著名机构高二物理春季班讲义第6讲热 学
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1、第6讲 热 学冷热变化是最早引起人们关注的自然现象之一。春夏秋冬、温暑寒凉,处处与冷热相关。本节我们来学习有关热学的基础知识。6.1 分子动理论知识点睛1物体是由大量分子组成的物体是由大量分子组成的,通过什么途径可以知道分子的大小呢? 用油膜法估测分子的大小把很小一滴油酸滴在水面上,水面上会形成一块油酸薄膜,薄膜是由单层油酸分子组成的。在估算时我们忽略油酸分子的形状,把它简化为球形。测出一滴液体中油酸所占的体积,油膜的面积,就能估算出油酸的分子直径。因此,估测油酸分子的直径,要解决两个问题:获得很小一滴油酸并测得它的体积;测量这滴油酸在水面上形成的油膜面积。 首先,配置一定浓度的油酸酒精溶液,
2、例如可以向油酸中加酒精,直至总量达到。用注射器吸取这样的油酸溶液,把它一滴一滴地滴入小量筒中,记下液滴的总滴数和它们的总体积,这样便知道1滴溶液的体积了。例如,100滴溶液的体积是,1滴的体积就是。根据这些数据就可以计算出一滴溶液中所含纯油酸的体积。例如,上述数据中,1滴溶液含油酸。如果把1滴这样的溶液滴在水面,溶液中的酒精将溶于水并很快挥发,液面上的油膜便是纯油酸形成的。 先在浅盘里倒入约深的水,然后将痱子粉或细石膏粉均匀地洒在水面上。用注射器往水面上滴1滴油酸酒精溶液,油酸立即在水面散开,形成一块薄膜。薄膜上没有痱子粉,可以清楚地看出它的轮廓。待油酸薄膜形状稳定后,将事先准备好的玻璃板放在
3、浅盘上,在玻璃板上描下油酸膜的形状。将画有油酸膜轮廓的玻璃板放在坐标纸上,计算轮廓范围内的正方形个数,不足半个的舍去,多于半个的算一个。把正方形的个数乘以单个正方形的面积就得到油膜的面积。 分子的大小:除了一些有机物质的大分子外,多数分子尺寸的数量级为。 阿伏加德罗常数: 我们在化学课中学过,的任何物质都含有相同的粒子数,这个数量可以用阿伏加德罗常数来表示。年用射线测得的阿伏加德罗常数是。阿伏加德罗常数是一个重要的常数,它把摩尔质量、摩尔体积这些宏观物理量与分子质量、分子大小等微观物理量联系起来,物理学中定量研究热现象时经常用到它。2分子永不停息地做无规则热运动物体里的分子永不停息地做无规则运
4、动,这种运动跟温度有关,所以通常把分子的这种运动叫做热运动。 扩散现象从实验和生活现象中我们都会发现,不同物质能够彼此进入对方,物理学把这类现象叫做扩散。 布朗运动19世纪初,一些人观察到,悬浮在液体中的小颗粒总在不停的运动。1827年,英国植物学家布朗首先在显微镜下研究了这种运动。下面我们来做类似的实验。把墨汁用水稀释后取出一滴放在高倍显微镜下观察,可以看到悬浮在液体中的小碳粒在不停地做无规则运动,追踪一个小碳粒的运动,每隔把碳粒的位置记录下来,然后用直线把这些位置按时间顺序依次连接起来,就得到类似右下图所示的微粒运动的位置连线。可以看出,微粒的运动是无规则的。实际上,就是在短短的内,微粒的
5、运动也是极不规则的。 布朗运动是怎样产生的呢?在显微镜下看起来连成一片的液体,实际上是由许多分子组成的。液体分子不停地做无规则运动,不断地撞击微粒。如图为一颗微粒受到周围液体分子撞击的情景。悬浮微粒足够小时,来自各个方向的液体分子撞击作用的不平衡性便表现出来了。在某一瞬间,微粒在某个方向受到的撞击作用较强;在下一瞬间,微粒受到另一个方向的撞击作用较强,这样,就引起了微粒的无规则运动。关于布朗运动,要注意以下几点: 形成条件是只要微粒足够小 温度越高,布朗运动越激烈 观察到的是固体微粒(不是液体,不是固体分子)的无规则运动,反映的是液体分子运动的无规则性 实验中描绘出的是某固体微粒每隔的位置的连
