高考物理一轮复习 13.1 分子动理论热力学定律与能量守恒同步课件.ppt

第1讲分子动理论热力学定律与能量守恒 一 宏观量与微观量及相互关系1 微观量 分子体积v0 分子直径d 分子质量m0 2 宏观量 物体的体积v 摩尔体积vm 物体的质量m 摩尔质量m 物体的密度 3 关系 1 分子的质量 m0 2 分子的体积 v0 3 物体所含的分子数 或 4 分子的大小 1 两种模型 球体模型直径为d 立方体模型边长为d 2 熟记 分子直径的数量级是10 10m 分子质量的数量级是10 26kg 1 固体和液体分子都可看成是紧密堆集在一起的 分子的体积v0 仅适用于固体和液体 对气体不适用 2 对于气体分子 d 的值并非气体分子的大小 而是两个相邻的气体分子之间的平均距离 特点 永不停息 无规则运动 颗粒越小 运动越剧烈 温度越高 运动越剧烈 运动轨迹不确定 二 分子的热运动1 扩散现象和布朗运动扩散现象和布朗运动都说明分子做无规则运动 1 扩散现象 不同物质相互接触时彼此进入对方的现象 温度越高 扩散越快 2 布朗运动 定义 悬浮微粒做的无规则运动 产生的原因 由各个方向的液体分子对微粒碰撞的不平衡引起的 布朗颗粒 布朗颗粒用肉眼直接看不到 但在显微镜下能看到 因此用肉眼看到的颗粒所做的运动不能叫做布朗运动 布朗颗粒大小约为10 6m 包含约1021个分子 而分子直径约为10 10m 布朗颗粒的运动是分子热运动的间接反映 2 热运动 1 定义 分子永不停息的无规则运动 2 特点 温度越高 分子的热运动越激烈 1 布朗运动是分子永不停息地做无规则热运动的间接反映 是微观分子热运动造成的宏观现象 2 布朗运动只能发生在气体 液体中 而扩散现象在气体 液体 固体之间均可发生 三 分子间的作用力 内能1 分子间的相互作用力分子力是引力与斥力的合力 分子间的引力和斥力都随分子间距离的增大而减小 随分子间距离的减小而增大 但总是斥力变化得较快 如图11 1 1所示 1 当r r0时 f引 f斥 f 0 2 当r r0时 f引和f斥都随距离的减小而增大 但f斥比f引增大得更快 f表现为斥力 3 当r r0时 f引和f斥都随距离的增大而减小 但f斥比f引减小得更快 f表现为引力 4 当r 10r0 10 9m 时 f引和f斥都已经十分微弱 可以认为分子间没有相互作用力 f 0 2 分子动能 1 定义 做热运动的分子具有的动能叫分子动能 2 分子的平均动能 组成系统的所有分子的动能的平均值叫做分子热运动的平均动能 3 温度是分子热运动的平均动能的标志 温度越高 分子热运动的平均动能越大 3 分子势能分子势能是由分子间相对位置而决定的势能 它随着物体体积的变化而变化 与分子间距离的关系为 1 当r r0时 分子力表现为引力 随着r的增大 分子引力做负功 分子势能增大 2 当r r0时 分子力表现为斥力 随着r的减小 分子斥力做负功 分子势能增大 3 当r r0时 分子势能最小 但不为零 为负值 因为选两分子相距无穷远时分子势能为零 4 分子势能曲线如图11 1 2所示 4 物体的内能 1 定义 物体中所有分子的热运动动能和分子势能的总和 2 决定内能的因素 微观上 分子动能 分子势能 分子个数 宏观上 温度 体积 物质的量 摩尔数 3 改变物体的内能的两种方式 做功 当做功使物体的内能发生改变的时候 外界对物体做了多少功 物体的内能就增加多少 物体对外界做了多少功 物体的内能就减少多少 热传递 热传递可以改变物体的内能 用热量量度 物体吸收了多少热量 物体的内能就增加多少 反之物体的内能就减少多少 1 任何物体都具有内能 2 温度相同的任意两个物体的分子的平均动能相同 如温度相同的氢气和氧气的分子的平均动能相同 但由于氢气分子质量小于氧气分子质量 故氢气分子的平均速率大于氧气分子的平均速率 3 做功和热传递在改变物体的内能上是等效的 但它们的本质不同 做功是内能与其他形式的能发生转化 热传递是不同物体之间内能的转移 4 物体的体积越大 分子势能不一定就越大 如0 的水结成0 的冰后体积变大 但分子势能却减小了 5 理想气体分子间相互作用力为零 故分子势能忽略不计 一定质量的理想气体的内能只与温度有关 四 温度和温标1 温度 1 温度在宏观上表示物体的冷热程度 在微观上表示分子的平均动能 2 温度是决定一个系统与另一个系统是否达到热平衡状态的物理量 一切达到热平衡的系统都具有相同的温度 2 两种温标 1 摄氏温标和热力学温标的比较 两种温标温度的零点不同 同一温度两种温标表示的数值不同 但它们表示的温度间隔是相同的 即每一度的大小相同 t t 2 关系 t t 273 15k 1 热力学温度的零值是低温极限 永远达不到 即热力学温度无负值 2 温度是大量分子热运动的集体行为 对个别分子来说温度没有意义 五 温度 内能 热量 功的比较 1 温度 内能 热量和功是热学中相互关联的四个物理量 当物体的内能改变时 温度不一定改变 只有当通过热传递改变物体的内能时才会有热量传递 