物理讲座7热学.ppt

物理讲座 扬州职大电子工程系贾湛 2013 8 热学 1 物质是由大量分子组成的 2 分子永不停息地做无规则的运动 3 分子之间存在着相互作用力 分子动理论 组成物质的分子是很小的 不但用肉眼不能直接看到它们 就是用光学显微镜也看不到它们 科学家用扫描隧道显微镜 放大几亿倍 能看到分子 我国科学家用扫描隧道显微镜拍摄的石墨表面原子的排布图 图中的每个亮斑都是一个碳原子 观察分子 物体是由大量分子组成的 扫瞄隧道显微镜下的硅片表面原子的图像 放大上亿倍的蛋白质分子结构模型 固体 液体 小球模型 气体 立方体模型 气体分子间平均距离 分子大小的估测 单分子油膜法粗测分子直径的原理 类似于取一定量的小米 测出它的体积V 然后把它平摊在桌面上 上下不重叠 一粒紧挨一粒 量出这些米粒占据桌面的面积S 从而计算出米粒的直径 微观量 单分子体积V0 单分子质量m0 分子的直径d 分子数N 宏观量 物质的体积V 物质的质量m 物质的密度 物质的摩尔数n 物质的摩尔质量mmol 物质的摩尔体积Vmol 宏观量与微观量 阿伏加德罗常数 阿伏加德罗常数是联系微观世界和宏观世界的桥梁 体会分子 数量 之大 阿伏加德罗常数NA 1摩尔 mol 任何物质所含的微粒数叫做阿伏加德罗常数 单分子质量 物质分子数 物质密度 分子体积 只适用于固体 液体 宏观量与微观量的关系 下面关于分子数量的说法中正确的是 g的氢气和 g的氦气含有相同的分子数 体积相等的固体和液体相比较 固体中的分子数多 无论什么物质 只要它们的摩尔数相同就含有相同的分子数 无论什么物质 只要它们的体积相同就含有相同的分子数 例 关于分子质量 下列说法正确的是 质量相同的任何物质 分子数相同 摩尔质量相同的物体 分子质量一定相同 分子质量之比一定等于它们的摩尔质量之比 密度大的物质 分子质量一定大 只要知道下列哪一组物理量 就可以估算出气体中分子间的平均距离 A 阿伏加德罗常数 该气体的摩尔质量和质量B 阿伏加德罗常数 该气体的摩尔质量和密度C 阿伏加德罗常数 该气体的摩尔体积D 该气体的密度 体积和质量 BC 例 分子的热运动 热运动 物体内部大量分子的无规则运动 扩散现象和布朗运动都表明分子在永不停息地作无规则的运动 而且温度越高 分子的无规则运动就越激烈 实验一 在硫酸铜溶液中注入清水 硫酸铜在水中逐渐扩展开来 第二天 扩散现象 第六天 第四天 叠放在一起 实验前 五年后 实验二 铅片与金片之间的接触 扩散 不同的物质互相接触时彼此进入对方的现象 1827年英国植物学家布朗用显微镜观察悬浮在水中的花粉 发现花粉颗粒在水中不停地做无规则运动 后来把这种悬浮在液体或气体中的小颗粒的无规则运动叫做布朗运动 布朗运动 该图是每隔30秒微粒位置的连线 而不是微粒的实际运动轨迹 布朗粒子越小 现象越明显 温度越高 布朗运动越激烈 1905年 爱因斯坦从理论上解释了布朗运动 他认为布朗运动是大量液体分子对足够小悬浮微粒的不平衡撞击引起的 是大量液体分子不停地做无规则运动所产生的结果 F F斥 F引 F分 r0 0 r 分子力和分子间距关系 当r r0 10 10m时 F引 F斥 分子力F分 0 处于平衡状态 分子势能 分子间所具有的由它们的相对位置所决定的能 定义 分子因热运动而具有的能量 每时刻各分子的动能 K不同平均值与温度有关 分子动能 定义 分子间因有相互作用力而具有的 由它们相互位置决定的能量 r r0时 r P 0时 r P 0时 P最低 分子势能 定义 物体内所有分子的 K和 P总和 物体的内能与温度和体积有关 与机械能不同 