[高中物理思维方法集解]试笔系列 -- "物态.物态变化"和"热力学定律"
《高中物理思维方法集解》试笔系列
“物态、物态变化”和“热力学定律”
高级物理教师 魏德田
所谓物态即物质存在的固态、液态、气态（以及固液态）等几种聚集状态。不同物质状态之间发生相互转变——物态变化时，则会发生相应的能量交换，而探讨这种能量交换则必须应用熔化热、汽化热以及热平衡方程等知识。
所谓热力学定律即指热一律、（进而演变为能量守恒定律）、热二律、*热三律等规律。
一、破解依据
欲顺利解决此类问题，试归纳以下几条依据：
㈠物态及物态变化（略）
⑴热平衡方程
或
；⑵熔化热
；⑶汽化热
。
㈡内能和内能改变
⑴内能：包括①分子势能；②分子动能。
⑵内能改变
①做功
； ②热传递
。
⑶分子力、分子势能与分子距离的关系（见[例题5]）。
㈢热力学第一定律
⑴公式：
⑵符号规定：若系统内能增加（或减少），则
（或
）；吸（或放）热，则
（或
）；而其对内（或外做功），则
（或
）。
㈣热力学第二定律等（略）
㈤能量守恒定律（略）
二、精选例题
[例题1]（08上海物理）已知理想气体的内能与温度成正比。如图所示的实线为汽缸内一定质量的理想气体由状态1到状态2的变化曲线，则在整个过程中汽缸内气体的内能（ ）
A．先增大后减小 B.先减小后增
C．单调变化 D.保持不变
[例题2]（07天津）A、B两装置，均由一支一端封闭、一端开口且带有玻璃泡的管状容器和水银槽组成，除玻璃泡在管上的位置不同外，其他条件都相同。将两管抽成真空后，开口向下竖起插入水银槽中（插入过程没有空气进入管内），水银柱上升至图示—2位置停止。假设这一过程水银与外界没有热交换，则下列说法正确的是（ ）
A.A中水银的内能增量大于B中水银的内能增量
B.B中水银的内能增量大于A中水银的内能增量
C.A和B中水银体积保持不变，故内能增量相同
D.A和B中水银温度始终相同，故内能增量相同
[例题3]（08四川）物体吸收热量，其温度一定升高（ ）
B．热量只能从高温物体向低温物体传递
C．遵守热力学第一定律的过程一定能实现
D．做功和热传递是改变物体内能的两种方式
[例题4](08重庆)地面附近有一正在上升的空气团，它与外界的热交热忽略不计.已知大气压强随高度增加而降低，则该气团在此上升过程中（不计气团内分子间的势能）( )
A.体积减小，温度降低 B.体积减小，温度不变
C.体积增大，温度降低 D.体积增大，温度不变
[例题5]（05全国Ⅱ）对于定量气体，可能发生的过程是（ ）
A.等压压缩，温度降低 B.等温吸热，体积不变
C.发出热量，内能增加 D.绝热压缩，内能不变
[例题6]（06广东）图—3为电冰箱的工作原理示意图。压缩机工作时，强迫致冷剂在冰箱内外的管道中不断循环。在蒸发器中致冷剂汽化吸收箱体内的热量，经过冷凝器时致冷剂液化，放出热量到箱体外。下列说法正确的是( )
A．热量可以自发地从冰箱内传到冰箱外
B．电冰箱的致冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界，是因为其消耗了电能
C．电冰箱的工作原理不违反热力学第一定律
D．电冰箱的工作原理违反热力学第一定律
[例题7]（06天津）下列说法正确的是( )
A．任何物体的内能就是组成物体的所有分子热运动动能的总和
B．只要对内燃机不断改进，就可以把内燃机得到的全部内能转化为机械能
C．做功和热传递在改变内能的方式上是不同的
D．满足能量守恒定律的物理过程都能自发进行
[例题8](06重庆)如题图—4，某同学将空的薄金属筒开口向下压入水中。设水温均匀且恒定，筒内空气无泄漏，不计气体分子间相互作用，则被淹没的金属筒在缓慢下降过程中，筒内空气体积减小( )
A．从外界吸热 B．内能增大
C.向外界放热 D．内能减小
[例题9] (06广东物理)关于永动机和热力学定律的讨论，下列叙述正确的是( )
