第2讲 固体 液体和气体
(对应学生用书第187页)
固体和液体
1.固体
(1)固体分为晶体和非晶体两类．石英、云母、明矾、食盐、味精、蔗糖等是晶体，玻璃、蜂蜡、松香、沥青、橡胶等是非晶体．
(2)单晶体具有规则的几何形状，多晶体和非晶体没有规则的几何形状；晶体有确定的熔点，非晶体没有确定的熔点．
(3)有些晶体沿不同方向的导热或导电性能不同，有些晶体沿不同方向的光学性质不同，这类现象称为各向异性，非晶体和多晶体在各个方向的物理性质都是一样的，这叫做各向同性．
2．液体
(1)液体分子间距离比气体气子间距离小得多，液体分子间的作用力比固体分子间的作用力要小；液体内部分子间的距离在10－10 m左右．
(2)液体的表面张力
液体表面层分子间距离较大，因此分子间的作用力表现为引力；液体表面存在表面张力，使液体表面绷紧，浸润与不浸润也是表面张力的表现．
3．液晶
液晶是一种特殊的物质，它既具有液体的流动性又具有晶体的各向异性，液晶在显示器方面具有广泛的应用．
【针对训练】
1．关于液晶，下列说法中正确的是( )
A．液晶是一种晶体
B．液晶分子的空间排列是稳定的，具有各向异性
C．液晶的光学性质随温度的变化而变化
D．液晶的光学性质不随温度的变化而变化
【解析】 液晶的微观结构介于晶体和液体之间，虽然液晶分子在特定的方向排列比较整齐，具有各向异性，但分子的排列是不稳定的，所以A、B错误；外界条件的微小变化都会引起液晶分子排列的变化，从而改变液晶的某些性质，如温度、压力、外加电压等因素的变化，都会引起液晶光学性质的变化．本题答案为C.
【答案】 C
饱和汽、饱和汽压和相对湿度
1.饱和汽与饱和汽压
与液体处于动态平衡的蒸汽叫做饱和汽；没有达到饱和状态的蒸汽叫做未饱和汽．在一定温度下，饱和汽的分子数密度是一定的，因而饱和汽的压强也是一定的，这个压强叫做这种液体的饱和汽压，饱和汽压随温度升高而增大．
2．相对湿度
空气中水蒸气的压强与同一温度时水的饱和汽压之比叫做空气的相对湿度．
即：相对湿度＝(B＝×100%)．
【针对训练】
2．下列说法正确的是( )
A．饱和蒸汽压与温度有关，且随着温度的升高而增大
B．饱和蒸汽是指液体与气体之间达到了动态平衡
C．所有晶体都有固定的形状、固有的熔点和沸点
D．所有晶体由固态变成液态后，再由液态变成固态时，固态仍为晶体
【解析】 饱和蒸汽压与温度有关，A正确；饱和蒸汽是指蒸发和液化处于动态平衡，B正确；单晶体有固定形状，而多晶体没有固定形状，C错误；水晶为晶体，熔化再凝固后变为非晶体，D错误；本题答案为A、B.
【答案】 AB
气体分子动理论和气体压强
1.气体分子之间的距离大约是分子直径的10倍，气体分子之间的作用力十分微弱，可以忽略不计．
2．气体分子的速率分布，表现出“中间多，两头少”的统计分布规律．
3．气体分子向各个方向运动的机会均等．
4．温度一定时，某种气体分子的速率分布是确定的，速率的平均值也是确定的，温度升高，气体分子的平均速率增大，但不是每个分子的速率都增大．
5．气体压强
(1)产生的原因
由于大量分子无规则地运动而碰撞器壁，形成对器壁各处均匀、持续的压力，作用在器壁单位面积上的压力叫做气体的压强．
(2)决定气体压强大小的因素
a．宏观上：决定于气体的温度和体积．
b．微观上：决定于分子的平均动能和分子数密度．
【针对训练】
3．(2012·江苏高考)密闭在钢瓶中的理想气体，温度升高时压强增大．从分子动理论的角度分析，这是由于分子热运动的________增大了．该气体在温度T1、T2时的分子速率分布图象如图11－2－1所示，则T1________(选填“大于”或“小于”)T2.
