知識(shí)講解氣體熱現(xiàn)象的微觀意義

1、氣體熱現(xiàn)象的微觀意義編稿：張金虎審稿：李勇康【學(xué)習(xí)目標(biāo)】1 .知道氣體分子的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn),知道氣體分子的運(yùn)動(dòng)遵循統(tǒng)計(jì)規(guī)律.2 .知道氣體壓強(qiáng)的微觀意義.3 .知道三個(gè)氣體實(shí)驗(yàn)定律的微觀解釋.4 .了解氣體壓強(qiáng)公式和推導(dǎo)過(guò)程.【要點(diǎn)梳理】要點(diǎn)一、統(tǒng)計(jì)規(guī)律1 .統(tǒng)計(jì)規(guī)律由于物體是由數(shù)量極多的分子組成的,這些分子并沒(méi)有統(tǒng)一的運(yùn)動(dòng)步調(diào),單獨(dú)看來(lái),各個(gè)分子的運(yùn)動(dòng)都是不規(guī)那么的,帶有偶然性,但從總體來(lái)看,大量分子的運(yùn)動(dòng)卻有一定的規(guī)律,這種規(guī)律叫做統(tǒng)計(jì)規(guī)律.2 .分子的分布密度分子的個(gè)數(shù)與它們所占空間的體積之比叫做分子的分布密度,通常用n表示.3 .氣體分子運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)(1)氣體分子之間的距離很大,失約是分子直徑

2、的10倍.因此除了相互碰撞或者跟器壁碰撞外,氣體分子不受力的作用,在空間自由移動(dòng).(2)分子的運(yùn)動(dòng)雜亂無(wú)章,在某一時(shí)刻,向著任何一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的分子都有,而且向各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的氣體分子數(shù)目都相等.(3)每個(gè)氣體分子都在做永不停息的運(yùn)動(dòng),常溫下大多數(shù)氣體分子的速率都到達(dá)數(shù)百米每秒,在數(shù)量級(jí)上相當(dāng)于子彈的速率.(4)氣體分子的熱運(yùn)動(dòng)與溫度的關(guān)系溫度越高,分子的熱運(yùn)動(dòng)越劇烈.(2理想氣體的熱力學(xué)溫度T與分子的平均動(dòng)能Ek成正比,即：T=aEk(式中a是比例常數(shù)),因此可以說(shuō),溫度是分子平均動(dòng)能的標(biāo)志.要點(diǎn)詮釋：理想氣體沒(méi)有分子勢(shì)能,所以其內(nèi)能僅由溫度決定,溫度越高,內(nèi)能越大,溫度越低,內(nèi)能越小.要點(diǎn)二、

3、對(duì)氣體的微觀解釋1 .氣體壓強(qiáng)的微觀意義(1)氣體壓強(qiáng)的大小等于氣體作用在器壁單位面積上的壓力.(2)產(chǎn)生原因：大量氣體分子無(wú)規(guī)那么運(yùn)動(dòng)碰撞器壁,形成對(duì)器壁各處均勻的持續(xù)的壓力而產(chǎn)生.(3)決定因素：一定氣體的壓強(qiáng)大小,微觀上決定于分子的平均動(dòng)能和單位體積內(nèi)的分子數(shù)；宏觀上決定于氣體的溫度T和體積V2 .對(duì)氣體實(shí)驗(yàn)定律的微觀解釋(1) 一定質(zhì)量的氣體,分子的總數(shù)是一定的,在溫度保持不變時(shí),分子的平均動(dòng)能保持不變,氣體的體積減小到原來(lái)的幾分之一,氣體的密度就增大到幾倍,因此壓強(qiáng)就增大到幾倍,反之亦然,所以氣體壓強(qiáng)與體積成反比,這就是玻意耳定律.(2) 一定質(zhì)量的氣體,體積保持不變而溫度升高時(shí),分

