第十二章熱學(xué)第2講固體、液體和氣體【教學(xué)目標(biāo)】1、知道晶體和非晶體的區(qū)別；2、理解表面張力，會解釋相關(guān)現(xiàn)象；3、掌握氣體的三個實驗定律，會用三個實驗定律分析氣體狀態(tài)變化問題【重、難點】應(yīng)用三個實驗定律分析氣體狀態(tài)變化問題【知識梳理】考點一　固體與液體的性質(zhì)1．固體的性質(zhì)（1）晶體和非晶體：①由分子、原子或離子按一定的規(guī)律重復(fù)排列而成的固體叫做晶體。晶體的外形具有規(guī)則的幾何形狀，如食鹽晶體呈立方體，石英的晶體中間是六棱柱，兩端是六棱錐，雪花是冰的晶體，各種雪花的形狀都是六角形的。像玻璃、松香、瀝青等沒有規(guī)則的幾何形狀的固體叫做非晶體；②晶體在不同方向上導(dǎo)熱性能、導(dǎo)電性能等物理性質(zhì)不相同，這種特性叫做各向異性，而非晶體在各個方向上的各種物理性質(zhì)都是相同的；③晶體都有固定的熔點，而非晶體沒有熔點；④晶體有單晶體和多晶體兩種。整個物體就是一個晶體叫做單晶體，如果整個物體由大量不規(guī)則排列的小晶體組成，叫做多晶體。多晶體不具有規(guī)則的幾何形狀，各種金屬材料都是多晶體。由于小晶體的排列是雜亂的，所以金屬整體表現(xiàn)為各向同性；⑤有的物質(zhì)可以是晶體，也可以是非晶體。例如石英水晶是晶體，而石英玻璃卻是非晶體。有的晶體與非晶體在一定的條件下可以互相轉(zhuǎn)化；⑥晶體中的單晶體具有各向異性，但并不是在各種物理性質(zhì)都表現(xiàn)為各向異性；15 （2）固體的比較分類　分類比較晶體非晶體單晶體多晶體外形規(guī)則不規(guī)則不規(guī)則熔點確定確定不確定物理性質(zhì)各向異性各向同性各向同性原子排列規(guī)則每個晶粒的排列不規(guī)則不規(guī)則轉(zhuǎn)化晶體和非晶體在一定條件下可以轉(zhuǎn)化典型物質(zhì)石英、云母、明礬、食鹽玻璃、橡膠、瀝青2．液體（1）液體宏觀的性質(zhì)：①液體具有一定的體積，不易被壓縮；②液體沒有一定的形狀，具有流動性；③液體在物理性質(zhì)上表現(xiàn)為各向同性。（2）液體的微觀結(jié)構(gòu)特點：①分子間的距離很??；②液體分子間的相互作用力很大；③分子的熱運動特點表現(xiàn)為振動與移動相結(jié)合。（3）液體的表面張力①跟氣體接觸的液面薄層叫做表面層。液體的表面層好像是繃緊的橡皮膜一樣，具有收縮的趨勢。荷葉上的小水滴、草上的露珠成球形，都是液體表面層收縮的結(jié)果。②15 表面張力：如果在液體表面任意畫一條線，線兩側(cè)的液體之間的作用力是引力，它的作用是使液體表面繃緊，所以叫做液體的表面張力。液體的表面張力使液面具有收縮的趨勢。③它產(chǎn)生的原因是表面層里的分子比液體內(nèi)部稀疏，分子間的距離比液體內(nèi)部大一些，分子間的相互作用表現(xiàn)為引力。就象你要把彈簧拉開些，彈簧反而表現(xiàn)具有收縮的趨勢。正是因為這種張力的存在，有些小昆蟲才能無拘無束地在水面上行走自如。④表面張力方向：與液面相切；如果液面是平面，表面張力就在平面上；如果液面是曲面，表面張力就在液面的切面上。3．