图11－2－1
【解析】 温度升高时，气体分子平均速率变大，平均动能增大，在分子密集程度不变的情况下，导致压强增大．温度升高，即分子的速率较大的分子占总分子数比例较大，所以T1＜T2.
【答案】 平均动能 小于
气体实验定律和理想气体状态方程
1.气体的三个实验定律
(1)等温变化——玻意耳定律
①内容：一定质量的某种气体，在温度不变的情况下，压强与体积成反比．
②公式：p1V1＝p2V2或pV＝C(常量)．
(2)等容变化——查理定律
①内容：一定质量的某种气体，在体积不变的情况下，压强与热力学温度成正比．
②公式：＝或＝C(常数)．
(3)等压变化——盖-吕萨克定律
①内容：一定质量的某种气体，在压强不变的情况下，其体积与热力学温度成正比．
②公式：＝或＝C(常数)．
2．理想气体及其状态方程
(1)理想气体
①宏观上讲，理想气体是指在任何条件下始终遵守气体实验定律的气体．实际气体在压强不太大、温度不太低的条件下，可视为理想气体．
②微观上讲，理想气体的分子间除碰撞外无其他作用力，分子本身没有体积，即它所占据的空间认为都是可以被压缩的空间．
(2)状态方程：＝或＝C(常数)．
【针对训练】
4．(2010·广东高考)如图11－2－2所示，某种自动洗衣机进水时，与洗衣缸相连的细管中会封闭一定质量的空气，通过压力传感器感知管中的空气压力，从而控制进水量．设温度不变，洗衣缸内水位升高，则细管中被封闭的空气( )
图11－2－2
A．体积不变，压强变小
B．体积变小，压强变大
C．体积不变，压强变大
D．体积变小，压强变小
【解析】 细管中封闭的气体，可以看成一定质量的理想气体，洗衣缸内水位升高，气体压强增大，因温度不变，故作等温变化，由玻意耳定律pV＝C得，气体体积减小，B选项正确．
【答案】 B
(对应学生用书第188页)
固体和液体的性质
1.晶体和非晶体的比较
分类
比较
晶体
单晶体
多晶体
非晶体
外形
规则
不规则
熔点
确定
不确定
物理性质
各向异性
各向同性
原子排列
有规则，但多晶体每个晶体间的排列无规则
无规则
形成与
转化
有的物质在不同条件下能够形成不同的形态．同一物质可能以晶体和非晶体两种不同的形态出现，有些非晶体在一定条件下也可转化为晶体
典型物质
石英、云母、食盐、硫酸铜
玻璃、蜂蜡、松香
2.对液体性质的三点说明
(1)液体表面层、附着层的分子结构特点是导致表面张力、浸润和不浸润现象、毛细现象等现象的根本原因．
(2)同一种液体，对一些固体是浸润的，对另一些固体可能不浸润．
(3)液体沸腾的条件是饱和汽压和外部压强相等．
(2011·山东高考)人类对物质属性的认识是从宏观到微观不断深入的过程．以下说法正确的是( )
A．液体的分子势能与体积有关
B．晶体的物理性质都是各向异性的
C．温度升高，每个分子的动能都增大
D．露珠呈球状是由于液体表面张力的作用
【解析】 液体体积与分子间相对位置相联系，从宏观上看，分子势能与体积有关，A正确．多晶体表现各向同性，B错误．温度升高，分子的平均动能增大，C错误．露珠表面张力使其表面积收缩到最小，呈球状，D正确．
【答案】 AD
气体实验定律的理解和应用
1.三个实验定律的对比
过程
类别
图线
特点
举例
等温
过程
p－V
pV＝CT(其中C为恒量)，即pV之积越大的等温线温度越高，线离原点越远
P－
p＝CT，斜率k＝CT，即斜率越大，温度越高
等容
过程
p－T
p＝T，斜率k＝，即斜率越大，体积越小
等压
过程
V－T
V＝T，斜率k＝，即斜率越大，压强越小
2.状态方程
＝或＝C(常数)．
3．应用状态方程解题的一般步骤
(1)明确研究对象，即某一定质量的理想气体；
(2)确定气体在始末状态的参量p1、V1、T1及p2、V2、T2；
(3)由状态方程列式求解；
(4)讨论结果的合理性．