机械能是物体相对外部物体具有的能量 它们之间可以转化 机械能可为0 内能不能为0 物体内能 物体的内能 分子间相互作用力由两部分F引和F斥组成 则 F引和F斥同时存在 F引和F斥都随分子间距增大而减小 分子力指F引和F斥的合力 随分子间距增大 F斥减小 F引增大 例 CD 在物理学中 通常把所研究的对象称为系统 系统以外的周围物体称之为外界或环境 系统与外界之间往往存在相互的作用 状态参量 用来描述系统状态的物理量 平衡态 系统宏观性质不随时间变化的状态 热力学中用体积 m3 描述系统的几何性质 用压强 pa 描述力学性质 用温度 K 描述热学性质等等 平衡态和状态参量 一个物理学系统 在没有外界影响的情况下 只要经过足够长的时间 系统内各部分的状态参量会达到稳定 这是一种动态的平衡 温度是表示物体冷热程度的物理量 反映了组成物体的大量分子的无规则运动的激烈程度 热平衡 一个系统与另一个系统发生相互作用 最后两个系统的状态参量不再变化 说明两个系统具有了某个 共同性质 两个系统达到了热平衡 一切达到热平衡的系统都具有相同的温度 热平衡与温度 温度定义 两个系统处于热平衡时 它们具有一个 共同性质 称温度 常用温度计是根据热平衡定律来测量温度的 热平衡定律 热平衡定律 又叫热力学第零定律 如果两个系统分别与第三个系统达到热平衡 那么这两个系统彼此之间也必定处于热平衡 这个结论称为热平衡定律 家庭和物理实验室常用温度计是利用水银 酒精 煤油等液体的热膨胀规律来制成的 另外 还有金属电阻温度计 压力表式温度计 热电偶温度计 双金属温度计 半导体热敏电阻温度计 磁温度计 声速温度计 频率温度计等等 温标 定量描述温度的方法 温标的建立包含三个要素 选择温度计中用于测量温度的物质 即测温物质 对测温物质的测温属性随温度变化规律的定量关系作出某种规定 确定固定点即温度的零点和分度方法 温度计与温标 摄氏温标 以标准大气压下冰的熔点为0 水的沸点为100 均匀分成100等份 每份为1 热力学温标 以绝对零度 0K 为最低温度 规定水的三相点的温度为273 16K 1K 开尔文 定义为水三相点热力学温度的1 273 15 在国际单位制中 常采用热力学温标表示的温度 叫热力学温度 热力学温度 T 与摄氏温度 t 的关系为 T t 273 15 K 温度计 水银温度计 酒精温度计 数字体温计 双金属温度计 38 87 356 7 114 78 冬天 北方的气温最低可达 40 为了测量那里的气温应选用 A 水银温度计B 酒精温度计C 以上两种温度计都可以D 以上两种温度计都不行 B 例 描述状态的参量 几何性质 力学性质 热学性质 控制变量法 气体三大实验定律 物体有三态 气态 液态和固态 其中气态结构及分子运动最杂乱 于是对称性最强 最简单 最好研究 科学家首先从这里下手 在对气体的研究中发现 描述气体的性质只要三个参数 为进一步揭示规律 科学家常用控制变量法 寻找参量之间的关系 pV C 査理定律 玻意耳定律 盖 吕萨克定律 玻意耳定律 一定质量的某种气体 在温度不变的情况下 压强p与体积V成反比 pV C 对于一定质量的气体 T1 T2 气体的等温变化 该定律由英国科学家玻意耳1662发现 法国科学家马略特晚了14年发现 但他是完全独立地发现的 且更深刻理解其意义 后人也称该定律为玻意耳 马略特定律 查理定律 一定质量的某种气体 在体积不变的情况下 压强p与热力学温度T成正比 气体的等容变化 查理定律 又称查理 盖吕萨克定律 是盖 吕萨克在1802年发布 但他参考了雅克 查理 法 的研究 