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气体知识拓展一、气体分子运动的特点二、关于临界值问题三、关于温室效应四、蒸发与沸腾五、烟与雾 一、气体分子运动的特点（1）气体分子间距离较大，气体分子可看成无大小的质点，分子间作用力很微弱（2）气体分子除相互碰撞或跟器壁碰撞外不受力的作用，可在空间自由移动，充满所达到的空间，故气体无一定形状，也无一定体积（3）大量气体分子的热运动中，分子朝各个方向运动的机会均等，即气体分子沿各个方向运动的数目是相等的（4）大量气体分子的热运动中，分子速率按一定规律分布，呈现“中间多，两头少”；当温度升高时，速率小的分子数减少，速率大的分子数增加，仍然是“中间多，两头少”，只是分子的平均速率增大了二、关于临界值问题在我们研究的许多热学问题中，相关的气体状态参量间存在着一定的制约变化关系，其中当物理现象变化到某一状态时出现极限或某种转折，这就是问题的临界状态，满足与此相对应的条件称为临界条件在解题时，若能善于捕捉并巧妙运用临界条件，则会使解题思路敏捷，少走弯路，少出差错这种解题方法称为临界值法下面仅以两个实例来说明临界值法在解决热学问题上的应用例题1：粗细均匀的长直玻璃管，开口竖直向上，一段20cm长的汞柱封闭着56cm长的空气柱，在管长分别为 m和 m两种情况下，将管缓缓转到武器竖直向下时，管中封闭气柱的长度为多少（已知外界大气压强为 ？）思路点拨：玻璃管从开口向上缓缓转至开口向下过程中，由于有充分的时间与外界发生热交换，可以认为此过程中气体的温度保持不变由于压强 逐渐减小，由玻意耳定律可知气体的体积V将逐渐增大，故当玻璃管的长度不是足够长时，转动过程中有可能伴随着水银从管中溢出因此，本题存在着一个临界条件，那就是玻璃管的长度 ？时恰无水银从管中溢出因此，我们应首先求出这个临界条件，再将题目中所给 、 与求得的 进行比较，讨论水银柱的溢出情况，求解出正确答案解题过程根据玻意耳定律 得： ，其中 为玻璃管中原有水银柱的长度， 为管口竖直向上时封闭气柱的长度， 为管口竖直向下且水银恰不溢出时管内封闭气柱的长度将数值代入，得：故玻璃管的临界长度：（1） ，这种情况下当管转到开口竖直向下时不会有水银从中溢出，根据玻意耳定律得：所以 （2） ，这种情况下当玻璃管开口向下时肯定有水银从管中溢出，设最后管中剩余水银柱的长为 ，由玻意耳定律得：联合理解，可得：即这种情况下最终管中空气柱的长度为：显然，我们通过对物理过程的透彻分析，找到了临界条件并运用之，便能正确地确定解题的主攻方向和思路例题2：如图所示，长为 的粗细均匀的长直玻璃管开口端竖直向上，在温度 时，一段长为 的水银柱封闭着 长的空气柱现对封闭气体缓缓加热（不考虑水银柱和玻璃管的受热膨胀现象），则为使水银柱能全部溢出管口，应使封闭空气柱的温度至少升至多高（已知外界大气压强 ）在水银外溢之前，水银柱被封闭气体缓缓推动而上升过程中，封闭气体体积增大，压强不变，即发生的是等压膨胀过程，由盖吕萨克定律可知，此过程中气体的无衡温度在逐渐升高在水银向外溢出过程（如下图所示）中气体的压强 将不断减小，而体积 将逐渐增大，气体的平衡温度T将随着 与V乘积的变化而变化，当 取最大值时，T也恰为最高平衡温度 此后，随着 的继续减小（即气体压强 的减小）， 将逐渐减小，所对应的气体的平衡温度T又会逐渐降低，这时，若由外界维持气体的温度 不变的话，就会造成管内剩余的水银“自动”外溢的情景因此，上述过程中， 最大时所对应的温度 是一个转折温度、临界温度，也就是我们本题中要求的温度解题过程如上图所示，设气体温度升至T时，管中尚有 cm汞柱未溢出，由于本题中气体状态变化过程可以缓慢地进行，故可以应用理想气体状态方程求解对于封闭的理想气体，其初态参量：， ， ；其末态参量：， ， 由理想气体状态方程 得：即：方法1：设 ，应用均值不等式 ，得：所以：，即 方法2：方程 中，可以将T看作关于 的一元二次方程的待定系数，由判别式求解 即：所以：，即 小结本题若不能正确对气体变化的动态过程进行细致分析，想不到在水银溢出过程中还存在一个平衡温度的临界值 ，往往会得出水银柱刚好全部溢出时对应的封闭理想气体的平衡温度最高的错误认识，从而根据 得出 的错解可见，抓住临界条件在解决实际总是中显得多么的重要另外，本题中求解 