(1)应用查理定律、盖·吕萨克定律和状态方程时一定要采用热力学温度．
(2)在应用气体图象分析问题时，一定要看清纵、横坐标所代表的物理量，同时要注意横坐标表示的是摄氏温度还是热力学温度．
(2012·新课标全国高考)如图11－2－3，由U形管和细管连接的玻璃泡A、B和C浸泡在温度均为0 ℃的水槽中，B的容积是A的3倍．阀门S将A和B两部分隔开。A内为真空，B和C内都充有气体。U形管内左边水银柱比右边的低60 mm.打开阀门S，整个系统稳定后，U形管内左右水银柱高度相等．假设U形管和细管中的气体体积远小于玻璃泡的容积．
图11－2－3
(1)求玻璃泡C中气体的压强(以mmHg为单位)；
(2)将右侧水槽的水从0 ℃加热到一定温度时，U形管内左右水银柱高度差又为60 mm，求加热后右侧水槽的水温．
【解析】 (1)在打开阀门S前，两水槽水温均为T0＝273 K．设玻璃泡B中气体的压强为p1，体积为VB，玻璃泡C中气体的压强为pC，依题意有
p1＝pC＋Δp①
式中Δp＝60 mmHg。打开阀门S后，两水槽水温仍为T0，设玻璃泡B中气体的压强为pB.依题意有，
pB＝pC②
玻璃泡A和B中气体的体积为
V2＝VA＋VB③
根据玻意耳定律得
p1VB＝pBV2④
联立①②③④式，并代入题给数据得
pC＝Δp＝180 mmHg.⑤
(2)当右侧水槽的水温加热到T′时，U形管左右水银柱高度差为Δp.玻璃泡C中气体的压强为
p′C＝pB＋Δp⑥
玻璃泡C中的气体体积不变，根据查理定律得
＝⑦
联立②⑤⑥⑦式，并代入题给数据得
T′＝364 K．⑧
【答案】 (1)180 mmHg (2)364 K
(对应学生用书第189页)
1．下列说法正确的是( )
A．空中下落的雨滴呈球形是因为液体有表面张力
B．布朗运动表明了分子越小，分子运动越剧烈
C．由能的转化和守恒定律知道，能源是不会减少的
D．液晶既有液体的流动性，又有光学性质的各向同性
【解析】 布朗运动表明了固体颗粒越小，液体温度越高，液体分子运动越剧烈，B错误；由能的转化和守恒定律知道，能量是守恒的，但能源是会不断减少的，能量与能源的意义不同，C错误．液晶具有光学性质的各向异性，故D错误．
【答案】 A
2．晶体在熔化过程中所吸收的热量，主要用于( )
A．破坏空间点阵结构，增加分子动能，不改变体积
B．破坏空间点阵结构，增加分子势能，改变体积
C．重新排列空间点阵结构，增加分子势能，同时增加分子动能和改变体积
D．重新排列空间点阵结构，但不增加分子势能和动能，也不改变体积
【解析】 晶体熔化过程中保持温度不变，所以分子的平均动能不变，所以选项A、C都不对；晶体分子是有序排列的空间点阵结构，熔化成液体后分子排列是无序的，故选项D不对；晶体熔化的过程是破坏空间点阵结构的过程，空间点阵结构被破坏以后，分子排列无序，故体积改变，分子势能增加，选项B正确．
【答案】 B
3．(2010·江苏高考)为了将空气装入气瓶内，现将一定质量的空气等温压缩，空气可视为理想气体．下列图象能正确表示该过程中空气的压强p和体积V关系的是( )
【解析】 由玻意耳定律可知，在等温变化过程中，压强p与成正比，故选B项．
【答案】 B
4．(2011·海南高考)关于空气湿度，下列说法正确的是( )
A．当人们感到潮湿时，空气的绝对湿度一定较大
B．当人们感到干燥时，空气的相对湿度一定较小
C．空气的绝对湿度用空气中所含水蒸汽的压强表示
D．空气的相对湿度定义为水的饱和汽压与相同温度时空气中所含水蒸汽的压强之比
【解析】 在空气中水蒸汽含量不变的情况下，气温越高时饱和汽压越大，人的感觉是越干燥，即人的感觉取决于相对湿度而非绝对湿度，A错误B正确．空气的相对湿度是指空气中所含水蒸汽压强与同温度下的饱和汽压的比值，空气的绝对湿度的定义就是用空气中所含水蒸汽的压强来表示湿度的方法，故C正确D错误．
