《物质的热行为》PPT课件.ppt

17 ThermalBehaviorofMatter物質的熱行為 Gases氣體PhaseChanges相變ThermalExpansion熱膨脹 Whatunusualpropertyofwaterisevidentinthisphoto 這照片顯露了水的那一種特性 Iceislessdensethanwater 冰的密度比水低 17 1 Gases氣體 TheIdealGasLaw 理想氣體定律 Apiston cylindersystem 一個活塞 氣缸系统 k 1 38 10 23J K Boltzmann sconstant波爾茲曼常數N numberofmolecules分子數目 NA 6 022 1023 Avogadro snumber阿佛加德羅數字 numberofatomsin12gof12C12克12C裏面的原子數n numberofmoles mol 摩爾數1moleofmattercontainsNAmolecules 一摩爾包含NA個分子 8 314J Kmol Universalgasconstant通用氣體常數 Allgasesbecomeidealifsufficientlydilute 在充份稀釋後 所有氣體都會變成理想 Example17 1 STP標準温壓 Whatvolumeisoccupiedby1 00molofanidealgasatstandardtemperature pressure STP whereT 0 C p 101 3kPa 1atm 在標準温壓下 T 0 C p 101 3kPa 1atm 1 00mol理想氣體的體積為何 lastfiguresubjecttoround offerror 末位數含四捨五入誤差 KineticTheoryoftheIdealGas理想氣體的運動理論 Kinetictheory運動理論 Newtonianmechanics牛頓力學 Gasconsistsofidentical point moleculesofmassm 氣體由全部一樣 質量為m的 點 分子組成 Nointeractionbetweenmolecules exceptwhentheycollide 分子之間除碰撞時無相互作用 Randommotion 隨機運動 Collisionswithwallareelastic 與容壁的碰撞都是彈性的 表面積 Moleculeicollideswithright handwall RHW 分子i碰上右壁Momentumtransfertowallis動量轉移為 NointermolecularcollisionNextcollisionwithRHWoccursat無分子互撞 下次碰撞右壁的時間為 AverageforceofionRHW i加於右壁的平均力為 Randommotion 隨機運動 Idealgaslawisrecoveredif欲得理想氣體定律 祗需 T K in out Example17 2 AirMolecule空氣分子 Find K ofamoleculeinairatroomtemperature 20 C 293K 找出在室温 20 C 293K 空氣中一個分子的 K determinethespeedofaN2moleculewiththisenergy 再决定一個能量為此值的氮分子 N2 的速率 Thermalspeed 熱速率 DistributionofMolecularSpeeds分子速率的分佈 Maxwell BoltzmannDistribution elasticcollisionsbetweenfreeparticles 麥克斯韋 波爾茲曼分佈 自由粒子間的彈性碰撞 High EtailextendsrapidlywithT高 E尾巴隨T快速延展chemicalreactioneasierathighT化學反應在高T時較易進行coolingofliquid液體冷卻 byescapeofhigh Emolecules 緣於高 E分子逃逸 80K vth 300K vth 分子數 分子速率 RealGases實在的氣體 Importantcorrectionstotheidealgasmodel理想氣體模型的重要修正 finitesizeofmolecules availableVreduced 分子大小非零 可用V變小 Attractiveinteractionbetweenmolecules vanderWaalsforces reducedP 分子的互吸作用 范得瓦力 P變小 vanderWaalsequation范得瓦方程式 minimumvolume最小體積 17 2 PhaseChanges相變 PhasechangestakeplaceatfixedT TCuntilwholesystemisinthenewphase 相變時温度固定在T TC 直至整個系统變成新相為止 breaking buildingbondsraisesUbutkeepsKunchanged 打斷 建立化學鍵會提高U但保持K不變 Heatoftransformation相變熱L energyperunitmassneededtochangephase 相變時單位質量所需熱量 Lf Heatoffusion solid liquid 熔解熱 固 液 Lv Heatofvaporization liquid gas 蒸發熱 液 氣 Ls Heatofsublimation solid gas 昇華熱 固 氣 Water 水 SameEtomelt1giceorheatwaterby80 C熔解1g冰和水升温80 C需要同樣的熱量 相變熱 大氣壓下 物質 熔點 沸點 酒精 乙基銅鉛水銀氧硫水鈾 ConceptualExample17 1 WaterPhases水相 icewarming冰加温中 melting熔解中 waterwarming水加温中 boiling沸騰中 steamwarming蒸氣加温中 Youputablockoficeinitiallyat 20 Cinapanonahotstovewithaconstantpoweroutput 你把一塊原來在 20 C的冰塊 放在一個功率固定的熱爐上的鍋子裏加熱 andheatituntilithasmelted boiled andevaporated 等它融化 沸騰 而全部蒸發 