液晶（1）是一種液態(tài)晶體，它一方面像液體，具有流動性；另一方面又像晶體，具有晶體的光學(xué)各向異性；（2）液晶內(nèi)部的分子在某個方向看排列比較規(guī)則，但從另一個方向看，分子的排列是雜亂無章的；（3）有一種液晶，在外加電壓的影響下會由透明狀態(tài)變成混濁狀態(tài)，去掉電壓又恢復(fù)透明。電子手表與電子計算器就是利用液晶的這種性質(zhì)來顯示數(shù)字的。4．浸潤液體在與固體接觸時，沿固體表面擴展而相互附著的現(xiàn)象，又稱為液體浸潤固體，也可稱為潤濕。如果液體在與固體接觸時，其接觸面趨于縮小而不能附著，則稱為液體不浸潤固體，簡稱不浸潤或不潤濕。浸潤和不浸潤決定于液體和固體的性質(zhì)。同一種液體能浸潤某些固體，但不一定能浸潤另一些固體。例如，水能浸潤玻璃但不能浸潤石蠟，水銀能浸潤鐵、銅、鋅而不能浸潤玻璃。5．毛細(xì)現(xiàn)象是指浸潤液體在細(xì)管中的現(xiàn)象，以及不浸潤液體在細(xì)管中的現(xiàn)象，毛細(xì)管越細(xì)，毛細(xì)現(xiàn)象越明顯．6．飽和汽：（1）與液體處于動態(tài)平衡的蒸汽叫飽和汽．反之叫未飽和汽．（2）在一定溫度下，飽和汽的分子數(shù)密度是一定的，因而飽和汽的壓強也是一定的，這個壓強叫做飽和汽壓。飽和汽壓與液體的種類關(guān)，且會隨溫度而變，與飽和汽的體積關(guān)．溫度越高，飽和汽壓越．15 7．空氣的濕度：（1）絕對濕度是空氣中所含水蒸氣的壓強；（2）相對濕度是某一溫度下，空氣中水蒸氣的實際壓強與同一溫度下水的飽和汽壓之比，相對濕度＝×100%【易錯辨析】請判斷下列說法是否正確．（1）單晶體的所有物理性質(zhì)都是各向異性的．（　　）（2）單晶體有天然規(guī)則的幾何形狀，是因為物質(zhì)微粒是規(guī)則排列的．（　　）（3）液晶是液體和晶體的混合物．（　?。?）船浮于水面上是液體的表面張力作用的結(jié)果．（　?。?）水蒸氣達(dá)到飽和時，水蒸氣的壓強不再變化，這時蒸發(fā)和凝結(jié)仍在進行．（　?。┑淅隼?．（2015·課標(biāo)Ⅰ·33（1））（5選3）下列說法正確的是（　　）A．將一塊晶體敲碎后，得到的小顆粒是非晶體B．固體可以分為晶體和非晶體兩類，有些晶體在不同方向上有不同的光學(xué)性質(zhì)C．由同種元素構(gòu)成的固體，可能會由于原子的排列方式不同而成為不同的晶體D．在合適的條件下，某些晶體可以轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷w，某些非晶體也可以轉(zhuǎn)變?yōu)榫wE．在熔化過程中，晶體要吸收熱量，但溫度保持不變，內(nèi)能也保持不變例2．（2013·海南·15（1））（5選3）下列說法正確的是（　　）A．把一枚針輕放在水面上，它會浮在水面．這是由于水表面存在表面張力的緣故B．水在涂有油脂的玻璃板上能形成水珠，而在干凈的玻璃板上卻不能．這是因為油脂使水的表面張力增大的緣故C．在圍繞地球飛行的宇宙飛船中，自由飄浮的水滴呈球形．這是表面張力作用的結(jié)果15 D．在毛細(xì)現(xiàn)象中，毛細(xì)管中的液面有的升高，有的降低，這與液體的種類和毛細(xì)管的材質(zhì)有關(guān)E．當(dāng)兩薄玻璃板間夾有一層水膜時，在垂直于玻璃板的方向很難將玻璃板拉開．這是由于水膜具有表面張力的緣故例3．關(guān)于液體的表面現(xiàn)象，下列說法正確的是（　　）A．