故后来该定律多称作查理定律 盖 吕萨克定律 一定质量的某种气体 在压强不变的情况下 其体积V与热力学温度T成正比 气体的等压变化 1802年 盖 吕萨克发现气体热膨胀定律 即盖 吕萨克定律 定义 严格地遵循气体实验定律的气体叫做理想气体 理想气体特点 1 气体分子是一种没有内部结构 不占有体积的刚性质点 2 气体分子在运动过程中 除碰撞的瞬间外 分子之间以及分子和器壁之间都无相互作用力 3 分子之间和分子与器壁之间的碰撞 都是完全弹性碰撞 除碰撞以外 分子的运动是匀速直线运动 各个方向的运动机会均等 理想气体 在温度不低于负几十摄氏度 压强不超过大气压的几倍时 很多气体都可当成理想气体来处理 一定质量理想气体的状态方程 理想气体状态方程 可由三大定律多种方法导出理想气体状态方程 3 设过程始点为1 终点为3 选择过程1至2为等温过程 2至3为等容过程 则 温度高时 分子的热运动越剧烈 统计理论证明 a为比例常数 气体温度的微观意义 结论 温度是分子平均动能的标志 2 影响气体压强的两个因素 气体分子的平均动能 气体分子的密集程度 温度 体积 1 产生原因是大量分子频繁地碰撞器壁 就对器壁产生持续 均匀的压力 所以从分子动理论的观点看来 气体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 微观因素 2 宏观因素 气体压强的微观意义 对一定质量的理想气体 下列四个论述中正确的是 A 当分子热运动变剧烈时 压强必增大B 当分子热运动变剧烈时 压强可以不变C 当分子间的平均距离变大时 压强必变小D 当分子间的平均距离变大时 压强必变大 B 例 某种气体在状态 时压强2 105Pa 体积为1m3 温度为200K 1 它在等温过程中由状态A变为状态B 状态B的体积为2m3 求状态B的压强 2 随后 又由状态B在等容过程中变为状态C 状态C的温度为300K 求状态C的压强 A B pAVA PBVB PB 105PaB C pc 1 5 105Pa 解 例 固体可以分成晶体和非晶体两类 在常见的固态物质中 石英 云母 明矾 食盐 硫酸铜 糖 味精等都是晶体 玻璃 蜂蜡 松香 沥青 橡胶等都是非晶体 晶体 非晶体区别 1 规则的几何形状 晶体有 非晶体没有 固体 2 固定熔点 晶体有 非晶体没有 3 物理性质 晶体的各向异性 非晶体 各向同性 沥青 一种物质可能以晶体和非晶体两种不同的形态出现 也就是一种物质是晶体还是非晶体 并不是绝对的 例如 天然水晶是晶体 而熔化以后再凝结的水晶 即石英玻璃 就是非晶体 许多非晶体在一定的条件下可以转化为晶体 松香 人们在研究中还发现 在冷却得足够快和冷却到足够低的温度时 几乎所有的材料都能成为非晶体 晶体可以分为单晶体和多晶体 单晶体 一个物体就是一个完整的晶体 例如雪花 食盐小颗粒等 制造各种晶体管集成电路只能用单晶体 单晶硅或单晶锗 多晶体 整个物体是由许多杂乱无章地排列着的小晶体组成的 由许多食盐单晶体粘在一起而成大块的食盐 就是多晶体 其中的小晶体叫做晶粒 各种金属材料 也是多晶体 单晶体和多晶体 多晶体没有规则的几何形状 也不显示各向异性 但是同单晶体一样 仍有确定的熔点 组成晶体的物质微粒 分子或原子 离子 依照一定的规律在空间中整齐地排列 晶体中物质微粒的相互作用很强 具有空间上的周期性 物理性质就表现出各向异性 非晶体分子排列混乱 非晶体的对称性强 物理性质就表现出各向同性 晶体的微观结构 液体 液体的性质介于气体和固体之间 它与固体一样具有一定的体积 不易压缩 同时 又像气体一样没有固定的形状 