6、线,不是该微粒的运动轨迹扩散现象和布朗运动都可以很好地证明分子的热运动。3分子间的作用力气体很容易被压缩,说明气体分子间存在着很大的空隙。水和酒精混合后总体积会减小,说明液体分子间存在着空隙。压在一起的金片和铅片,各自的分子能扩散到对方的内部,说明固体分子间也存在着空隙。分子间虽然有空隙,大量分子却能聚集在一起形成固体或液体,说明分子之间存在着引力;用力压所物体,物体内会产生反抗压缩的弹力,说明分子间还存在着斥力。 分子间同时存在引力和斥力,实际表现的分子力是它们的合力。 分子力特点:引力和斥力都随着距离的增大而减小;斥力比引力减小得快。 分子间作用力(指引力和斥力的合力)随分子间距离而变化的
7、规律是: 时表现为斥力; 时分子力为零; 时表现为引力; 以后,分子力变得十分微弱,可以忽略不计。通过前面的学习我们知道:物体是由大量分子组成的,分子在做永不停息的无规则运动,分子之间存在着引力和斥力。这就是分子动理论的主要内容。例题精讲例题说明:例1考察油膜法测分子大小的实验;例2、例3考察涉及阿伏伽德罗常数的简单计算(估算);例4、例5、例6、例7有关考察布朗运动的理解,例8、例9、例10、例11考察有关分子间作用力的理解【例1】 在做用“油膜法估测分子的大小”实验中,实验简要步骤如下:A将画有油膜轮廓的玻璃板放在坐标纸上,数出轮廓内的方格数(不足半个的舍去,多于半个的算一个),再根据方格
8、的边长求出油膜的面积B将一滴酒精油酸溶液滴在水面上,待油酸薄膜的形状稳定后,将玻璃板放在浅盘上,用彩笔将薄膜的形状画在玻璃板上C用浅盘装入约深的水,然后将痱子粉或石膏粉均匀地撒在水面上D用公式,求出薄膜厚度,即油酸分子的大小E根据酒精油酸溶液的浓度,算出一滴溶液中纯油酸的体积F用注射器或滴管将事先配置好的酒精油酸溶液一滴一滴地滴入量筒,记下量筒内增加一定体积时的滴数。上述实验步骤的合理顺序是 【答案】 FECBAD【例2】 用单分子油膜法测出油酸分子(视为球形)的直径后,还需要下列哪一个物理量就可以计算出阿伏伽德罗常数A油滴的体积 B油滴的质量 C油酸的摩尔体积D油酸的摩尔质量【答案】 C【例
9、3】 假如全世界60亿人同时数水的分子个数,每人每小时可以数5000个,不间断地数,则完成任务所需时间最接近(阿伏加德罗常数取)A10年B1千年 C10万年 D1千万年【答案】 C【例4】 做布朗运动实验,得到某个观测记录如图。图中记录的是A分子无规则运动的情况 B某个微粒做布朗运动的轨迹C某个微粒做布朗运动的速度时间图线 D按等时间间隔依次记录的某个运动微粒位置的连线【答案】 D【例5】 在一杯清水中滴一滴墨汁,制成悬浊液在显微镜下进行观察。若追踪一个小碳粒的运动,每隔30s把观察到的碳粒的位置记录下来,然后用直线把这些位置依次连接起来,就得到如图所示的折线。则以下判断正确的是A图中折线为小
10、碳粒运动的轨迹B可以看出小碳粒的运动是无规则的C反映的是液体分子运动的无规则性D可以看出碳粒越大布朗运动越明显【答案】 BC【例6】 不容易观察到较大的颗粒做布朗运动是因为A液体分子停止运动B液体温度太低C跟颗粒碰撞的分子数较多,各方向的撞击作用相互平衡D分子冲击力很难改变颗粒的运动状态【答案】 CD【例7】 在较暗的房间里,从射进来的阳光中可以看到悬浮在空气中的微粒在不停地运动,这些微粒的运动:A是布朗运动 B不是布朗运动C是自由落体运动 D是由气流和重力引起的运动【答案】 BD【例8】 如图所示,两个接触面平滑的铅柱压紧后悬挂起来,下面的铅柱不脱落,主要原因是A铅分子做无规则热运动 B铅柱