液體表面層的分子分布比內(nèi)部密B．液體有使其體積收縮到最小的趨勢C．液體表面層分子之間只有引力而無斥力D．液體有使其表面積收縮到最小的趨勢例4．（多選）關(guān)于飽和汽壓和相對濕度，下列說法中正確的是（　?。〢．溫度相同的不同飽和汽的飽和汽壓都相同B．溫度升高時，飽和汽壓增大C．在相對濕度相同的情況下，夏天比冬天的絕對濕度大D．飽和汽壓和相對濕度都與體積無關(guān)考點二　氣體壓強的產(chǎn)生與計算1．產(chǎn)生的原因由于大量分子無規(guī)則運動而碰撞器壁，形成對器壁各處均勻、持續(xù)的壓力，作用在器壁單位面積上的壓力叫做氣體的壓強．2．決定因素（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．典例精析例5．【液體封閉氣體壓強的求解】若已知大氣壓強為p0，在圖中各裝置均處于靜止?fàn)顟B(tài)，圖中液體密度均為ρ，求被封閉氣體的壓強．15 15 例6．【活塞封閉氣體壓強的求解】氣缸截面積為S，質(zhì)量為m的梯形活塞上面是水平的，下面與右側(cè)豎直方向的夾角為α，如圖所示，當(dāng)活塞上放質(zhì)量為M的重物時處于靜止．設(shè)外部大氣壓為p0，若活塞與缸壁之間無摩擦．求氣缸中氣體的壓強．例7.【關(guān)聯(lián)氣體壓強的計算】豎直平面內(nèi)有如圖所示的均勻玻璃管，內(nèi)用兩段水銀柱封閉兩段空氣柱a、b，各段水銀柱高度如圖所示，大氣壓為p0，求空氣柱a、b的壓強各多大．例8．【加速狀態(tài)下氣體壓強的求解】如圖所示，光滑水平面上放有一質(zhì)量為M的氣缸，氣缸內(nèi)放有一質(zhì)量為m的可在氣缸內(nèi)無摩擦滑動的活塞，活塞面積為S．現(xiàn)用水平恒力F向右推氣缸，最后氣缸和活塞達(dá)到相對靜止?fàn)顟B(tài)，求此時缸內(nèi)封閉氣體的壓強p．（已知外界大氣壓為p0）15 兩種狀態(tài)下氣體壓強的求解方法1．平衡狀態(tài)下氣體壓強的求法（1）液片法：選取假想的液體薄片（自身重力不計）為研究對象，分析液片兩側(cè)受力情況，建立平衡方程，消去面積，得到液片兩側(cè)壓強相等方程，求得氣體的壓強．（2）力平衡法：選取與氣體接觸的液柱（或活塞）為研究對象進行受力分析，得到液柱（或活塞）的受力平衡方程，求得氣體的壓強．（3）等壓面法：在連通器中，同一種液體（中間不間斷）同一深度處壓強相等．液體內(nèi)深h處的總壓強p＝p0＋ρgh，p0為液面上方的壓強．2．加速運動系統(tǒng)中封閉氣體壓強的求法選取與氣體接觸的液柱（或活塞）為研究對象，進行受力分析，利用牛頓第二定律列方程求解．考點三　理想氣體狀態(tài)方程與氣體實驗定律的應(yīng)用1．氣體實驗定律玻意耳定律查理定律蓋—呂薩克定律內(nèi)容一定質(zhì)量的某種氣體，在溫度不變的情況下，壓強與體積成反比一定質(zhì)量的某種氣體，在體積不變的情況下，壓強與熱力學(xué)溫度成正比一定質(zhì)量的某種氣體，在壓強不變的情況下，其體積與熱力學(xué)溫度成正比表達(dá)式p1V1＝p2V2＝或＝或15 ＝＝圖象2．理想氣體的狀態(tài)方程（1）理想氣體①宏觀上講，理想氣體是指在任何條件下始終遵守氣體實驗定律的氣體，實際氣體在壓強不太大、溫度不太低的條件下，可視為理想氣體．②微觀上講，理想氣體的分子間除碰撞外無其他作用力，即分子間無分子勢能．