Makeasketchoftemperatureversustimeforthisexperiment 把這實驗用一個温度對時間的圖表達 時間 温度 MakingtheConnection連起來 Ifyoustartwith0 95kgoficeat 20 Candsupplyheatattherateof1 6kW 如果你開始時用一塊在 20 C的0 95kg冰塊 且以1 6kW的速率加熱 howmuchtimewillittakeuntilyou releftwithonlywatervapor 要多久你才會祗剩下水蒸氣 Heatneededtowarmiceto0 C把冰加温到0 C需熱 Heatneededtomelticeat0 C在0 C把冰融解需熱 Heatneededtovaporizewaterat100 C在100 C把水蒸發需熱 Heatneededtowarmwaterto100 C把水加温到100 C需熱 Timeneeded 需時 GOTIT懂嗎 17 2 Youbringapotofwatertoboil thenforgetaboutit 你把一壺水燒開之後把它忘了 10minlateryoucomeback finditstillboiling 10分鐘後你回來發現它還在沸騰 Isitstemperature它的温度是 a less b greaterthan or c equalto a 小於 b 大於 還是 c 等於100 C Example17 3 Meltdown熔毀 Anuclearpowerplant sreactorvesselcracks drainingallcoolingwater 一個核電廠的反應堆容器破裂 把全部的冷卻用水流光 Althoughnuclearfissionstops radioactivedecaycontinuestoheatthereactor s2 5 105kguraniumcoreattherateof120MW 雖然核分裂已停止 放射性衰變卻繼續以120MW的功率加熱反應堆內2 5 105kg的鈾核心 Oncethemeltingpointisreached howmuchenergywillittaketomeltthecore 一旦達到熔點 還需要多少能量才可以把核心熔解 Howlongwillthemeltingtake 熔解過程要多久 Table17 1 forU Timetomeltthecore 核心熔解需時 Example17 4 EnoughIce冰夠嗎 When200goficeat 10 Careaddedto1 0kgofwaterat15 C isthereenoughicetocoolthewaterto0 C 把200g的 10 C冰加到1 0kg的15 C水之後 有沒有足夠的冰把水冷到0 C Ifso howmuchiceisleftinthemixture 如果夠 那剩餘的冰有多少 Heatreleasedtobringwaterdownto0 C把水降到0 C放出熱能 Heatrequiredtobringiceupto0 C把冰升到0 C需用熱能 Heatrequiredtomelticeat0 C把冰在0 C熔掉需用熱能 morethanenoughice有足夠的冰 Iceneeded 需要的冰 iceleft 剩下的冰 PhaseDiagrams相變圖 Phasediagram PvsT相變圖 P對T Sublimation solid gas昇華 固體 氣體e g dryice乾冰 s CO2 Criticalpoint l gindistinguishable臨界點 液 氣不可分 AB lowP s g低P 固 氣 CD mediumP s l g中P 固 液 氣 EF highP s l g高P 固 液 氣 GH mediumT l g中T 液 氣 Caution Phasetransitiondoesn toccurinstantaneously注意 相變不是瞬間發生的 Triplepoint s l gcoexist三相點 固 液 氣共存 273 16K 0 6kPaforH2O Solid固態 Gas氣態 liquid液態 Melting熔解 Sublimation昇華 Boiling沸騰 C P 臨界點 T P 三相點 壓力 温度 17 3 ThermalExpansion熱膨脹 Coefficientofvolumeexpansion 體積膨脹係數 Coefficientoflinearexpansion 線膨脹係數 Prob 69 Prob 72 膨脹係數 固體 液和氣體 鋁黃銅銅玻璃 派萊克斯 冰不脹鋼鋼 空氣酒精 乙基汽油水銀水 1 C水 20 C水 50 C 除非特別標明 都在室温附近 不脹鋼含64 鐵和36 鎳 是一種特別為減少熱膨脹而配成的合金 GOTIT 17 3 Ifadonut shapedobjectisheated willtheholeget如果一個甜圈餅形的物體受熱 它的洞會變 a larger or b smaller a 大 或 b 小 Example17 5 SpilledGasoline溢出的汽油 Asteelgascanholds20Lat10 C 一個鋼制汽油礶在10 C時可裝20L It sfilledtothebrimat10 C 它在10 C時剛好裝滿 Ifthetemperatureisnowincreasedto25 C 假如温度現在上升到25 C byhowmuchdoesthecan svolumeincrease 礶子的體積增加多少 Howmuchgasspillsout 有多少汽油溢出 Table17 2 Spilledgas 溢油量 ThermalExpansionofWater水的熱膨脹 Reason Icecrystalisopen ice water原因 冰晶體的結構開放 icefloats冰浮水上max wateroccursat4 C water最大值在4 C At1 C AtfixedT Tm icemeltsifP 在固定的T Tm下 冰會在P 時熔解 Application skating 應用 溜冰 0 0 三相點 臨界點 液 固 氣 Application AquaticLife LakeTurnover應用 水中生態和湖水翻轉 Anomalousbehaviorofice watermakesaquaticlifeinfreezingw