具有流动性 这些性质是由它的微观结构决定的 液体分子间距介于气体分子间距和固体分子间距之间 液体分子的排列更接近于固体 液体分子间的相互作用力比固体分子间的作用力要小 液体的微观结构 表面层 液体的特殊现象 浸润和不浸润 液体的表面张力 毛细现象 液体的表面张力具有使液体表面收缩的趋势 表面层里的分子比液体内部稀疏 分子间的距离比液体内部大一些 分子力表现为引力 饱和汽 在密闭容器中的液体不断的蒸发 液面上的蒸气也不断地凝结 当这两个同时存在的过程达到动态平衡时 宏观的蒸发也停止了 这种与液体处于动态平衡的蒸气叫做饱和汽 未饱和汽 没有达到饱和状态的蒸气 饱和汽压 饱和状态的蒸气压强 饱和汽压由温度决定 饱和汽和饱和汽压 往一个真空容器中注入液体 表面的上方形成饱和蒸汽时 表面的上方空间的气压就是饱和汽压 密封容器中原来有空气时表面的上方空间的气压是饱和汽压与空气压强的总气压 液体沸腾的条件就是饱和汽压和外部压强相等 绝对湿度 空气里所含水汽的压强 相对湿度 在某一温度下 水蒸汽的压强与同温度下饱和汽压的比 称为空气的相对湿度 相对湿度 水蒸汽的实际压强 空气的湿度 引发中暑的三个临界点 气温在30 31 相对湿度大于85 气温在38 相对湿度大于50 气温在40 相对湿度大于30 固态 液态 气态 熔化 凝固 吸热 放热 汽化 液化 吸热 放热 放热 吸热 升华 凝华 物态变化 请将下列所学知识用线连起来河面上冰冻解了凝华夏天 湿衣服变干汽化吸热草木上的露珠凝固冰冻的衣服干了熔化放热窗上的冰花液化冬天 河水封冻了升华 练习 熔化热 晶体熔化过程中 当温度达到熔点时 吸收的热量全部用来破坏空间点阵 增加分子势能 而分子平均动能却保持不变 所以晶体有固定的熔点 非晶体没有空间点阵 熔化时不需要去破坏空间点阵 吸收的热量主要转化为分子的动能 不断吸热 温度就不断上升 熔化时吸收的热量 Q m非晶体没有固定的熔点 也就没有固定的熔化热 汽化热 汽化热 某种液体汽化成同温度的气体时所需的能量与其质量之比 称做这种物质在这个温度下的汽化热 汽化热跟温度和压强有关 表达式 U W Q 内容 一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的和 热力学第一定律 改变内能的两种方式 做功W 热传递Q 其它形式的能和内能之间转化 物体间内能的转移 本质 能量守恒定律 机械功转变为热量 焦耳热功当量实验 电功转变为热量 1卡 4 18焦耳 两个温度不同的物体互相接触时温度高的物体要降温 温度低的物体要升温 并将持续到系统间达到热平衡即温度相等为止 这个过程称之为热传递 热传递的三种方式 热传导 热对流 热辐射 热传递Q 热力学第二定律 热力学第二定律有两种表述 1 按热传递的方向性来表述 不可能使热量从低温物体传到高温物体 而不引起其他变化 2 按机械能与内能转化过程的方向性来表述 不可能从单一热库吸收热量并把它全部用来做功 而不引起其他变化 实质是说 热学过程具有方向性 是不可逆的 1854年克劳修斯引进熵S的概念 则热力学第二定律可表述为熵增加原理 孤立系统内部进行任何过程时 总是熵增加的 熵 无序程度的量度 退化论 1877年玻尔兹曼提出了把熵 entropy S和热力学概率 即微观量子态的数目 联系起来 认为熵是系统无序程度的量度 则热力学第二定律意义是系统总是自发的向无序方向进行 克劳修斯后来又提出了 热寂说 宇宙的发展最终将达到永恒的死寂状态 显然许多情况下的系统是退化的 进化是有条件的 正因为此 才需要珍惜生命 创造和保护好的自然环