4、子的平均動(dòng)能增大,因而氣體壓強(qiáng)增大,溫度降低時(shí),情況相反,這就是查理定律所表達(dá)的內(nèi)容.(3) 一定質(zhì)量的氣體,溫度升高時(shí)要保持壓強(qiáng)不變,只有增大氣體體積,減小分子的分布密度才行,這就是蓋一呂薩克定律所表達(dá)的內(nèi)容.要點(diǎn)三、分子的平均動(dòng)能1 .分子的平均動(dòng)能物體分子動(dòng)能的平均值叫分子平均動(dòng)能.溫度是分子平均動(dòng)能的標(biāo)志,溫度越高,分子平均動(dòng)能越大.物體內(nèi)部各個(gè)分子的運(yùn)動(dòng)速率是不相同的,所以分子的動(dòng)能也不相等.在研究熱現(xiàn)象時(shí),有意義的不是一個(gè)分子的動(dòng)能,而是物體內(nèi)所有分子動(dòng)能的平均值一一分子平均動(dòng)能.物體的溫度是大量分子熱運(yùn)動(dòng)劇烈程度的特征,分子熱運(yùn)動(dòng)越劇烈,物體的溫度越高,分子平均動(dòng)能就越大,所以說(shuō)

5、溫度是分子平均動(dòng)能的標(biāo)志這是對(duì)溫度這一概念從物體的冷熱程度的簡(jiǎn)單熟悉,進(jìn)一步深化到它的微觀含義、本質(zhì)的含義.2 .判斷氣體分子平均動(dòng)能變化的方法(1)判斷氣體的平均動(dòng)能的變化,關(guān)鍵是判斷氣體溫度的變化,由于溫度是氣體分子平均動(dòng)能的標(biāo)志.(2)理解氣體實(shí)驗(yàn)定律的微觀解釋關(guān)鍵在于理解壓強(qiáng)的微觀意義.要點(diǎn)四、宏觀、微觀的區(qū)別與聯(lián)系1 .宏觀、微觀的區(qū)別與聯(lián)系從宏觀上看,一定質(zhì)量的氣體僅溫度升高或僅體積減小都會(huì)使壓強(qiáng)增大,從微觀上看,這兩種情況有沒(méi)有什么區(qū)別分析：由于一定質(zhì)量的氣體的壓強(qiáng)是由單位體積內(nèi)的分子數(shù)和氣體的溫度決定的.氣體溫度升高,即氣體分子運(yùn)動(dòng)加劇,分子的平均速率增大,分子撞擊器壁的作用力

6、增大,故壓強(qiáng)增大.氣體體積減小時(shí),雖然分子的平均速率不變,分子對(duì)容器的撞擊力不變,但單位體積內(nèi)的分子數(shù)增多,單位時(shí)間內(nèi)撞擊器壁的分子數(shù)增多,故壓強(qiáng)增大,所以這兩種情況下在微觀上是有區(qū)別的.2 .氣體壓強(qiáng)的公式現(xiàn)在從分子動(dòng)理論的觀點(diǎn)推導(dǎo)氣體壓強(qiáng)的公式.設(shè)想有一個(gè)向右運(yùn)動(dòng)的分子與器壁發(fā)生碰撞(圖8-5-1),碰撞前的速率為v,碰撞前的動(dòng)量為mv,'''碰撞后向左運(yùn)動(dòng).速率為v,碰撞后的動(dòng)重為一mv.碰撞前后的動(dòng)重變化為一mvmv.設(shè)分子與器壁的碰撞沒(méi)有能量損失,分子碰撞前后的速率相等,即v=v,因而碰撞前后的動(dòng)量變化量為-2mv.-H1VI=AP=-2hiv氣體分子每碰撞一

7、次器壁,就給器里一個(gè)Am的沖量這個(gè)動(dòng)量變化量2mv等于器壁對(duì)分子的沖量,從牛頓第三定律知道,分子對(duì)器壁也有一個(gè)大小相等方向相反的沖量.可見(jiàn),氣體分子每碰撞一次器壁,就給器壁2mv的沖量.單位時(shí)間內(nèi)大量分子對(duì)器壁的總沖量等于器壁所受的平均壓力,對(duì)單位面積器壁的總沖量就等于氣體的壓強(qiáng).怎樣算出這個(gè)總沖量呢單靠力學(xué)知識(shí)不行,需要用到統(tǒng)計(jì)方法.大量氣體分子做無(wú)規(guī)那么的熱運(yùn)動(dòng),它們沿各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的時(shí)機(jī)是均等的,從統(tǒng)計(jì)的觀點(diǎn)來(lái)看,可以認(rèn)為各有1/6的分子向著上、下、前、后、左、右這六個(gè)方向運(yùn)動(dòng),氣體分子的速率是根據(jù)一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律分布的,可以認(rèn)為所有分子都以平均速率v向著各個(gè)方向運(yùn)動(dòng).計(jì)算出大量氣體分子碰撞

