热学基本概念.doc

一、重要概念和规律1分子动理论物质是由大量分子组成的；分子永不停息的做无规则运动；分子间存在相互作用的引力和斥力。说明：（1）阿伏伽德罗常量NA=摩-1。它是联系宏观量和微观量的桥梁，有很重要的意义；（2）布朗运动是指悬浮在液体（或气体）里的固体微粒的无规则运动，不是分子本身的运动。它是由于液体（或气体）分子无规则运动对固体微粒碰撞的不均匀所造成的。因此它间接反映了液体（或气体）分子的无序运动。2.温度温度是物体分子热运动的平均动能的标志。它是大量分子热运动的平均效果的反映，具有统计的意义，对个别分子而言，温度是没有意义的。任何物体，当它们的温度相同时，物体内分子的平均动能都相同。由于不同物体的分子质量不同，因而温度相同时不同物体分子的平均速度并不一定相同。3内能定义物体里所有分子的动能和势能的总和。决定因素：物质数量（m）温度（T）、体积（V）。改变方式做功通过宏观机械运动实现机械能与内能的转换；热传递通过微观的分子运动实现物体与物体间或同一物体各部分间内能的转移。这两种方式对改变内能是等效的。定量关系E=WQ（热力学第一定律）。4能量守恒定律能量既不会凭空产生，也不会凭空消旯它产能从一种形式转化为别的形式，或者从一个物体转移到别的物体。必须注意：不消耗任何能量，不断对外做功的机器（永动机）是不可能的。利用热机，要把从燃料的化学能转化成的内能，全部转化为机械能也是不可能的。5.理想气体状态参量理想气体始终遵循三个实验定律（玻意耳定律、查理定律、盖?吕萨克定律）的气体。描述一定质量理想气体在平衡态的状态参量为：温度气体分子平均动能的标志。体积气体分子所占据的空间。许多情况下等于容器的容积。压强大量气体分子无规则运动碰撞器壁所产生的。其大小等于单位时间内、器壁单位面积上所受气体分子碰撞的总冲量。内能气体分子无规则运动的动能理想气体的内能仅与温度有关。6.一定质量理想气体的实验定律玻意耳定律：PV=恒量；查理定律：P/T=恒量；盖?吕萨克定律：V/T=恒量。7.一定质量理想气体状态方程PV/T=恒量说明（1）一定质量理想气体的某个状态，对应于P一V（或PT、V-T）图上的一个点，从一个状态变化到另一个状态，相当于从图上一个点过渡到另一个点，可以有许多种不同的方法。如从状态A变化到B，可以经过的过程许多不同的过程。为推导状态方程，可结合图象选用任意两个等值过程较为方便。（2）当气体质量发生变化或互有迁移（混合）时，可采用把变质量问题转化为定质量问题，利用密度公式、气态方程分态式等方法求解。第一节 分子动理论 1分子动理论的内容：物质由大量分子组成，分子永不停息地做无规则运动，分子之间存在着相互作用的引力和斥力 2分子直径的数量级、阿伏加德罗常数的意义和它的数量级（1）分子直径的数量级：1010m（2）阿伏加德罗常数的意义：lmol的任何物质含有的微粒数是相同的，这个数叫做阿伏加德罗常数（3）阿伏加德罗常数的数量级：61023mol1 3用油膜法测分子直径的原理 把油滴滴在水面上，油在水面上散开，形成单分子油膜如果把分子看成球形，单分子油膜的厚度就可以认为等于油分子的直径事先测出油滴的体积，再测出油膜的面积，两者相除，即可算出油分子的直径 4布朗运动（1）悬浮在液体中的微粒在液体中的无规则运动，叫做布朗运动（2）布朗运动本身并非分子的运动，但布朗运动是由液体分子对微粒的碰撞引起的，所以，布朗运动很好地反映了分子的无规则运动（3）液体的温度越高，布朗运动越剧烈；微粒越小，布朗运动越剧烈 5分子力与分子间距的关系 分子之间同时存在着相互作用的引力和斥力引力和斥力都跟分子之间的距离有关，引力和斥力都随着距离的增大而减小，都随着距离的减小而增大当两个分子间的距离r=r0时，分子引力与分子斥力相平衡，分子力的合力F为零；由于分子斥力比分子引力随距离的变化更快，所以，当rr0时，分子力的合力F表现为斥力；当rr0时，分子力的合力F表现为引力当r10r0时，分子之间相互作用变得十分微弱，可以认为分子力等于零 