但能的形式没有发生变化 2 热量是热传递过程中的特征物理量 离开过程谈热量毫无意义 就某一状态而言 只有 内能 根本不存在 热量 和 功 因此不能说一个系统中含有 多少热量 或 多少功 3 物体的内能大 并不意味着物体一定会对外做功或向外传递热量 或者做的功多 传递的热量多 只有物体内能的变化大时 过程中做的功或传递的热量才会多 六 热力学定律1 热力学第一定律 1 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 2 表达式 u w q 3 符号规定 4 几种特殊情况 若过程是绝热的 则q 0 w u 外界对物体做的功等于物体内能的增加 若过程中不做功 即w 0 则q u 物体吸收的热量等于物体内能的增加 若过程的始 末状态物体的内能不变 即 u 0 则w q 0或w q 外界对物体做的功等于物体放出的热量 1 应用热力学第一定律时要明确研究的对象是哪个物体或者是哪个热力学系统 2 应用热力学第一定律计算时 要依照符号规定代入数据 对结果的正 负也同样依照规定来解释其意义 2 热力学第二定律 1 两种表述 热量不能自发地从低温物体传到高温物体 不可能从单一热库吸收热量 使之完全变成功 而不产生其他影响 2 在热力学第二定律的表述中 自发地 不产生其他影响 的涵义 自发地 指明了热传递等热力学宏观现象的方向性 不需要借助外界提供能量的帮助 不产生其他影响 的涵义是发生的热力学宏观过程只在本系统内完成 对周围环境不产生热力学方面的影响 如吸热 放热 做功等 3 热力学第二定律的实质热力学第二定律的每一种表述 都揭示了大量分子参与宏观过程的方向性 进而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 热力学第二定律的微观意义 一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行 3 热力学过程方向性实例 1 高温物体低温物体 2 功热 3 气体体积v1气体体积v2 较大 4 不同气体a和b混合气体ab 热量不可能自发地从低温物体传到高温物体 但在有外界影响的条件下 热量可以从低温物体传到高温物体 如电冰箱 在引起其他变化的条件下内能可以全部转化为机械能 如气体的等温膨胀过程 七 对能量守恒定律的理解1 自然界中能量的存在形式 物体运动具有动能 分子运动具有分子动能 电荷具有电能 原子内部的运动具有原子能等 可见 在自然界中不同的能量形式与不同的运动形式相对应 2 不同形式的能量之间可以相互转化 且这一转化过程是通过做功来完成的 3 某种形式的能减少 一定有其他形式的能增加 且减少量和增加量一定相等 4 某个物体的能量减少 一定存在其他物体的能量增加 且减少量和增加量一定相等 5 两类永动机均不能制成 1 虽然功与能具有相同的单位 但两者是完全不同的两个概念 在能量守恒定律的表达式中只存在能量 不存在功 2 能量守恒定律是自然界中普遍存在的一种规律 是无条件的 而机械能守恒定律是有条件的 2011 青岛模拟 已知汞的摩尔质量为m 200 5 10 3kg mol 密度为 13 6 103kg m3 阿伏加德罗常数na 6 0 1023mol 1 求 1 一个汞原子的质量 用相应的字母表示即可 2 一个汞原子的体积 结果保留一位有效数字 3 体积为1cm3的汞中汞原子的个数 结果保留一位有效数字 解答本题时应注意两点 1 固体分子可忽略分子间的间隙 2 用阿伏加德罗常数建立宏观量与微观量的联系 解题指导 1 一个汞原子的质量为m0 2 一个汞原子的体积为v0 m3 2 10 29m3 3 1cm3的汞中含汞原子个数n 个 4 1022个 答案 1 2 2 10 29m3 3 4 1022个 一定质量的气体 在从一个状态 变化到另一个状态 的过程中 吸收热量280j 并对外做功120j 试问 1 这些气体的内能发生了怎样的变化 2 如果这些气体又返回原来的状态 并放出了240j热量 那么在返回的过程中是气体对外界做功 还是外界对气体做功 做功多少 求解此题应把握以下两点 1 用热力学第一定律求解内能变化时 注意热量q 功w的正负 2 气体从末态到初态与从初态到末态的 u的大小相同 结合热力学第一定律计算 并做出判断 解题指导 1 由热力学第一定律可得 u w q 120j 280j 160j气体的内能增加了160j 2 由于气体的内能仅与状态有关 所以气体从 状态回到 状态的过程中内能的变化应等于从 状态到 状态的过程中内能的变化 则从 状态到 状态的内能应减少160j 即 u 160j 又q 240j 根据热力学第一定律得 u w q 所以w u q 160j 240j 80j 即外界对气体做功80j 答案 1 增加了160j 2 外界对气体做功80j 一辆汽车正在平直的公路上以速度v匀速行驶 此时汽车的功率为p 已知汽车的总效率为 所使用的汽油的热值为q 每完全燃烧单位质量的燃料产生的热量叫热值