8、器壁的總沖量,就可以進(jìn)一步求出器壁所受的壓力,進(jìn)而求出氣體的壓強(qiáng)來(lái).如下圖,在氣體內(nèi)部設(shè)想一個(gè)柱體,底面積為單位面積,高度為分子平均速率v的數(shù)值,設(shè)氣1體單位體積中白分子數(shù)為no,那么在這個(gè)柱體中有一-v個(gè)向右運(yùn)動(dòng)的分子.因此,在單位時(shí)間內(nèi),這61n0v個(gè)分子會(huì)與器壁發(fā)生碰撞.分子每碰撞一次器壁,給器壁的沖量為2mv.6在這個(gè)柱體中有6個(gè)分子向右運(yùn)動(dòng)因此,單位時(shí)間內(nèi)分子給單位面積器壁的總沖量等于1- Ininv2mv=-nomv.63單位時(shí)間內(nèi)氣體對(duì)器壁的總沖量等于器壁所受的平均壓力,單位器壁所受的平均壓力就等于氣體的壓強(qiáng)p(如圖).于是我們得到氣體的壓強(qiáng)公式：2hiv01秒碰撞次數(shù)一片產(chǎn)6單

9、位時(shí)間內(nèi)對(duì)器壁的總沖量/等于器壁所受的壓力p=一nmv.3氣體分子的平均動(dòng)能匚12E=mv,2上式化為2 匚pnE3從這個(gè)公式可以知道,單位體積內(nèi)的分子數(shù)越多,氣體分子的平均動(dòng)能越大,氣體的壓強(qiáng)就越大.要點(diǎn)四、知識(shí)歸納與提升1 .知識(shí)梳理(1)氣體分子沿各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的時(shí)機(jī)均等,分子速率按一定的“中間多,兩頭少的統(tǒng)計(jì)規(guī)律分布.2影響氣體壓強(qiáng)的兩個(gè)因素是：分子的平均動(dòng)能和單位體積內(nèi)的分子數(shù),而且氣體的壓強(qiáng)正比于二者的乘積.2.規(guī)律方法總結(jié)1判斷氣體的平均動(dòng)能的變化,關(guān)鍵是判斷氣體溫度的變化,由于溫度是氣體分子平均動(dòng)能的標(biāo)志.2理解氣體實(shí)驗(yàn)定律的微觀解釋關(guān)鍵在于理解壓強(qiáng)的微觀意義.【典型例題】類型一

10、、微觀解釋例1.2021聊城模擬對(duì)于一定質(zhì)量的理想氣體,以下論述中正確的選項(xiàng)是A.假設(shè)單位體積內(nèi)分子個(gè)數(shù)不變,當(dāng)分子熱運(yùn)動(dòng)加劇時(shí),壓強(qiáng)一定變大B.假設(shè)單位體積內(nèi)分子個(gè)數(shù)不變,當(dāng)分子熱運(yùn)動(dòng)加劇時(shí),壓強(qiáng)可能不變C.假設(shè)氣體的壓強(qiáng)不變而溫度降低時(shí),那么單位體積內(nèi)分子個(gè)數(shù)一定增加D.假設(shè)氣體的壓強(qiáng)不變而溫度降低時(shí),那么單位體積內(nèi)分子個(gè)數(shù)可能不變E.氣體的壓強(qiáng)由溫度和單位體積內(nèi)的分子個(gè)數(shù)共同決定【答案】ACE【解析】單位體積內(nèi)分子個(gè)數(shù)不變,當(dāng)分子熱運(yùn)動(dòng)加劇時(shí),單位面積上的碰撞次數(shù)和碰撞的平均力都增大,因此這時(shí)氣體壓強(qiáng)一定增大,故A正確,B錯(cuò)誤；假設(shè)氣體的壓強(qiáng)不變而溫度降低時(shí),氣體分子熱運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能減小