6应用阿伏加德罗常数进行有关计算（1）阿伏加德罗常数是联系宏观世界与微观世界的桥梁，利用阿伏加德罗常数，已知宏观量，如物质的摩尔体积、密度、质量、体积等，可以求得一些微观量，如分子质量、分子体积、分子直径等反之，已知微观量，可以求得一些宏观量（2）根据阿伏加德常数的意义，若已知某物质的摩尔质量，可以用式N=MNA/计算出质量为M、摩尔质量为的某种物质的分子数（3）求解微观量的问题通常是采用估算，以求得对某一物理量的大体的把握因此，在解题时首先需要建立微观模型，并进行近似处理对液体和固体而言，可以忽略分子之间的间隙，认为分子是紧密排列的将物体的摩尔体积分成NA个等份，每个等份就是一个分子所占有的体积（4）固体与液体的分子可以看成是紧密靠在一起，因此有确定的摩尔体积而气体因为没有固定的体积，所以没有确定的摩尔体积（5）在标准状态下lmol任何气体的体积都是224 L 7用分子动理论解释有关现象 用分子动理论解释有关现象，就是要求针对一些热学现象，运用分子动理论的有关内容，指出产生这些现象的微观机制第二节 内能 一、分子的动能和势能1分子的动能和势能的概念 分子动能：分子由于运动而具有的能，叫做分子动能 分子势能：分子具有的由分子力所产生的，并由分子的相对位置所决定的势能，叫做分子势能2温度是物体分子平均动能的标志 温度是一个宏观量，它跟大量分子热运动的剧烈程度有关对此，应当明确：（1）只有对由大量分子组成的物体，才有温度可言，对个别分子谈温度是没有意义的 （2）温度所描述的是物体分子的平均动能，而不是物体分子的平均速率 3分子平均动能和分子势能的相关因素：物体分子的平均动能同温度有关，分子势能同物体的体积有关 二、物体的内能 （1）物体里所有的分子的动能和势能的总和，叫做物体的内能 （2）物体内能的多少同物体的温度和体积都有关系 （3）内能是有别于机械能的另一种形式的能机械能是描述物体机械运动状态的量，而内能是描述物体内部状态的量，两者没有直接的关系，但可以相互转化 （4）由于一切物体都是由不停地做无规则运动的分子组成，所以，任何物体在任何条件下都具有内能 （5）内能是一个宏观量，只有对由大量分子组成的宏观物体，才有内能可言，对个别分子谈内能是没有意义的 三、内能的改变 1改变物体内能的两种方法； （1）改变物体内能的方法是做功和热传递 （2）由于做功而使物体内能发生的改变，用功来量度；由于热传递而使物体内能发生的改变，用热量来量度 （3）功和热量跟能量一样，国际单位都是焦耳 （4）热量和内能是两个不同的概念热量是热传递过程中物体内能的改变量，内能则是物体内所有分子的动能与分子势能的总和；热量是一个过程量，对应于某一个热传递过程，内能则是一个状态量，对应于物体所处的某一个热学状态 2热传递和做功的等效性和区别 （1）热传递和做功的等效性：热传递和做功对于改变物体的内能是等效的这就是说，如果不给出具体过程的有关信息，仅仅根据物体内能的改变，是无法判断物体的内能是由于做功引起，还是由于热传递引起的（2）热传递和做功的区别：热传递和做功有着本质的区别做功使物体的内能改变，是其他形式的能和内能之间的转化，热传递使物体的内能改变，是物体间内能的转移第三节 能的转化和守恒定律(一) 能的转化和守恒定律的内容：能量既不能凭空产生，也不能凭空消失，它只能从一种形式转化为别的形式，或者从一个物体转移到别的物体(二)能的转化和守恒定律的应用 能的转化和守恒定律是自然界一条普遍适用的规律，它把各种形式的运动联系在一起，一切运动过程都遵守能的转化和守恒定律应用这条规律解题时，应当明确所研究的是哪一个系统，在这个系统中，发生了怎样的物理过程，能量的形式发生了怎样的转化，或能量在哪些物体之间发生了转移如果要定量计算，需要将变化前后的能量建立起等式(三)热力学第二定律1热传导的方向性：热量会自发地从高温物体传给低温物体，但不会自发地从低温物体传给高温物体这说明：热传导的过程是有方向性的这个过程可以向一个方向自发地进行，但是向相反的方向不会自发进行要实现相反方向的过程，必须借助外界帮助，因而产生起它影响或引起其他变化2第二类永动机：只从单一吸取热量，使之全部用来做功，而不引起其他变化的热机第二类永动机不可能制成，这说明：机械能和内能的转化过程具有方向性，机械能可以全部转化成内能，内能却不能全部转化成机械能，而不引起其他变化.3热力学第二定律 (1)两种表述 表述一(按照热传导的方向性来表述)：不可能使热量由低温物体传到高温物体，而不引起其他变化。 表述二(按照机械能与内能转化过程的方向性来表述)：不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化。它也可以表述为：第二类永动机是不可能制成的。 