【答案】 BC
5．关于气体的压强，下列说法中正确的是( )
A．气体对器壁的压强就是大量气体分子作用在器壁单位面积上的平均作用力
B．气体对器壁的压强就是大量气体分子单位时间作用在器壁上的平均作用力
C．气体分子热运动的平均动能减小，气体的压强一定减小
D．单位体积的气体分子数增加，气体的压强一定增大
【解析】 由气体压强的微观解释知，A对，B错；气体压强的大小与气体分子的平均动能和单位体积内的分子数两个因素有关，C、D均错．
【答案】 A
6．(2012·南京模拟)一定质量的理想气体，经等温压缩，气体的压强增大，用分子动理论的观点分析，这是因为( )
A．气体分子每次碰撞器壁的平均冲力增大
B．单位时间内单位面积器壁上受到气体分子碰撞的次数增多
C．气体分子的总数增加
D．气体分子的密度增大
【解析】 理想气体经等温压缩，压强增大，体积减小，分子密度增大，则单位时间内单位面积器壁上受到气体分子的碰撞次数增多，但气体分子每次碰撞器壁的平均冲力不变，故B、D正确，A、C错误．
【答案】 BD
7．对一定质量的气体，在等温条件下得出体积V与压强p的数据如下表：
V/m3
1.00
0.50
0.40
0.25
0.20
p/×105 Pa
1.45
3. 10
3.95
5.98
7.70
(1)根据所给数据在坐标纸上(如图11－2－4所示)画出p－图线，可得结论是________________________________________________________________________．
图11－2－4
(2)由所做图线，求p＝8.85×105 Pa时该气体体积是________________________________________________________________________．
(3)该图线斜率大小和温度的关系是________________________________________________________________________．
【解析】 (1)如图：
由图线为过原点直线可得出气体的压强与体积成反比，由此验证了玻意耳定律是正确的．
(2)由pV＝C.得V＝C·.
由图象，C＝1.56×105
故V＝0.176 m3
(3)根据图象分析，斜率越大，气体温度越多．
【答案】 见解析
8．(2013届延安模拟)医疗室用的电热高压灭菌锅的锅盖密封良好，盖上有一个排气孔，上面倒扣一个限压阀，利用其重力将排气孔压住．排气孔和限压阀的示意图如图11－2－5所示．加热过程中当锅内气压达到一定程度时，气体就会把限压阀顶起来，使高压气体排出，这样就使锅内能保持较高而又安全的稳定压强，若限压阀的质量m＝0.1 kg，横截面直径D＝2 cm，排气孔直径d＝0.3 cm，大气压为标准值(取p0＝1×105 Pa)，则锅内气压最大可达多少？
图11－2－5
【解析】 当锅内气压达到最大时，限压阀被顶起，此时限压阀处于受力平衡状态，设此时锅内气压为p，则由平衡条件可得p0S＋mg＝pS，S＝π
所以p＝p0＋≈2.4×105 Pa.
【答案】 2.4×105 Pa
9．(1)干湿泡温度计通常由干泡温度计和湿泡温度计组成，由于蒸发________，湿泡所示的温度________(选填“大于”或“小于”)干泡所示的温度．干湿泡温度计温差的大小与空气湿度有关，温度相差越大，说明空气越________(选填“干燥”或“潮湿”)．
(2)一活塞将一定质量的理想气体封闭在汽缸内，初始时气体体积为3.0×10－3 m3.用DIS实验系统测得此时气体的温度和压强分别为300 K和1.0×105 Pa.推动活塞压缩气体，稳定后测得气体的温度和压强分别为320 K和1.6×105 Pa.