11、受到大气压力作用C铅柱间存在万有引力作用 D铅柱间存在分子引力作用【答案】 D【例9】 将橡皮筋拉伸时,橡皮筋内分子间的A引力增大,斥力减小 B斥力增大,引力减小 C引力和斥力都增大 D引力和斥力都减小【答案】 D【例10】 分子之间存在相互作用的引力和斥力,对于下列说法正确的是A引力总大于斥力,其合力总表现为引力 B分子之间的距离越小,引力越小,斥力越大C分子之间的距离越小,引力越大,斥力越小 D分子之间的距离大于平衡位置间的距离时,引力大于斥力【答案】 D【例11】 分子间同时存在吸引力和排斥力,下列说法正确的是A固体分子间的吸引力总是大于排斥力 B气体分子能充满任何容器是因为分子间的排斥
12、力大于吸引力C分子间的吸引力和排斥力都随分子间距离的增大而减小D分子间的吸引力随分子间距离的增大而增大,而排斥力随距离的增大而减小【答案】 C 6.2 内 能知识点睛1分子动能像一切运动着的物体一样,做热运动的分子也具有动能,这就是分子动能。物体中分子热运动的速率大小不一,所以各个分子的动能也有大有小,而且在不断改变。在热现象的研究中,我们关心的是组成系统的大量分子整体表现出来的热学性质,因而重要的不是系统中某个分子的动能大小,而是所有分子的动能的平均值。这个平均值叫做分子热运动的平均动能。从扩散现象和布朗运动中可以看到,温度升高时分子的热运动加剧。因此可以说:物质的温度是它的分子热运动的平均
13、动能的标志。温度越高,分子做热运动的平均动能越大。2分子势能如果宏观物体之间存在引力或斥力,它们组成的系统就具有势能,例如重力势能、弹性势能。现在我们知道,分子间存在着分子力,因此分子组成的系统也具有分子势能,分子势能的大小由分子间的相互位置决定,即与物体的体积有关。分子力做正功时分子势能减少;分子力做负功时分子势能增加分子势能与分子间距离的关系比较复杂。由分子间作用力与分子间距离的关系可知,分子间距离为时分子间合力为零;时表现为引力,这时增大分子间距离必须克服引力做功,因此分子势能随分子间距离的增大而增大;时表现为斥力,这时要减小分子间的距离,必须克服斥力做功,因此随着分子间距离的减小分子势
14、能也要增大。分子势能与分子间距离的关系如图所示。3内能物体中所有分子做热运动的动能和分子势能的总和叫做物体的内能。物体的内能跟物体的温度和体积都有关系。注意: 物体的内能还与物体所含的分子数有关,因为内能是物体所有分子的动能和分子势能的总和。 在热现象的研究中,一般不考虑物体的机械能。例题精讲例题说明:例12、例13考察温度、平均动能、内能的概念,例14考察内能的概念,例15、16考察分子势能与分子间作用力的相关内容。【例12】 下列说法中正确的是A温度是分子平均动能的标志,物体温度高,则分子的平均动能大B温度是分子平均动能的标志,温度越高,则物体的每一个分子的动能都增大C某物体当其内能增大时
15、,则物体的温度一定升高D甲物体的温度比乙物体高,则甲物体分子平均速率比乙物体分子平均速率大【答案】 A【例13】 关于温度的概念,下述说法中正确的是A对于温度不同的物体,温度低的物体内能一定小 B温度的高低可以由人的感觉确定C分子的平均动能越大,物体的温度越高D运动快的分子温度高,运动慢的分子温度低【答案】 C【例14】 关于物体的内能,下列说法中正确的是A一个分子的动能和分子势能的和叫物体的内能B物体所有分子的动能与分子势能的总和叫物体的内能C一个物体当它的机械能发生变化时,其内能也一定发生变化D一个物体内能的多少,与它的机械能多少无关【答案】 BD【例15】 将甲分子固定在坐标原点,乙分子
16、位于轴上。甲、乙分子间作用力与距离间关系的函数图象如图所示。若把乙分子从处由静止释放,仅在分子力作用下,则乙分子从到的过程中A两分子的势能一直增大B两分子的势能先增大后减小C乙分子的动能先减小后增大D乙分子的动能一直增大【答案】 D【例16】 分子间有相互作用的势能,规定两分子相距无穷远时分子势能为零,并已知两分子相距时分子间的引力与斥力大小相等。设分子和分子从相距无穷远处分别以一定的初速度在同一直线上相向运动,直到它们之间的距离达到最小。在此过程中下列说法正确的是A和之间的势能先增大,后减小 B和的总动能先增大,后减小C两分子相距时,和的加速度均不为零 D两分子相距时,和之间的势能大于零【答
