热传递及物态变化

热传递有三种方式 传导对流热辐射 热传递 热传导 亦称 导热 是热传递三种基本方式之一 它是固体中热传递的主要方式 在不流动的液体或气体层中层层传递 在流动情况下往往与对流同时发生 热传导实质是由大量物质的粒子热运动互相撞击 而使能量从物体的高温部分传至低温部分 或由高温物体传给低温物体的过程 在固体中 热传导的微观过程是 在温度高的部分 晶体中结点上的微粒振动动能较大 在低温部分 微粒振动动能较小 因微粒的振动互相联系 所以在晶体内部就发生微粒的振动 动能由动能大的部分向动能小的部分传递 在固体中热的传导 就是能量的迁移 在金属物质中 因存在大量的自由电子 在不停地作无规则的热运动 自由电子在金属晶体中对热的传导起主要作用 在液体中热传导表现为 液体分子在温度高的区域热运动比较强 由于液体分子之间存在着相互作用 热运动的能量将逐渐向周围层层传递 引起了热传导现象 由于热传导系数小 传导的较慢 它与固体相同 而不同于气体 气体依靠分子的无规则热运动以及分子间的碰撞 在气体内部发生能量迁移 从而形成宏观上的热量传递 对流 是流体 液体和气体 热传递的主要方式 热对流指的是液体或气体由于本身的宏观运动而使较热部分和较冷部分之间通过循环流动的方式相互掺和 以达到温度趋于均匀的过程 热辐射 热的一种传递方式 它不依赖物质的接触而由热源自身的温度作用向外发射能量 这种传热方式叫 热辐射 它和热的传导 对流不同 它不依靠媒质而把热直接从一个系统传给另一系统 热辐射是以电磁波辐射的形式发射出能量 温度的高低 决定于辐射的强弱 温度较低时 主要以不可见的红外光进行辐射 当温度为300 时 热辐射中最强的波长在5 10 4厘米左右 即在红外区 当物体的温度在500 以上至800 时 热辐射中最强的波长成分在可见光区 例如 太阳表面温度为6000 它是以热辐射的形式 经宇宙空间传给地球的 这是热辐射远距离传热的主要方式 近距离的热源 除对流 传导外 亦将以辐射的方式传递热量 热辐射有时亦称红外辐射 波长范围约0 7微米到1毫米 为可见光谱中红光端以外的电磁辐射 关于热辐射 其重要规律有四个 基尔霍夫辐射定律 普朗克辐射分布定律 斯蒂藩 玻耳兹曼定律 维恩位移定律 这四个定律 有时统称为热辐射定律 热辐射的特点 1 任何物体 只要温度高于0K 就会不停地向周围空间发出热辐射 2 可以在真空中传播 3 伴随能量形式的转变 4 具有强烈的方向性 5 辐射能与温度和波长均有关 6 发射辐射取决于温度的4次方 基尔霍夫辐射定律 在同样的温度下 各种不同物体对相同波长的单色辐射出射度与单色吸收比之比值都相等 并等于该温度下黑体对同一波长的单色辐射出射度 普朗克辐射分布定律 维恩位移定律 在一定温度下 黑体的谱辐射亮度存在一个极值 这个极值的位置与温度有关 斯蒂藩 玻耳兹曼定律 固体 凡具有一定体积和形态的物体称为 固体 它是物质存在的基本状态之一 组成固体的分子之间的距离很小 分子之间的作用力很大 绝大多数分子只能在平衡位置附近作无规则振动 所以固体能保持一定的体积和形状 在受到不太大的外力作用时 其体积和形状改变很小 当撤去外力的作用 能恢复原状的物体称弹性体 不能完全恢复的称塑性体 构成固体的粒子可以是原子 离子或分子 这些粒子都有固定的平衡位置 但由于这些粒子的排列方式不同 固体又可分为两类 即晶体和非晶体 如果粒子的排列具有规则的几何形状 在空间是三维重复排列 这样的物质叫晶体 如金属 食盐 金刚石等 如果组成固体的粒子杂乱堆积 分布混乱 这样的物质叫非晶体 如玻璃 石蜡 沥青等 晶体有一定的熔点 而非晶体却没有固定的熔解温度 非晶体的熔解和凝固过程是随温度的改变而逐渐完成的 它的固态和液态之间没有明显的界限 空间点阵 组成晶体的粒子 原子 离子或分子 在三维空间中形成有规律的某种对称排列 如果我们用点来代表组成晶体的粒子 这些点的空间排列就称为空间点阵 点阵中的各个点 称为阵点 空间点阵是一种数学抽象 晶体 具有规则几何形状的固体 其内部结构中的原子 离子或分子都在空间呈有规则的三维重复排列而组成一定型式的晶格 这种排列称为晶体结构 晶体点阵是晶体粒子所在位置的点在空间的排列 相应地在外形上表现为一定形状的几何多面体 这是它的宏观特性 同一种晶体的外形不完全一样 但却有共同的特点 各相应晶面间的夹角恒定不变 这条规律称为晶面角守恒定律 