A．第二类永动机违反能量守恒定律
B．如果物体从外界吸收了热量，则物体的内能一定增加
C．外界对物体做功，则物体的内能一定增加
D．做功和热传递都可以改变物体的内能，但从能量转化或转移的观点来看这两种改变方式 是有区别的
[例题10]（06北京） 如图—5所示，两个相通的容器P、Q间装有阀门K、P中充满气体，Q为真空，整个系统与外界没有热交换.打开阀门K后，P中的气体进入Q中，最终达到平衡，则( )
A.气体体积膨胀，内能增加
B.气体分子势能减少，内能增加
C.气体分子势能增加，压强可能不变
D.Q中气体不可能自发地全部退回到P中
[例题11](07全国II)对一定质量的气体，下列说法正确的是( )
A、在体积缓慢不断增大的过程中，气体一定对外界做功
B、在压强不断增大有过程中，外界对气体一定做功
C、在体积不断被压缩的过程中，内能一定增加
D、在与外界没有发生热量交换的过程中，内能一定不变
[例题12]（06全国I）下列说法中正确的是( )
A.气体的温度升高时，分子的热运动变得剧烈，分子的平均动能增大，撞击器壁时对器壁的作用力增大，从而气体的压强一定增大
B.气体体积变小时，单位体积的分子数增多，单位时间内打到器壁单位面积上的分子数增多，从而气体的压强一定增大
C.压缩一定量的气体，气体的内能一定增加
D.分子a从远外趋近固定不动的分子b，当a到达受b的作用力为零处时，a的动能一定最大
[例题13](06全国II) 对一定质量的气体，若用N表示单位时间内与器壁单位面积碰撞的分子数，则( )
A．当体积减小时，N必定增加
B．当温度升高时，N必定增加
C．当压强不变而体积和温度变化时，N必定变化
D．当压强不变而体积和温度变化时，N可能不变
[例题14](07江苏物理)图—6所示，绝热气缸中间用固定栓将可无摩擦移动的导热隔板固定，隔板质量不计，左右两室分别充有一定量的氢气和氧气(视为理想气体).初始时，两室气体的温度相等，氢气的压强大于氧气的压强，松开固定栓直至系统重新达到平衡，下列说法中正确的是( )
A、初始时氢分子的平均动能大于氧分子的平均动能
B、系统重新达到平衡时，氢气的内能比初始时的小
C、松开固定栓直至系统重新达到平衡的过程中有热量从氧气传递到氢气
D、松开固定栓直至系统重新达到平衡的过程中，氧气的内能先增大后减小
[例题15](07重庆)氧气钢瓶充气后压强高于外界人气压，假设缓慢漏气时瓶内外温度始终相等且保持不变，氧气分子之间的相互作用.在该漏气过程中瓶内氧气( )
A．分子总数减少，分子总动能不变； B．密度降低，分子平均动能不变
C．吸收热量，膨胀做功； D．压强降低，不对外做功
[例题16](07全国I)如图—7所示，质量为m的活塞将一定质量的气体封闭在气缸内，活塞与气缸之间无摩擦.a态是气缸放在冰水混合物中气体达到的平衡状态，b态是气缸从容器中移出后，在室温(27ºC)中达到的平衡状态.气体从a态变化到b态的过程中大气压强保持不变.若因下列说法正确的是( )
A、与b态相比，a态的气体分子在单位时间内撞击活塞的个数较多
B、与a态相比，b态的气体分子在单位时间内对活塞的冲量较大
C、在相同时间内，a、b两态的气体分子对活塞的冲量相等
D、从a态到b态，气体的内能增加，外界对气体做功，气体对外界释放了热量
[例题17]（04上海）利用扫描隧道显微镜（STM）可以得到物质表面原子排列的图象，从而可以研究物质的构成规律，下面的照片是一些晶体材料表面的STM图象，通过观察、比较，可以看到这些材料都是由原子在空间排列而构成的，具有一定的结构特征，则构成这些材料的原子在物质表面排列的共同特点是
(1)_____________________________________________________________________；
