，則N寸

又

聯立解得

【例6】空調在制冷過程中，室內空氣中的水蒸氣接觸蒸發器（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，排出液化水的體枳為V,

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

的直徑”分別為（）

【答案】C

【解析】水的摩爾體積V.?oi=p水分子數2七9=臂;將水分子看成球形，由

一個水分子的體積：寢=5/，解得水分子直徑為d=<J黑,C正確.

類型2布朗運動與分子熱運動

擴散現象、布朗運動與熱運動的比較

現象擴散現象布朗運動熱運動

活動主體分子微小固體顆粒分子

分子的運動，發生在固比分子大得多的微粒的分子的運動，不能通過光

區別

學顯微鏡直接觀察到

體、液體、氣體任何兩種運動

物質之間

共同點①都是無規則運動；②都隨溫度的升高而更加激烈

聯系擴散現象、布朗運動都反映分子做無規則的熱運動

【例1】（2023?重慶萬州?重慶市萬州第二高級中學校聯考模擬預測）關于下列五幅圖像說法

正確的是（）

A.對甲圖，加熱一鍋水時發現水中的胡椒粉在翻滾，說明溫度越高布朗運動越劇烈

B.對乙圖，半杯水與半杯酒精混合之后的總體積要小于整個杯子的容積，說明液體分子之

間有間隙

C.對丙圖，自由膨脹和擴散現象都具有雙向可逆性

D.對丁圖、擴散現象不能在固體之間發生

【答案】B

【詳解】A.布朗運動用肉眼觀察不到的，對甲圖，加熱一鍋水時發現水中的胡椒粉在解滾,

不是布朗運動，不能說明溫度越高布朗運動越劇烈，選項A錯誤；

B.對乙圖，半杯水與半杯酒精混合之后的總體積要小于整個杯子的容積，說明液體分子之

間有間隙，選項B正確;

C.對丙圖，自由膨脹和擴散現象都具有單向性，不具有雙向可逆性，選項C錯誤；

D.對丁圖、擴散現象也能在固體之間發生，選項D錯誤。

故選

【例2】.（2023?山東?模擬預測）2023年3月底受冷空氣以及大風天氣影響，全國各地均出

現不同程度的沙塵天氣，內蒙古、北京等中北部地區局部有強沙塵暴，甚至局部地區出現下

“泥點''的惡劣天氣，山東、河南、安徽、江蘇等華東地區也都出現AQI（空氣質量指數）爆

表達到500的現象，AQI指數中一項重要指標就是人家熟知的PM2.5指數，PM2.5是指空

氣中直徑小于或等于2.5刈1的懸浮顆粒物，漂浮在空中，很難自然沉降到地面。對于上述天

氣現象的解釋中正確的是（）

A.中北部地區出現的沙塵暴中的沙塵顆粒所做的無規則運動是布朗運動

B.一團質量不變的沙塵暴從溫度較低的地區吹到溫度較高的地區，溫度逐漸升高、風速逐

漸減小，其內能逐漸減小

C.PM2.5顆粒的尺寸與空氣中氧氣分子的尺寸數量級相當

D.PM2.5在空氣中的無規則運動是由于大最空氣分子無規則運動對其撞擊的不平衡性引起

的

【答案】D

【詳解】A.布朗運動是懸浮在液體或氣體中的固體顆粒，受到液體或氣體分子的無規則撞

擊所做的無規則運動，用肉眼無法觀察到布朗運動，沙塵暴的運動是氣流運動形成的，不是

布朗運動，故A錯誤；

B.從低溫到高溫，內能增加，內能的宏觀表現是溫度，溫度越高，內能越大，故B錯誤：

C.氧分子尺寸的數量級為107°m,而PM2.5是指空氣中直徑小于或等于2.5pm，故C錯誤；

D.PM2.5在空氣中的運動是布朗運動，由空氣中大量空氣分子無規則運動對其撞擊的不平

衡性引起的，故D正確。

故選D。

【例3】.（2023?江蘇南京?校考二模）霧霾天氣是一種大氣污染狀態，霾粒子的分布比較均

勻,而且灰霾粒子的尺度比較小，從0.001微米到10微米，平均直徑大約在1~2微米左右，

肉眼看不到空中飄浮的顆粒物。從物理學的角度認識霧貓，下列說法正確的是（）

A.霧舞天氣中霾粒子的運動是布朗運動

B.霾粒子的運動是分子的運動

C.霾粒子的擴散形成霾

D.霾粒子的運動與溫度無關

【答案】A

【詳解】AB.霧霾天氣中霾粒子的運動是由氣體分子撞擊纏粒子的不平衡性而產生的布朗

運動，不是分子的運動，故A正確，B錯誤；

C.霍粒子的布朗運動形成畿，故C錯誤；

D.霾粒子的運動與溫度有關，溫度越高，霾粒子的運動越劇烈，故D錯誤。

故選Ao

【例4】.（2023春?江蘇?高三校聯考階段練習）工作和生活中常用空調調節室內空氣的溫度，

下列說法正確的是（）

A.空調制熱使得室內溫度上升，則室內速率小的空氣分子比例減小

B.空調風速越大，室內空氣的分子動能也越大

C.空調過濾器能夠吸附PM2.5顆粒，此顆粒的運動是分子熱運動

D.空調既能制熱乂能制冷，說明熱傳遞不存在方向性

【答案】A

【詳解】A.空調制熱使得室內溫度上升，空氣分子的平均動能增加，則室內速率小的空氣

分子比例減小。故A正確；

B.室內空氣的分子動能與溫度相關，所以空調風速大小，與其動能大小無關。故B錯誤;