以上两种表述是等价的，即可以从一种表述导出另一种表述 (2)热力学第二定律的实质 热力学第二定律揭示了大量分子参与宏观过程的方向性，使人们认识到自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性。4能量耗散:流散的内能没办法从新收集起来加以应用的现象叫能量耗散能量耗散从能的转化的角度反映出自然界中的宏观过程具有方向性5. 绝对零度不可能达到（热力学第三定律）：热力学温度和摄氏温度的关系为 热力学第一、第二定律意义的比较： 通过摩擦，功可以全部变为热热力学第二定律却说明这一热量不可能在不引起其他变化的情况下完全变成功热量可以从高温物体自动传向低温物体，而热力学第二定律却说明热量不能自动从低温物体传向高温物体热力学第一定律说明在任何过程中能量必须守恒，热力学第二定律却说明并非所有能量守恒过程均能实现热力学第二定律是反映自然界过程进行的方向和条件的一个规律，它指出自然界中出现的过程是有方向性的，某些方向的过程可以实现，而另一方向的过程则不能实现在热力学中，它和第一定律相辅相成，缺一不可1能源利用的实质、常规能源和新能源（1）能源利用的过程，实质上是能量的转化和传递的过程（2）典型的常规能源：煤、石油、天然气等 典型的新能源：核能、太能能、风能、地热能、海洋能等 2我国能源工业的重大成就大量消耗常规能源已产生了空气污染、“温室效应”和“酸雨”，对环境带来了严重的污染，且常规能源如果消耗完了就没有了，是不可再生能源开发的新能源主要有风能、水能、太阳能其中风能、水能是可再生能源，太阳能是一种清洁能源 例如：葛洲坝水电站、秦山核电站、大亚湾核电站的建成等 3节能的意义 能源是提高人民生活水平和进行现代化建设的重要物质基础，经济建设的增长速度和发展规模，与能源的生产和利用情况紧密相关我国人均占有能源相对较少，能源的利用率较低，能源供应比较紧张所以，必须注意节约能源第四节 气体的压强一、气体分子运动的特点 （1)气体分子运动的两个特点：气体分子之间距离大,一般分子间的距离是分子直径的10倍，故分子间的相互作用力十分微弱, 气体分子可以自由运动，能充满所能达到的空间，且沿各个方向运动的机会均等；气体分子运动速度大,常温下气体分子运动的速率在数百米每秒，速度特别大的和速度特别小的分子都相当少，呈现的规律是“中间多，两头少”。 （2)气体分子运动特点决定气体的状态：气体充满容器、气体分子频繁撞击容器壁二、气体状态参量1.温度。宏观上表示物体的冷热程度；微观上是分子平均动能的标志。*热力学温度是国际单位制中的基本量之一，符号T，单位K（开尔文）；摄氏温度是导出单位，符号t，单位0C（摄氏度）。关系是t=T-T0，其中T0=273.15K，摄氏度不再采用过去的定义。*两种温度间的关系为：T=t+273.15K和T=t，即每一度的间隔相同。2.体积。气体的体积总等于气体充满的容器的容积。3.压强。气体的压强是由于气体分子频繁碰撞器壁而产生的。三、气体对容器壁的压强和压强单位 （1)气体对容器壁有压强 （2）压强单位是帕斯卡，简称帕，符号是Pa四、气体压强的微观解释 (1)气体对容器壁的压强是由于气体分子频繁撞击容器壁的作用力产生的单位面积上的压力在数值上就等于压强。 (2）气体对容器壁的压强不是由于气体的重力产生的问题讨论1.气体的压强与哪些因素有关：从微观角度上看与气体的分子平均动能和分子的密集程度有关。分子平均动能越大，分子撞击器壁时对器壁的撞击作用力越大，气体的压强越大。在宏观上，温度是分子平均动能的标志，气体的压强与温度有关。气体分子越密集，每秒撞击器壁单位面积上的分子数目越多，气体的压强越大。对于一定质量的气体来说，体积越小，分子越密集，可见在宏观上与气体的体积有关。2.从宏观上看，一定质量的气体仅由温度升高或仅体积减小都会使气体的压强增大，从微观上看，这两种情况又有什么区别？一定质量的气体，它的压强是由单位体积内的分子数和气体的分子平均动能所决定的。气体的温度升高，气体分子运动加剧，分子的平均速率增大，分子撞击器壁的作用力增大，故压强增大；仅气体的体积减小时，虽分子的平均速率不变，分子对器壁的撞击力不变，但是，单位体积内的分子数增大，单位时间内撞击器壁的分子数增多，故压强增大。四.压强的计算: 气体的压强的计算：平衡法：液柱平衡法 活塞平衡法1.密闭气体:各部分压强相等2.开口容器内