它是晶体学中重要的定律之一 是鉴别各种矿石的依据 晶体的一个基本特性是各向异性 即在各个不同的方向上具有不同的物理性质 如力学性质 硬度 弹性模量等等 热学性质 热膨胀系数 导热系数等等 电学性质 介电常数 电阻率等等 光学性质 吸收系数 折射率等等 例如 外力作用在云母的结晶薄片上 沿平行于薄片的平面很容易裂开 但在薄片上裂开则非易事 岩盐则容易裂成立方体 这种易于劈裂的平面称为解理面 在云母片上涂层薄石蜡 用烧热的钢针触云母片的反面 便会以接触点为中心 逐渐化成椭圆形 说明云母在不同方向上导热系数不同 晶体的热膨胀也具各向异性 如石墨加热时沿某些方向膨胀 沿另一些方向收缩 晶体的另一基本特点是有一定的熔点 不同的晶体有它不相同的熔点 且在熔解过程中温度保持不变 对晶体微观结构的认识是生产和科学的发展而逐渐深入的 1860年就有人设想晶体是由原子规则排列而成的 1912年劳埃用X射线衍射现象证实这一假设 现在已能用电子显微镜对晶体内部结构进行观察和照相 更有力地证明假想的正确性 非晶体 指组成它的原子或离子不是作有规律排列的固态物质 如玻璃 松脂 沥青 橡胶 塑料 人造丝等都是非晶体 从本质上说 非晶体是粘滞性很大的液体 解理面的存在说明晶体在不同方向上具有不同的力学性质 非晶体破碎时因各向同性而没有解理面 例如 玻璃碎片的形状就是任意的 若在玻璃上涂一薄层石蜡 用烧热的钢针触及背面 则以触点为中心 将见到熔化的石蜡成圆形 这说明导热系数相同 非晶体没有固定的熔点 随着温度升高 物质首先变软 然后由稠逐渐变稀 成为流体 具有一定的熔点是一切晶体的宏观特性 也是晶体和非晶体的主要区别 晶体和非晶体之间是可以转化的 许多物质存在的形式 可能是晶体 也可能是非晶体 将水晶熔化后使其冷却 即成非晶体的石英玻璃 它的转化过程需要一定的条件 各向同性 亦称均质性 物理性质不随量度方向变化的特性 即沿物体不同方向所测得的性能 显示出同样的数值 如所有的气体 液体 液晶除外 以及非晶质物质都显示各向同性 例如 金属和岩石虽然没有规则的几何外形 各方向的物理性质也都相同 但因为它们是由许多晶粒构成的 实质上它们是晶体 也具有一定的熔点 由于晶粒在空间方位上排列是无规则的 所以金属的整体表现出各向同性 各向异性 亦称非均质性 物理性质随量度的方向而变化的通性 称为各向异性 各向异性是晶体的重要特征之一 即在各个不同的方向上具有不同的物理性质 如力学 热学 电学 光学性质等 多晶体 由许多晶体 称为晶料 构成的物体 称多晶体 一块晶体是由许多小的晶粒聚合起来组成的 每一晶粒又由许多原子构成 原子在每一晶粒中作有规则的整齐排列 各个晶粒中原子的排列方式都是相同的 但是在一块晶体中 各个晶粒的取向彼此不同 晶粒与晶粒之间并没有按照一定的规则排列 尽管每个晶粒内部原子排列很整齐 但由于一块晶体内部各个晶粒的排列不规则 总的来看是杂乱无章的 这样的多晶体不能用来制造晶体管 例如多晶硅可用来拉制单晶 称为单晶硅 掺有特定微量杂质的单晶硅 可制成大功率晶体管 整流器及太阳能电池等 单晶体 简称 单晶 单个晶体构成的物体 在单晶体中所有晶胞均呈相同的位向 单晶体具有各向异性 自然界存在的单晶 如金刚石的晶体等 亦可由人工将多晶体拉制成单晶体 如电子器件中所用的锗及硅的单晶体 热膨胀 物体因温度改变而发生的膨胀现象叫 热膨胀 通常是指外压强不变的情况下 大多数物质在温度升高时 其体积增大 温度降低时体积缩小 在相同条件下 气体膨胀最大 液体膨胀次之 固体膨胀最小 也有少数物质在一定的温度范围内 温度升高时 其体积反而减小 因为物体温度升高时 分子运动的平均动能增大 分子间的距离也增大 物体的体积随之而扩大 温度降低 物体冷却时分子的平均动能变小 使分子间距离缩短 于是物体的体积就要缩小 又由于固体 液体和气体分子运动的平均动能大小不同 因而从热膨胀的宏观现象来看亦有显著的区别 膨胀系数 为表征物体受热时 其长度 面积 体积变化的程度 而引入的物理量 它是线膨胀系数 面膨胀系数和体膨胀系数的总称 固体的线膨胀 由于固体随温度的变化而变化 当温度变化不太大时 在某一方向长度的改变量称为 固体的线膨胀 例如 一细金属棒受热而伸长 固体的任何线度 例如 长度 宽度 厚度或直径等 凡受温度影响而变化的 都称之为 线膨胀 液体 液体的分子结构介于固体与气体之间 它有一定的体积 却没有一定的形状 