（2）理想氣體的狀態(tài)方程一定質(zhì)量的理想氣體狀態(tài)方程：＝或＝C．氣體實驗定律可看做一定質(zhì)量理想氣體狀態(tài)方程的特例．例9．北方某地的冬天室外氣溫很低，吹出的肥皂泡會很快凍結(jié)．若剛吹出時肥皂泡內(nèi)氣體溫度為T1，壓強為p1，肥皂泡凍結(jié)后泡內(nèi)氣體溫度降為T2．整個過程中泡內(nèi)氣體視為理想氣體，不計體積和質(zhì)量變化，大氣壓強為p0．求凍結(jié)后肥皂膜內(nèi)外氣體的壓強差．例10．某自行車輪胎的容積為V，里面已有壓強為p0的空氣，現(xiàn)在要使輪胎內(nèi)的氣壓增大到p，設(shè)充氣過程為等溫過程，空氣可看作理想氣體，輪胎容積保持不變，則還要向輪胎充入溫度相同、壓強也是p0、體積為________的空氣．（填選項前的字母）A．VB．VC．（－1）VD．（＋1）V15 分析氣體狀態(tài)變化要抓“三要點”1．階段性，即弄清一個物理過程分為哪幾個階段；2．聯(lián)系性，即找出幾個階段之間是由什么物理量聯(lián)系起來的；3．規(guī)律性，即明確各階段遵循的實驗定律．考點四　氣體狀態(tài)變化中的圖象問題一定質(zhì)量的氣體不同圖象的比較過程圖線類別圖象特點圖象示例等溫過程p－VpV＝CT（其中C為恒量），即pV之積越大的等溫線溫度越高，線離原點越遠(yuǎn)p－p＝CT，斜率k＝CT，即斜率越大，溫度越高等容過程p－Tp＝T，斜率k＝，即斜率越大，體積越小等壓過程V－TV＝T，斜率k＝，即斜率越大，壓強越小【思維深化】利用垂直于坐標(biāo)軸的線作輔助線去分析同質(zhì)量、不同溫度的兩條等溫線，不同體積的兩條等容線，不同壓強的兩條等壓線的關(guān)系．例如：在圖甲中，V1對應(yīng)虛線為等容線，A、B分別是虛線與T2、T1兩線的交點，可以認(rèn)為從B狀態(tài)通過等容升壓到A狀態(tài)，溫度必然升高，所以T2>T1.15 又如圖乙所示，A、B兩點的溫度相等，從B狀態(tài)到A狀態(tài)壓強增大，體積一定減小，所以V2TB，TB＝TCC．TA>TB，TBTC例12．一定質(zhì)量的理想氣體，從圖中A狀態(tài)開始，經(jīng)歷了B、C，最后到D狀態(tài)，下列說法中正確的是（　?。〢．B→C壓強不變，體積變大B．A→B溫度升高，體積不變C．C→D壓強變小，體積變小D．B點的溫度最高，C點的體積最大例13．如圖甲是一定質(zhì)量的氣體由狀態(tài)A經(jīng)過狀態(tài)B變?yōu)闋顟B(tài)C的V－T圖象．已知氣體在狀態(tài)A時的壓強是1.5×105Pa．（1）說出A→B過程中壓強變化的情形，并根據(jù)圖象提供的信息，計算圖甲中TA的值．（2）請在圖乙坐標(biāo)系中，作出該氣體由狀態(tài)A15 經(jīng)過狀態(tài)B變?yōu)闋顟B(tài)C的p－T圖象，并在圖線相應(yīng)位置上標(biāo)出字母A、B、C.如果需要計算才能確定的有關(guān)坐標(biāo)值，請寫出計算過程．氣體狀態(tài)變化圖象的應(yīng)用技巧1．明確點、線的物理意義：求解氣體狀態(tài)變化的圖象問題，應(yīng)當(dāng)明確圖象上的點表示一定質(zhì)量的理想氣體的一個平衡狀態(tài)，它對應(yīng)著三個狀態(tài)參量；圖象上的某一條直線段或曲線段表示一定質(zhì)量的理想氣體狀態(tài)變化的一個過程．