C.空調過濾器能夠吸附PM2.5顆粒，此顆粒做的是布朗運動，不是分子熱運動。故C錯誤：

D.空調制熱和制冷過程，引起了其他變化，不違背熱力學第二定律。故D錯誤。

故選A。

【例5】.（2023?全國?高三專題練習）圖甲和圖乙是某同學從資料中查到的兩張記錄水中炭

粒運動位置連線的圖片，記錄炭粒位置的時間間隔均為30s,兩方格紙每格表示的長度相同，

下列說法中正確的是（）

A.炭粒的運動即布朗運動，也就是分子的運動

B.炭粒的運動是由于其內部分子在不停地做無規則運動產生的

C.若水溫相同，則甲中炭粒的顆粒較大

D.若炭粒大小相同，則甲中水分子的熱運動較劇烈

【答案】C

【詳解】A.布朗運動是固體顆粒的運動，是分子無規則運動的反映，不是分子的運動，A

錯誤；

B.炭粒的運動是由于水分子分子在不停地做無規則運動，水分子與炭粒不停發生碰撞產生

的，因此炭粒的運動并小是由十其內部分子在小停地做尢規則運動產生的，B錯誤；

C.若水溫相同，則炭粒的越小，布朗運動越劇烈，根據圖像可知，圖乙中炭粒的劇烈一些，

即圖乙中炭粒的顆粒較小，可知，若水溫相同，則甲中炭粒的顆粒較大，C.正確；

D.若炭粒大小相同，則溫度越高，布朗運動越劇烈，根據圖像可知，圖乙中炭粒的劇烈一

些，即圖乙中的溫度較高，則乙中水分子的熱運動較劇烈，D錯誤。

故選C.

【例5】.（2023?全國?校聯考模擬預測）關于布朗運動、擴散現象，下列說法中正確的是（）

A.布朗運動和擴散現象都需要在重力作用下才能進行

B.布朗運動是固體微粒的運動，反映了液體或氣體分子的無規則運動

C.布朗運動和擴散現象只能在重力作用下進行

D.擴散現象直接證明了“物質分子在永不停息地做無規則運動”，而布朗運動間接證明了這

一觀點

【答案】BD

【詳解】AC.擴散現象是物質分子的無規則運動，而布朗運動是懸浮在液體或氣體中的微

粒的運動，液體或氣體分子對微粒撞擊作用的不平衡導致微粒的無規則運動，由此可見擴散

現象和布朗運動不需要附加條件.故AC錯誤：

BD.擴散現象直接證明了“物質分子在永不停息地做無規則運動”，而布朗運動是固體微粒

的運動，反映了液體或氣體分子的無規則運動，間接證明了“物質分子在永不停息地做無規

則運動”。

故選BDO

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

分子間的作用力尸、分子勢能昂與分子間距離/?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為引力，當，?增大時，分子間的作用力做負功，分子勢

能增大.

⑵當時，，分子間的作用力表現為斤力，當，?減小時，分子間的作用力做負功，分子勢

能增大.

(3)當，=人時,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、物質的量和物態等因素有關.

⑶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.

⑸內能由物體內部分子微觀運動狀態決定，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](2023?江蘇南通?模擬預測)研究表明，分子間的作用力/跟分子間距離廠的關系如

圖所示。則()

A.液體表面層分子間距離略大于八

B.理想氣體分子間距離為/；

C.分子間距離r二弓時，分子力表現為斥力

D.分子間距離，?=4時，分子勢能最小

【答案】A

【詳解】A.由于

時，分子力為0,則可知

而液體由于張力的作用，表面分子間距離大于蒞，故液體表面層分子間距離略大于4,故A

正確；

B.理想氣體分子間距離為1（為，即1（",故B錯誤；

C.分子間距離r=為時，即

分子力表現為引力，故C錯誤；

D.當「="即，"斗時，分子勢能最小，故D錯誤。

故選Ao

【例2】.（2023?湖北?統考模擬預測）當分子間距離為小時，分子間的作用力為0。當分子間

距離從0.8氣增大到10%的過程中，關于分子間作用力?和分子勢能綜的變化，下列說法正

確的是（）

A.尸先變小后變大再變小，紇先減少后增加

B.尸先變小后變大再變小，綜先增加后減少

C.尸先變大后變小，綜先減少后增加再減少

D.產先變小后變大，綜先減少后增加再減少

【答案】A

【詳解】根據分子間作用力和分子勢能的變化規律可知，當分子間距離從0.8々）增大到10%的

過程中，”先表現為斥力變小后表現為引力變大再變小，綜先減少后增加。

故選A。

【例3】（2022?山東日照市模擬）分子間勢能由分子間距，決定。規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O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心