①求此时气体的体积；
②保持温度不变，缓慢改变作用在活塞上的力，使气体压强变为8.0×104 Pa，求此时气体的体积．
【解析】 (1)干湿泡温度计通常由干泡温度计和湿泡温度计组成，其中一只温度计的玻璃泡外包着纱布，纱布的另一端浸在水中．由于蒸发吸热，湿泡所示的温度小于干泡所示的温度．蒸发的快慢与空气的湿度有关，也与气温有关．
(2)①从气体状态Ⅰ到状态Ⅱ的变化符合理想气体状态方程，由＝
解得V2＝V1＝ m3＝2.0×10－3 m3
②由气体状态Ⅱ到状态Ⅲ为等温变化过程，有p2V2＝p3V3
解得V3＝＝ m3＝4.0×10－3 m3
【答案】 (1)吸热 小于 干燥 (2)①2.0×10－3 m3
②4.0×10－3 m3
10．如图11－2－6所示，有一空的薄金属筒开口向下静止于恒温透明液体中，筒中液面与A点齐平．现缓慢将其压到更深处，筒中液面与B点齐平，此时筒中气体长度减为原来的.若测得A点压强为1.2×105 Pa，不计气体分子间相互作用，且筒内气体无泄漏．
图11－2－6
(1)求液体中B点的压强；
(2)从微观上解释气体压强变化的原因；
(3)在缓慢下降过程中，筒内空气是吸热还是放热？
【解析】 (1)由题意知气体做等温变化，则有
pAV＝pBV
带入数据得pB＝1.8×105 Pa.
【答案】 (1)1.8×105 Pa
(2)在缓慢下压过程中，温度不变，气体分子的平均动能不变；但单位体积内的气体分子数增多，单位时间内碰撞器壁的次数增多，气体的压强变大．
(3)在缓慢下降过程中，温度不变，气体内能不变；体积减小，外界对气体做功，气体应放热．
11．(2012·上海高考)如图11－2－7，长L＝100 cm，粗细均匀的玻璃管一端封闭．水平放置时，长L0＝50 cm的空气柱被水银柱封住，水银柱长h＝30 cm.将玻璃管缓慢地转到开口向下的竖直位置，然后竖直插入水银槽，插入后有Δh＝15 cm的水银柱进入玻璃管．设整个过程中温度始终保持不变，大气压强p0＝75 cmHg.求：
图11－2－7
(1)插入水银槽后管内气体的压强p；
(2)管口距水银槽液面的距离H.
【解析】 (1)设当转到竖直位置时，水银恰好未流出，由玻意耳定律p＝p0L0/(L－h)＝53.6 cmHg，由于p＋ρgh＝83.6 cmHg，大于p0，水银必有流出，设管内此时水银柱长为x，由玻意耳定律p0SL0＝(p0－ρgx)S(L－x)，解得x＝25 cm，设插入槽内后管内气柱长为L′，L′＝L－(x＋Δh)＝60 cm，插入后压强p＝p0L0/L′＝62.5 cmHg.
(2)设管内外水银面高度差为h′，h′＝75－62.5＝12.5 cm，管口距槽内水银面距离H＝L－L′－h′＝27.5 cm.
【答案】 (1)62.5 cmHg (2)27.5 cm
12．(2011·海南高考)如图11－2－8所示，容积为V1的容器内充有压缩空气．容器与水银压强计相连，压强计左右两管下部由软胶管相连．气阀关闭时，两管中水银面等高，左管中水银面上方到气阀之间空气的体积为V2.打开气阀，左管中水银面下降；缓慢地向上提右管，使左管中水银面回到原来高度，此时右管与左管中水银面的高度差为h.已知水银的密度为ρ，大气压强为p0，重力加速度为g；空气可视为理想气体，其温度不变．求气阀打开前容器中压缩空气的压强p1.
图11－2－8
【解析】 初态下左管内气体压强为
p2＝p0①
终态下气体的压强为
p＝p0＋ρgh②
取所有被封闭的气体为研究对象，由于气体的温度不变，则有p1V1＋p2V2＝p(V1＋V2)③
联立①②③式可得
p1＝p0＋ρgh.④
【答案】 p0＋ρgh
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