的方法还有很多，如利用二次函数求极值法、函数图象求极值法等等，请同学们自己试着做一做，这样，可以帮助我们从多个角度加深对物理过程的理解三、关于温室效应地球的平均温度取决于进入地球的能量和逃逸地球的能量的平衡地球的入射能量来自太阳，太阳温度极高，以致可见光波段都有很强的辐射；地球温度低，其向外的辐射主要集中于远红外波段太阳表面辐射的能量只有20亿分之一投射到地球大气层，总功率为 其中30被大气层反射到宇宙空间，23%被大气吸收，只有47约 的功率到了地表按地球能量收支平衡，地球的平均温度约为18 ，但实际上的平均温度约为15左右这是因为地球大气中存在温室气体，这些气体是 、水蒸气、甲烷、氮氧化合物及低空臭氧这些气体占大气百分比不大，如 仅占 ，其他温室气体所占比例更小，但它们对红外线有很强的吸收地球的辐射正好集中于红外波段，这种辐射被大气中的温室气体吸收，减少了热量向宇宙空间的散失，从而提高了地球的平均气温正如蔬菜的温室那样，大棚的玻璃允许太阳光辐射进来，但阻止了室内温气与室外冷气的对流大气中的温室气体起到了保温作用，使地球的温度比没有它时高出近30 ，为地球上生命提供了一个温暖的环境但是随着人口的增长及工业化进程的加快，大气中的 含量在不断增长，现在较没有实现工业化之前增加约25%，在过去的一个世纪中，由于大气中 含量的，地球的平均温度约增加了1 科学家通过计算机模拟预测，到20302080年间，大气中 的浓度将达到1900年的2倍，那时地球上的平均温度要增高3.0 5.5 ，这将带来十分危险的后果四、蒸发与沸腾蒸发和沸腾是物质汽化的两种具体形式由于两者的物理现象有明显的差别，一般情况下还是能很好地加以区别但是，关于蒸发和沸腾的条件，以及伴随它们所产生的一系列性质，直至它们的微观本质，有时是模糊不清的本节分析讨论的侧重点也就放在这些方面所谓蒸发就是指发生在液体表面的汽化过程蒸发可以在任何温度下进行，但温度不同，蒸发的快慢也不同，一般是温度高蒸发快，温度低蒸发慢譬如，夏天湿衣干得快，而冬天湿衣干得慢影响蒸发快慢的因素不仅是温度，还有液体自由表面的大小、通风的条件以及压力的高低等即使条件相同，不同的液体，它们蒸发的快慢程度也不同如酒精比水蒸发快，海水比淡水蒸发慢另外，一切液体蒸发时温度都会降低，而温度降低后的液体决不会就此停止蒸发，变化的只是蒸发的速度有所减慢罢了蒸发的微观本质：液体分子的运动是杂乱无规则的效运动但其中总有一部分分子在某一时刻具有较大的运动速度，当它们处在液体表面时能凭自己较大的动能克服液体分子间的引力而飞出液体表面当然，飞出的分子也有可能相互碰撞而重新回到液体表面或进入液体内部当飞出的分子多于飞回的分子时，则液体就在蒸发既然蒸发过程中飞出液面的分子都是运动速度大的分子，那么，液体内留下的分子的平均速度就减小，从而分子平均平动能也减小所以，在蒸发过程中如果外界不给液体补充能量，则液体的温度一定下降使液体升温，实质就是增多飞出液面的分子数和增大飞出液面分子的速度，这样，蒸发速度自然也就快了增大液体自由表面，就是增大速度大的分子飞出液面的机会至于通风，就是减少飞出液面分子的碰撞机会，从而降低分子重新回落液体的倾向沸腾是在液体表面和内部同时进行的剧烈汽化过程在一定的外界压力下，沸腾只能在某一特定温度（沸点）下进行在不同的压力下，同一种液体的沸点是不同的，同一压力下不同液体的沸点也是不同的下表给出的是几种液体在1标准大气压下的沸点（）液体沸腾时，尽管继续给它加热但温度始终保持在沸点不变沸腾时液体和液体上方的饱和气体的温度相等，都等于沸点尽管两者温度相同，但由于聚集状态已不同，故一定质量的液体变成同温度的蒸气时需要吸收一定的能量，这由汽化热反映1标准大气压下几种不同液体的沸点表（）液态铁 2750水 100液态氧 183液态铅 1740酒精 78液态氮 196水 银 357乙醚 35液态氢 253萘 218液态氨 33液态氦 