2．明確斜率的物理意義：在V－T圖象（或p－T圖象）中，比較兩個狀態(tài)的壓強（或體積）大小，可以比較這兩個狀態(tài)到原點連線的斜率的大小，其規(guī)律是：斜率越大，壓強（或體積）越?。恍甭试叫?，壓強（或體積）越大．考點五　理想氣體實驗定律微觀解釋1．等溫變化一定質(zhì)量的氣體，溫度保持不變時，分子的平均動能不變．在這種情況下，體積減小時，分子的密集程度增大，氣體的壓強增大．2．等容變化一定質(zhì)量的氣體，體積保持不變時，分子的密集程度保持不變．在這種情況下，溫度升高時，分子的平均動能增大，氣體的壓強增大．3．等壓變化15 一定質(zhì)量的氣體，溫度升高時，分子的平均動能增大．只有氣體的體積同時增大，使分子的密集程度減小，才能保持壓強不變．例14．（多選）封閉在氣缸內(nèi)一定質(zhì)量的氣體，如果保持氣體體積不變，當(dāng)溫度升高時，以下說法正確的是（　　）A．氣體的密度增大B．氣體的壓強增大C．氣體分子的平均動能減小D．每秒撞擊單位面積器壁的氣體分子數(shù)增多例15．（多選）一定質(zhì)量的理想氣體，經(jīng)等溫壓縮，氣體的壓強增大，用分子動理論的觀點分析，這是因為（　　）A．氣體分子的總數(shù)增加B．單位體積內(nèi)的分子數(shù)目增加C．氣體分子每次碰撞器壁的平均沖力增大D．單位時間內(nèi)單位面積器壁上受到氣體分子碰撞的次數(shù)增多例16．（多選）對于一定質(zhì)量的氣體，當(dāng)壓強和體積發(fā)生變化時，以下說法正確的是（　?。〢．壓強和體積都增大時，其分子平均動能有可能減小B．壓強和體積都增大時，其分子平均動能不可能不變C．壓強增大，體積減小時，其分子平均動能一定不變D．壓強減小，體積增大時，其分子平均動能可能增大15 參考答案例6．答案：p0＋解析：p氣S′＝又因為S′＝所以p氣＝＝p0＋例7．答案：pa＝p0＋ρg（h2－h(huán)1－h(huán)3）　pb＝p0＋ρg（h2－h(huán)1）解析：從開口端開始計算，右端大氣壓為p0，同種液體同一水平面上的壓強相同，所以b氣柱的壓強為pb＝p0＋ρg（h2－h(huán)1），而a氣柱的壓強為pa＝pb－ρgh3＝p0＋ρg（h2－h(huán)1－h(huán)3）．例8．答案：p0＋解析：選取氣缸和活塞整體為研究對象，相對靜止時有：F＝（M＋m）a再選活塞為研究對象，根據(jù)牛頓第二定律有：pS－p0S＝ma解得：p＝p0＋例9．答案：p1－p0解析：設(shè)凍結(jié)后肥皂膜內(nèi)氣體壓強為p215 ，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程得＝，解得p2＝p1，所以凍結(jié)后肥皂膜內(nèi)外氣體的壓強差為Δp＝p2－p0＝p1－p0例13．答案：見解析解析：（1）從題圖甲可以看出，A與B連線的延長線過原點，所以A→B是一個等壓變化，即pA＝pB根據(jù)蓋—呂薩克定律可得＝所以TA＝TB＝×300K＝200K.（2）由題圖甲可知，由B→C是等容變化，根據(jù)查理定律得＝所以pC＝pB＝pB＝pB＝×1.5×105Pa＝2.0×105Pa則可畫出由狀態(tài)A→B→C的p－T圖象如圖所示．15