(2)_____________________________________________________________________。
[例题18]（03江苏）如图—8，甲分子固定在坐标原点O，乙分子位于x轴上，甲分子对乙分子的作用力与两分子间距离的关系如图中曲线所示。F>0为斥力，F
A.乙分子从a到b做加速运动，由b到c做减速运动
B.乙分子从a到c做加速运动，到达c时速度最大
C.乙分子由a到b的过程中，两分子间的分子势能一直减少
D.乙分子由b到d的过程中，两分子间的分子势能一直增加
[例题19](08宁夏)(1)如图—9所示，由导热材料制成的气缸和活塞将一定质量的理想气体封闭在气缸内，活塞与气缸壁之间无摩擦，活塞上方存有少量液体。将一细管插入液体，由于虹吸现象，活塞上方液体逐渐流出。在此过程中，大气压强与外界的温度保持不变。关于这一过程，下列说法正确的是 。（填入选项前的字母，有填错的不得分）
A.气体分子的平均动能逐渐增大
B.单位时间气体分子对活塞撞击的次数增多
C.单位时间气体分子对活塞的冲量保持不变
D.气体对外界做功等于气体从外界吸收的热量
(2)如图—10，一定质量的理想气体被活塞封闭在可导热的气缸内，活塞相对于底部的高度为h，可沿气缸无摩擦地滑动。取一小盒沙子缓慢地倒在活塞的上表面上。沙子倒完时，活塞下降了h/4。再取相同质量的一小盒沙子缓慢地倒在活塞的上表面上。外界天气的压强和温度始终保持不变，求此次沙子倒完时活塞距气缸底部的高度。
[例题20]（07宁夏）如图—11所示，两个可导热的气缸竖直放置，它们的底部都由一细管连通（忽略细管的容积）。两气缸各有一个活塞，质量分别为m1和m2，活塞与气缸无摩擦。活塞的下方为理想气体，上方为真空。当气体处于平衡状态时，两活塞位于同一高度h。（已知m1＝3m，m2＝2m）
（1）在两活塞上同时各放一质量为m的物块，求气体再次达到平衡后两活塞的高度差（假定环境温度始终保持为T0）。
（2）在达到上一问的终态后，环境温度由T0缓慢上升到T，试问在这个过程中，气体对活塞做了多少功？气体是吸收还是放出了热量？（假定在气体状态变化过程中，两物块均不会碰到气缸顶部）。
三、参考答案
⒈B⒉B⒊D⒋C⒌A C⒍BC⒎C⒏C⒐D⒑D⒒A⒓D⒔C⒕CD⒖BC⒗AC
17.[解析]在确定方向上原子有规律地排列, 在不同方向上原子的排列规律一般不同,原子排列具有一定对称性等.
18.答案:BC
[点拨]顺便说明,分子力、分子势能曲线各不相同，它们虽皆有最小值，由图？可知其分子距离一个为ob点，另一个为0c，读者细思之。
19.[解析]（1）D
（2）设大气和活塞对气体的总压强为p0，加一小盒沙子对气体产生的压强为p，由玻马定律得
---- ①
由①式得
------------------ ②
再加一小盒沙子后，气体的压强变为p0+2p。设第二次加沙子后，活塞的高度为h′
′---------③
联立②③式解得
h′=
20.[解析] ⑴首先，设左、右活塞的面积分别为A/和A，由于气体处于平衡状态，故两活塞对气体的压强相等，即
---------------①
由此可得
-------------------②
显见，右活塞面积较小。
然后，分析可知，在两个活塞上各加一质量为m的物块后，由于右侧压强增加的多，使得右活塞降至气缸底部，所有气体都在左气缸中。
由①②式，可得初态时气体的压强为
，体积为
；末态时气体压强为
，设x为左活塞的高度，体积为
。再由玻意耳－马略特定律得
--------③
由此解得
，亦即两活塞的高度差为
⑵接下来，当温度由T0上升至T时，分析可知右活塞仍在气缸底部，气体的压强始终为
。设x/是温度达到T时左活塞的高度，由盖·吕萨克定律得
-------------④
容易求出活塞对气体做的功为
最后，由热一律可知，在此过程中气体吸收热量。
(2017-08-04 经典重发)