11、,那么單位體積內(nèi)分子個(gè)數(shù)一定增加,故C正確,D錯(cuò)誤；氣體的壓強(qiáng)與氣體的溫度和單位體積內(nèi)的分子個(gè)數(shù)共同決定,E正確.舉一反三:【變式1】容積不變的容器內(nèi)封閉著一定質(zhì)量的理想氣體,當(dāng)溫度升高時(shí).A.每個(gè)氣體分子的速率都增大B.單位時(shí)間內(nèi)氣體分子撞擊單位面積器壁的次數(shù)增多C.氣體分子對(duì)器壁的撞擊在單位面積上每秒鐘內(nèi)的個(gè)數(shù)增多D.氣體分子在單位時(shí)間內(nèi),作用于單位面積器壁的總沖量增大【答案】B、C、D【解析】氣體溫度增加時(shí),從平均效果來(lái)說(shuō),物體內(nèi)局部子的熱運(yùn)動(dòng)加劇,是大量分子熱運(yùn)動(dòng)的集體表現(xiàn).而對(duì)單個(gè)的分子而言,說(shuō)它的溫度與動(dòng)能之間有聯(lián)系是沒(méi)有意義的,應(yīng)選項(xiàng)A不正確.理想氣體的溫度升高,分子的無(wú)規(guī)那么熱

12、運(yùn)動(dòng)加劇,使分子每秒鐘與單位面積器壁的碰撞次數(shù)增多,因分子平均動(dòng)能增大,分子每次碰撞而施于器壁的沖量也增大,因而氣體分子在單位時(shí)間內(nèi),作用于單位面積器壁的總沖量也增大,應(yīng)選項(xiàng)B、C、D正確.舉一反三:【變式2】對(duì)于一定量的稀薄氣體,以下說(shuō)法正確的選項(xiàng)是A.壓強(qiáng)變大時(shí),分子熱運(yùn)動(dòng)必然變得劇烈B.保持壓強(qiáng)不變時(shí),分子熱運(yùn)動(dòng)可能變得劇烈C.壓強(qiáng)變大時(shí),分子間的平均距離必然變小D.壓強(qiáng)變小時(shí),分子間的平均距離可能變小【答案】BD【解析】一定質(zhì)量的稀薄氣體可以看做理想氣體,分子運(yùn)動(dòng)的劇烈程度與溫度有關(guān),溫度越高,分子運(yùn)動(dòng)的越劇烈；壓強(qiáng)變大可能是的原因是體積變小或溫度升高,所以壓強(qiáng)變大,分子熱運(yùn)動(dòng)不一定劇

13、烈,AC項(xiàng)錯(cuò)誤,B項(xiàng)正確；壓強(qiáng)變小時(shí),也可能體積不變,可能變大,也可能變小；溫度可能降低,可能不變,可能升高,所以分子間距離不能確定,D項(xiàng)正確.例2.一定質(zhì)量的某種理想氣體,當(dāng)它的熱力學(xué)溫度升高為原來(lái)的1.5倍、體積增大為原來(lái)的3倍時(shí),壓強(qiáng)將變?yōu)樵瓉?lái)的多少請(qǐng)你從壓強(qiáng)和溫度的微觀意義來(lái)說(shuō)明.【思路點(diǎn)撥】氣體的壓強(qiáng)在微觀意義上正比于單位體積內(nèi)氣體分子個(gè)數(shù)和氣體分子平均動(dòng)能的乘積.【答案】見(jiàn)解析【解析】在微觀意義上,氣體的壓強(qiáng)等于單位面積上氣體碰撞器壁的作用力,找出單位時(shí)間內(nèi)碰撞器壁作用力的決定因素,即可求解.假設(shè)單位體積內(nèi)的分子數(shù)為no個(gè),那么單位面積上單位時(shí)間內(nèi)能碰撞器壁的分子所占的體積V=V,

14、所以碰撞器壁的分子個(gè)數(shù)nocnoV,即nocnoV.每個(gè)氣體分子以平均速率V碰撞器壁時(shí)的速率變化量為2V,那么由牛頓第二定律得F=maxmV.氣體的壓強(qiáng)等于在單位面積上的器壁受的碰撞力,那么有p=nFsn0mv2,即pyn0Ek.由于熱力學(xué)溫度升高為原來(lái)的1.5倍,由Ek=aT得Ek'=1.5Ek.1.1一體積增大為原來(lái)的3倍,那么氣體單位體積內(nèi)的分子個(gè)數(shù)減為原來(lái)的-,即n0'=-no,33一.11.由式得P'=-p,即氣體的壓強(qiáng)變?yōu)樵瓉?lái)的一倍.22【總結(jié)升華】氣體的壓強(qiáng)在微觀意義上正比于單位體積內(nèi)氣體分子個(gè)數(shù)和氣體分子平均動(dòng)能的乘積.舉一反三:【變式】對(duì)于一定質(zhì)量的理

