热学综合问题--2024年高考物理大题突破含答案.pdf
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1、1大题 热学综合问题大题 热学综合问题热学在历年高考中都有多以选择题、计算题的形式出现计算题分值一般 10分。其中以气体实验定律、热力学定律等为知识题载体,以汽缸或液柱密封气体为模型来考察,但近几年更多的试题接近生活实际对学生的建模能力有了新的要求,在复习备考过程中应引起高度重视。气体实验定律理想气体状态方程1 1(2024(2024广西河池 一模)小林同学在实验室探究气体状态变化规律,如图所示,实验室有一下端有小段软管、导热性能良好的U型管,U型管左端封闭右端开口,左管内用水银柱封闭一段气体,可看成理想气体,左端封闭的气体长度 L=22cm,左右两管水银柱高度相同都为 H=28cm,U 型管
2、的非软管部分粗细均匀,已知大气压强为75cmHg,实验室温度为27,管的粗细相对水银柱的高度来说可忽略不计,求:(1)现将U型管右管缓慢放置水平,此过程水银柱没有溢出,此时水银柱右端离右管口的距离多大?(2)小林同学利用这个U型管和一把刻度尺,能测量不同环境的温度,他将U型管移到另一个封闭环境(如题图所示竖直放在地面上),左端气柱长度明显变短,小林同学将右管缓慢旋转,使得左管气体长度恢复原长22cm。此时,小林用刻度尺测出右管水银面离地面的竖直高度为22cm,依据这些条件可求出这个封闭环境温度为多少摄氏度?2 2(2024(2024甘肃兰州 一模)“空气炮”是一种有趣的小玩具,其使用方法是:先
3、用手拉动后面的橡胶膜,如图所示,吸入一定量的空气后放手,橡胶膜在迅速恢复原状的过程中压缩空气,从而产生内外压强差,空气从管口冲出。已知“空气炮”在未使用前的容积为 1L,拉动橡胶膜至释放前的容积变为 1.2L,大气压强为1.05105Pa,整个过程中“空气炮”中的温度始终等于室温。(1)若橡胶膜恢复原状的过程时间极短,可视为没有气体冲出,试求恢复原状瞬间“空气炮”内部空气压强;(2)经检测,橡胶膜恢复原状瞬间,“空气炮”内部空气压强为1.2105Pa,试求此时已冲出管口的空气质量与仍在“空气炮”内部的空气质量之比。热学综合问题-2024年高考物理大题突破21压强的计算(1)被活塞或汽缸封闭的气
4、体,通常分析活塞或汽缸的受力,应用平衡条件或牛顿第二定律求解,压强单位为Pa。(2)水银柱密封的气体,应用p=p0+ph或p=p0-ph计算压强,压强p的单位为cmHg或mmHg。2合理选取气体变化所遵循的规律列方程(1)若气体质量一定,p、V、T中有一个量不发生变化,则选用对应的气体实验定律列方程求解。(2)若气体质量一定,p、V、T均发生变化,则选用理想气体状态方程列式求解。3关联气体问题:解决由活塞、液柱相联系的两部分气体问题时,根据活塞或液柱的受力特点和状态特点列出两部分气体的压强关系,找出体积关系,再结合气体实验定律或理想气体状态方程求解。1(2323-2424高三下 安徽 阶段练习
5、)如图所示,竖直放置的汽缸质量M=8kg,活塞的质量m=2kg,活塞的横截面积S=410-3m2,厚度不计。汽缸壁和活塞都是绝热的,活塞上方的汽缸内封闭一定质量的理想气体,活塞下表面与劲度系数k=2.5103N/m的轻弹簧相连,活塞不漏气且与汽缸壁无摩擦。当汽缸内气体的温度T0=450K时,缸内气柱长L=50cm,汽缸总长L0=60cm,汽缸下端距水平地面的高度h=2cm,现使汽缸内气体的温度缓慢降低,已知大气压强p0=1.0105Pa,取重力加速度大小g=10m/s2。求:(1)汽缸刚接触地面时,求活塞上方汽缸内气体的热力学温度T1(2)汽缸接触地面后,把活塞下方的气体与外界隔开且不漏气,地
6、面导热良好。现改变活塞上方汽缸内气体温度,求当弹簧刚好恢复到原长时,活塞下方的气体压强 p1;(3)求(2)问中,活塞上方汽缸内气体的热力学温度T2为多少。2(20242024 江西赣州 一模)装有汽水饮料的瓶内密封一定质量的二氧化碳理想气体,t=27时,压强p=1.050105Pa。(1)若瓶内气体的质量变化忽略不计,t=33时,气压p是多大?3(2)保持27温度不变,用力摇晃瓶子后,使瓶内气体压强与(1)问相等,忽略瓶内气体体积的变化,此时气体的质量为原来的多少倍?热力学定律与气体实验定律相结合热力学定律与气体实验定律相结合1 1如图所示,柱形绝热汽缸固定在倾角为 的斜面上,一定质量的理想
7、气体被重力为 G、横截面积为 S 的绝热活塞封闭在汽缸内,此时活塞距汽缸底部的距离为 L0,汽缸内温度为 T0。现通过电热丝缓慢对汽缸内气体加热,通过电热丝的电流为I,电热丝电阻为R,加热时间为t,使气体温度升高到2T0。已知大气压强为 p0,活塞可沿汽缸壁无摩擦滑动,设电热丝产生的热量全部被气体吸收。求汽缸内气体温度从 T0升高到2T0的过程中,(1)活塞移动的距离x;(2)该气体增加的内能U。1理想气体相关三量U、W、Q的分析思路(1)内能变化量U由气体温度变化分析U:温度升高,内能增加,U0;温度降低,内能减少,U0。由公式U=W+Q分析内能变化。(2)做功情况W由体积变化分析气体做功情