17、案】 B6.3气体压强的微观意义知识点睛气体压强是大量气体分子作用在器壁的单位面积上的平均作用力,这就好像密集的雨点打在雨伞上一样,雨点虽然是一滴一滴地打在伞上,但是因为大量密集雨点会撞击雨伞,所以会使伞受到持续的作用力。同样,分子虽然是一个一个地打在伞上。但是因为大量密集的分子会高速频繁的撞击器壁,所以就会使器壁产生持续的作用力。1决定气体压强的因素气体压强由气体分子的数密度(即单位体积内气体分子的数目)和平均动能共同决定。2气体压强的两种解释 微观解释如果气体分子的数密度大,在单位时间内,与单位面积器壁碰撞的分子数就多;如果气体的温度高,气体分子的平均动能就大,每个气体分子与器壁的碰撞(可
18、视为弹性碰撞)冲力就大,从另一方面讲,气体分子的平均速率大,在单位时间里撞击器壁的次数就多,累计冲力就大。 宏观解释气体的体积增大,分子的数密度变小。在此情况下,如温度不变,气体压强减小;如温度降低,气体压强进一步减小;如温度升高,则气体压强可能不变,可能变化,由气体的体积变化和温度变化两个因素哪一个起主导地位来定。因密闭容器的气体分子的数密度一般很小,由气体自身重力产生的压强极小,可忽略不计,故气体压强由气体分子碰撞器壁产生,大小由气体分子的数密度和温度决定,与地球的引力无关,气体对上下左右器壁的压强大小都是相等的。3气体压强定量计算的基本原则我们可以利用气体分子动理论的观点来计算压强的问题
19、,在计算的过程中注意以下两个原则: 气体分子都以相同的平均速率撞击器壁 气体分子沿各个方向运动的机会是均等的(即全部分子中有的分子向着上、下、前、后、左、右这六个方向运动)。例题精讲例题说明: 例17、18考察气体分子压强的解释,例19考察压强的定量计算。【例17】 气体的压强是由气体分子的下列哪种原因造成的A气体分子间的作用力B对器壁的碰撞力C对器壁的排斥力D对器壁的万有引力【答案】 B【例18】 关于气体的压强,下列说法正确的是A气体分子的平均速率增大,则气体的压强一定增大B气体分子的密集程度增大,则气体的压强一定增大C气体分子的平均动能增大,则气体的压强一定增大D气体分子的平均动能增大,
20、则气体的压强有可能减小【答案】 D【例19】 正方体密闭容器中有大量运动粒子,每个粒子质量为,单位体积内粒子数量为恒量。为了简化问题,我们假定:粒子大小可以忽略,其平均速率为,且与器壁各面碰撞的机会均等,与器壁碰撞前后瞬间,粒子速度方向都与器壁垂直,且速率不变,利用所学力学知识,导出压强与和关系。【答案】6.4 热力学第一定律知识点睛1内能改变的两种方式 功和内能变化的关系从19世纪30年代起,人们逐渐认识到,为了使系统的热学状态发生变化,既可以向它传热,也可以对它做功。从1840年起,英国物理学家焦耳进行了多种多样的实验,以求精确测定外界对系统做功和传热对于系统状态的影响,以及功与热量的相互
21、关系。 绝热过程:系统变化过程中,只由于做功而与外界交换能量,它不从外界吸热,也不向外界放热,这样的过程叫做绝热过程。 焦耳 的实验表明,要使系统状态通过绝热过程发生变化,做功的数量只由始末两个状态决定,而与功的方式无关。 当系统从某一状态经过绝热过程达到另一状态时,内能的增加量就等于外界对系统所做的功,用式子表示为。 热量和内能变化的关系不仅对系统做功可以改变系统的热力学状态,单纯的对系统传热也能改变系统的热力学状态。所以,热量是在单纯的传热过程中系统内能变化的量度。当系统从状态1经过单纯的传热到达状态2,内能的增加量就等于外界向系统传递的热量,即。像做功一样,热量的概念只有在涉及能量传递时
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