15、想氣體,以下論述中正確的選項(xiàng)是.A.當(dāng)分子熱運(yùn)動(dòng)變得劇烈時(shí),壓強(qiáng)必變大B.當(dāng)分子熱運(yùn)動(dòng)變得劇烈時(shí),壓強(qiáng)可以不變C.當(dāng)分子間的平均距離變大時(shí),壓強(qiáng)必變小D.當(dāng)分子間的平均距離變大時(shí),壓強(qiáng)必變大【答案】B【解析】解此題應(yīng)把握以下兩個(gè)方面：分子熱運(yùn)動(dòng)的劇烈程度由溫度上下決定；對(duì)一定質(zhì)量的理想氣體,衛(wèi)V=恒量T選項(xiàng)A、B中,“分子熱運(yùn)動(dòng)變得劇烈說(shuō)明溫度升高.但不知體積變化情況,所以壓強(qiáng)變化情況不確定,所以A錯(cuò).B對(duì)；選項(xiàng)C、D中,“分子間的平均距離變大說(shuō)明體積變大.但溫度的變化情況未知,故不能確定壓強(qiáng)變化情況,所以C、D均不對(duì),正確選項(xiàng)為B.類型二、平均動(dòng)能例3.給一定質(zhì)量、溫度為0c的水加熱,在水的

16、溫度由0c上升到4c的過(guò)程中,水的體積隨著溫度升高反而減小,我們稱之為“反常膨脹.某研究小組通過(guò)查閱資料知道：水分子之間存在一種結(jié)合力,這種結(jié)合力可以形成多分子結(jié)構(gòu),在這種結(jié)構(gòu)中,水分了之間也存在相互作用的勢(shì)能.在水反常膨脹的過(guò)程中,體積減小是由于水分子之間的結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化,但所有水分子間的總勢(shì)能是增大的.關(guān)于這個(gè)問(wèn)題的以下說(shuō)法中正確的選項(xiàng)是A.水分子的平均動(dòng)能減小,吸收的熱量一局部用于分子間的結(jié)合力做正功B.水分子的平均動(dòng)能減小,吸收的熱量一局部用于克服分子間的結(jié)合力做功C.水分子的平均動(dòng)能增大,吸收的熱量一局部用于分子間的結(jié)合力做正功D.水分子的平均動(dòng)能增大,吸收的熱量一局部用于克服分子間

17、的結(jié)合力做功【答案】D【解析】由于水的溫度在升高,故水分子的平均動(dòng)能增大,所以A、B錯(cuò)誤；吸收熱量的一局部使水分子之間的結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化,而變化時(shí)是需要一定能量的,用來(lái)克服原來(lái)分子間原來(lái)的結(jié)合力而做功,故D的說(shuō)法是正確的.舉一反三:【變式】有關(guān)氣體壓強(qiáng),以下說(shuō)法正確的選項(xiàng)是.A.氣體分子的平均速率增大,那么氣體的壓強(qiáng)一定增大B.氣體分子的密集程度增大,那么氣體的壓強(qiáng)一定增大C.氣體分子的平均動(dòng)能增大,那么氣體的壓強(qiáng)一定增大D.氣體分子的平均動(dòng)能增大,氣體的壓強(qiáng)有可能減小【答案】D【解析】氣體的壓強(qiáng)與兩個(gè)因素有關(guān),一是氣體分子的平均動(dòng)能,二是氣體分子的密集程度,或者說(shuō),一是溫度,二是體積.平均動(dòng)能或密集程度增大,都只強(qiáng)調(diào)問(wèn)題的一方面,也就是說(shuō),平均動(dòng)能增大的同時(shí),氣體的體積也可能增大,使得分子密集程度減小,所以壓強(qiáng)可能增大,也可能減小.同理,當(dāng)分子的密集程度增大時(shí),分子平均動(dòng)能也可能減小,壓強(qiáng)的變化不能確定.綜上所述,正確答案為D.例4.對(duì)一定質(zhì)量的理想氣體,以下說(shuō)法正確的選項(xiàng)是.A.體積不變,壓強(qiáng)增大時(shí),氣體分子的平均動(dòng)能一定增大B.溫度不變,壓強(qiáng)減小時(shí),氣體的密度一定減小C.壓強(qiáng)不變,溫度降低時(shí),氣體的密度一定減小D.溫度升高,壓強(qiáng)和體積都可能不變【答案】A、B【解