268.9沸腾的微观本质：由于水中溶有空气，当加热容器时，容器底和壁上会出现小气泡，小气泡由空气和饱和水气组成继续加热时，小气泡受热膨胀，泡内的压力减小，此时一方面气泡脱离器底或器壁上浮，一方面液体不断地向泡内蒸发，同时在上浮气泡的下方又将形成许多新的小气泡，并重复上述相同的过程尚未达到沸腾之前，气泡上升到较冷的水层时，由于泡内的饱和气压小于外部压力，气泡又逐渐缩小，使泡里的饱和气逐渐凝结成液体，最后只剩下空气和少量水气跑出液面继续加热容器，随着温度的升高，气泡内饱和气压不断增大，直到等于外部压力时，上浮气泡不再缩小，并且这时气泡周围的液体反而迅速地向气泡内蒸发，使气泡继续增大，直到冒出液面时才破裂，这就形成沸腾现象可见，沸腾现象产生的必要条件，是液体中气泡内的饱和气压和外界压力必须相等显然，当外界压力增大时，液体中气泡内的饱和气压也要相应增大，只有这样液体才能沸腾液体的沸点随外界压力增大而升高，随外界压力减小而降低的道理就在于此平日我们用的高压锅也就是利用这个原理制成的一般高压锅内能维持2个大气压，锅内的温度可达120左右看来，沸腾比蒸发确实要复杂得多为了能对沸腾的条件有全面的认识，进而对沸腾的概念理解得更加透彻，下面再分析一个例题在火炉上一锅烧开的水中放入一杯冷水，不让杯底接触锅底，然后继续加热问经过较长的时间后杯中的水能否沸腾？锅上盖好封闭的高压锅盖后又会怎样？不少人常认为盛冷水的杯子放入开水锅中，可以不断地从杯外的开水中吸收热能，而锅中开水又不断在火炉上加热保持其沸腾，因而经一段时间后，杯内和锅中的水都可以达到100而同时沸腾当盖上高压锅盖后杯内和锅中水的温度都将高于100，因此，更能沸腾以上观点却是错误的错误的原因是未能具体地分析问题的物理过程，只是凭“想当然”作出判断另外，对沸腾的概念缺乏全面、正确的理解对液体沸腾必须达到沸点这一条件记得很牢，似乎液体只要温度达到沸点就一定能沸腾，忘记了液体沸腾时还需汽化热这一能量条件，殊不知在一定的压力下，液体到达沸点只是液体沸腾的必要条件，并不是充要条件上例正确的解答是：杯中的水是不可能沸腾的因为当盛有冷水的杯子放入开水锅中，冷水固然可以不断地从其周围的开水中吸收热能，温度逐渐升高，达到100C，并使杯内的水处于热动平衡状态但以后杯内的水再也不能从其周围的开水中吸收热能了由于杯内的水无处吸收汽化热，杯内只能保持100的水而不能变成100的汽，因此，它是不能沸腾的然而，杯外的水由于它能源源不断地从比它温度高的接触火炉的锅底吸收热能，便能继续沸腾当盖上高压锅盖后，水蒸气的饱和蒸气压便会升高，从而水的沸点也相应升高，杯外水的温度可达到100以上这时杯内外的水就有了温度差，杯中的水又可以从其周围的水中吸收热能，但此时杯内水的沸点也升高了，因而吸收的热能仍不能用来使杯中的水气化而只能继续升高温度随着时间的推移，杯内外的水将处于某一高于100的新的热动平衡状态，此时，杯中的水又无处吸收汽化热，因此它还是不能沸腾五、烟与雾化学课上，为了了解氨的性质，我们曾做过将两根分别蘸有浓盐酸和浓氨水的玻璃棒相互接近的实验实验发现，当打开盛有浓盐酸的玻璃瓶盖时，立刻能看到瓶口上方有白色“酸雾”；又当上述两根玻璃棒相接近时，会看到棒端四周冒出比刚才“酸雾”更浓的所谓“白烟”为什么一个称雾，一个又称烟？烟和雾到底有什么不同？胶体化学知识告诉我们，烟和雾都是属于一种所谓的“胶态分散体系”，它们的分散剂都是空气，但分散质不同烟是被空气分散的固体小颗粒，而雾是被空气分散的液体小滴比如烟囱里冒出的烟，就是物质燃烧时产生的微小颗粒、二氧化碳气体等分散在空气中所形成的胶体分散体系，清晨大地上的白雾就是气温下降时，空气中所含的水蒸气凝结成的小水滴分散在接近地面的空气中所形成的胶态分散体系那么，上述化学实验中所涉及的“酸雾”和“白烟”又是怎么回事呢？认识了烟和雾的本质，此问题不难解释清楚我们知道，浓盐酸极易挥发是它的一个很明显的性质，当打开瓶盖时，挥发出的氯化氢气体立即溶解于空气中的水蒸气，形成微小的盐酸小液滴，小液滴又马上被空气均匀分散，形成胶态分散体系，即所谓的“酸雾”；当蘸有浓酸的玻璃棒和蘸有浓氨水的玻璃棒相接近时，盐酸挥发出的氯化氢（气体与氨气直接接触，发生化学反应，生成许许多多微小的氯化氨）固体颗粒，此固体颗粒又马上被四周围空气均匀分散形成胶态分散体系，即所谓的“白烟”至于烟和雾为什么一般都呈白色，这还与物体颜色的本质有关早在1666年，年仅23岁的牛顿用三棱镜做太阳光的色散实验时，发现目光是由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种单色光组成的经深入研究，6年后牛顿在他发表的第一篇科学论文中指出：颜色不是物体自身的性质，而是由它对照射到它上面的各种颜色的光的反射和吸收决定