8、况:体积膨胀,气体对外界做功,W0。(3)气体吸、放热Q一般由公式Q=U-W分析气体的吸、放热情况:Q0,吸热;Q0;温度降低,内能减少,U0。由公式U=W+Q分析内能变化。(2)做功情况W由体积变化分析气体做功情况:体积膨胀,气体对外界做功,W0。(3)气体吸、放热Q一般由公式Q=U-W分析气体的吸、放热情况:Q0,吸热;Q0即气体吸热。(2)根据题意,设玻璃管横截面积为S,由盖吕萨克定律有l1STA=l2STB得TB=300K(3)根据题意,气体处于状态B时,有pB+gl0=p0得pB=50cmHg气体处于状态C时,有pC=p0+gl0得pC=100cmHg由玻意耳定律pBl2S=pCl3
9、S得l3=7.5cm1(20242024 浙江 高考真题)如图所示,一个固定在水平面上的绝热容器被隔板A分成体积均为V1=750cm3的左右两部分。面积为S=100cm2的绝热活塞B被锁定,隔板A的左侧为真空,右侧中一定质量的理想气体处于温度T1=300K、压强p1=2.04105Pa的状态1。抽取隔板A,右侧中的气体就会扩散到左侧中,最终达到状态2。然后解锁活塞B,同时施加水平恒力F,仍使其保持静止,当电阻丝C加热时,活塞B能缓慢滑动(无摩擦),使气体达到温度T2=350K的状态3,气体内能增加U=63.8J。已知大气压强p0=1.01105Pa,隔板厚度不计。(1)气体从状态1到状态2是(
10、选填“可逆”或“不可逆”)过程,分子平均动能(选填“增大”、“减小”或“不变”);(2)求水平恒力F的大小;(3)求电阻丝C放出的热量Q。【答案】(1)气体从状态1到状态2是不可逆过程,分子平均动能不变;(2)10N;(3)89.3J【详解】(1)根据热力学第二定律可知,气体从状态1到状态2是不可逆过程,由于隔板A的左侧为真空,可知气体从状态1到状态2,气体不做功,又没有发生热传递,所以气体的内能不变,气体的温度不变,分子平均动能不变。23(2)气体从状态1到状态2发生等温变化,则有p1V1=p22V1解得状态2气体的压强为p2=p12=1.02105Pa解锁活塞B,同时施加水平恒力F,仍使其
11、保持静止,以活塞B为对象,根据受力平衡可得p2S=p0S+F解得F=(p2-p0)S=(1.02105-1.01105)10010-4N=10N(3)当电阻丝C加热时,活塞B能缓慢滑动(无摩擦),使气体达到温度T2=350K的状态3,可知气体做等压变化,则有2V1T1=V3T2可得状态3气体的体积为V3=T2T12V1=3503002750cm3=1750cm3该过程气体对外做功为W=p2V=p2(V3-2V1)=1.02105(1750-2750)10-6J=25.5J根据热力学第一定律可得U=-W+Q解得气体吸收的热量为Q=U+W=63.8J+25.5J=89.3J可知电阻丝C放出的热量为
12、Q=Q=89.3J2(20232023 河北 高考真题)如图,某实验小组为测量一个葫芦的容积,在葫芦开口处竖直插入一根两端开口、内部横截面积为0.1cm2的均匀透明长塑料管,密封好接口,用氮气排空内部气体,并用一小段水柱封闭氮气。外界温度为300K时,气柱长度l为10cm;当外界温度缓慢升高到310K时,气柱长度变为50cm。已知外界大气压恒为1.0105Pa,水柱长度不计。(1)求温度变化过程中氮气对外界做的功;(2)求葫芦的容积;(3)试估算被封闭氮气分子的个数(保留2位有效数字)。已知1mol氮气在1.0105Pa、273K状态下的体积约为22.4L,阿伏伽德罗常数NA取6.01023m
13、ol-1。24【答案】(1)0.4J;(2)119cm3;(3)2.91021【详解】(1)由于水柱的长度不计,故封闭气体的压强始终等于大气压强。设大气压强为 p0,塑料管的横截面积为S,初、末态气柱的长度分别为l1、l2,气体对外做的功为W。根据功的定义有W=p0S l2-l1解得W=0.4J(2)设葫芦的容积为V,封闭气体的初、末态温度分别为T1、T2,体积分别为V1、V2,根据盖-吕萨克定律有V1T1=V2T2V1=V+Sl1V2=V+Sl2联立以上各式并代入题给数据得V=119cm3(3)设在1.0105Pa、273K状态下,1mol氮气的体积为V0、温度为T0,封闭气体的体积为V3,
14、被封闭氮气的分子个数为n。根据盖一吕萨克定律有V+Sl1T1=V3T0其中n=V3V0NA联立以上各式并代入题给数据得n=2.91021个3(20232023 广东 高考真题)在驻波声场作用下,水中小气泡周围液体的压强会发生周期性变化,使小气泡周期性膨胀和收缩,气泡内气体可视为质量不变的理想气体,其膨胀和收缩过程可简化为如图所示的 p-V图像,气泡内气体先从压强为p0、体积为V0、温度为T0的状态A等温膨胀到体积为5V0、压强为pB的状态B,然后从状态B绝热收缩到体积为V0、压强为1.9p0、温度为TC的状态C,B到C过程中外界对气体做功为W已知p0、V0、T0和W求:25(1)pB的表达式;
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