液体的形状决定于容器的形状 在外力作用下 液体被压缩性小 不易改变其体积 但流动性较大 由于受重力的作用 液面呈水平面 即和重力相垂直的表面 从微观结构来看 液体分子之间的距离要比气体分子之间的距离小得多 所以液体分子彼此之间是受分子力约束的 在一般情况下分子不容易逃逸 液体分子一般只在平衡位置附近作无规则振动 在振动过程中各分子的能量将发生变化 当某些分子的能量大到一定程度时 将作相对的移动改变它的平衡位置 所以液体具有流动性 液体在任何温度下都能蒸发 若加热到沸点时迅速变为气体 若将液体冷却 则在凝固点凝结为固体 晶体 或逐渐失去流动性 表面张力 液体表面分子间的吸引力 即液体表面的分子有一种使其面积缩成最小的力 或称一种抵抗表面积扩张的力 此力称 表面张力 液体表面是指液体与空气或其他液体相接触的自由面 若不指明 即可认为相对于空气而言 表面张力的大小与接触面的物质有密切关系 此外 表面张力还与温度有关 温度越高 表面张力越小 表面张力的方向总是与液面相切 与分界线相垂直 若在液面作一长为L的直线 将液面分成两部分 这两部分之间的相互牵引力为F 则表面张力F L 其中 为液体表面张力系数 表面张力的单位为牛顿 米 由于表面张力的作用 液滴表面有收缩到最小的趋势 而使液滴成近似球形的状态 浸润与不浸润 浸润现象 液体与固体接触时 若接触角 见图6 17 为锐角 称为浸润现象 反之 接触角为钝角 称为不浸润 液体相对固体是否浸润取决于液体和固体的组合关系 如水能浸润玻璃却不能浸润石蜡 水银能浸润锌版却不能浸润玻璃 当 0时 称为 完全浸润 当 时 称为 完全不浸润 从微观角度看 液体能否浸润固体取决于液体与固体接触的 附着层 分子受液体分子力 内聚力 更大还是受固体分子力 附着力 更大 浸润时 分子在附着层内比在液体内部具有较小的势能 液体分子要尽量挤入附着层 结果使附着层扩展 附着层中的液体分子越多 系统的能量就越低 状态也就越稳定 因此引起了附着层沿固体表面延展而将固体润湿 浸润问题的研究在生产中是很重要的 如浮游选矿法就是用浸润现象来选矿的 毛细现象 c 毛细现象 浸润管壁的液体在毛细管中液面升高 不浸润管壁的液体在毛细管中液面降低的现象 毛细现象的形成事实上是液体表面张力的合效果 如果毛细管的为r 液体的表面张力系数为 对管壁的浸润角为 不难求出毛细现象导致的液面上升 或下降 量 毛细管 凡内径很细的管子叫 毛细管 通常指的是内径等于或小于1毫米的细管 因管径有的细如毛发故称毛细管 例如 水银温度计 钢笔尖部的狭缝 毛巾和吸墨纸纤维间的缝隙 土壤结构中的细隙以及植物的根 茎 叶的脉络等 都可认为是毛细管 气体 是物质三种聚集状态之一 气体分子间的距离很大 分子间的相互作用力很小 彼此之间不能约束 所以气体分子的运动速度较快 因此它的体积和形状都随着容器而改变 气体分子都在作无规则的热运动 在它们之间没有发生碰撞 或碰撞器壁 之前 气体分子作匀速直线运动 只有在彼此之间发生碰撞时 才改变运动的方向和运动速度的大小 由于和器壁碰撞而产生压强 因此温度越高 分子运动越剧烈 压强就越大 又因为气体分子间的距离远远大于分子本身的体积 所以气体的密度较小 且很容易被压缩 任何气体都可以用降低温度或在临界温度以下压缩气体体积的方法使它变为液体 所以 对一定量的气体而言 它既没有一定的体积 也没有一定的形状 它总是充满盛它的容器 根据阿伏伽德罗定律 各种气体在相同的温度和压强下 在相同的体积里所包含的分子数都相同 相 热学系统中物理性质均匀的部分 系统按化学成分的多少和相的种类多少可以成为一元二相系 如冰水混合物 和二元单相系 如水和酒精的混合液体 相变分气液相变 固液相变和固气相变三大类 每一类中又有一些具体的分支 相变的共同热学特征是 相变伴随相变潜热 相变 物态变化 不同相之间的相互转变 称为 相变 或称 物态变化 自然界中存在的各种各样的物质 绝大多数都是以固 液 气三种聚集态存在着 为了描述物质的不同聚集态 而用 相 来表示物质的固 液 气三种形态的 相貌 从广义上来说 所谓相 指的是物质系统中具有相同物理性质的均匀物质部分 它和其他部分之间用一定的分界面隔离开来 例如 在由水和冰组成的系统中 冰是一个相 水是另一个相 铁 铁 铁和 铁是铁晶体的四个相 不同相之间相互转变一般包括两类 即一级相变和二级相变 相变总是在一定的压强和一定的温度下发生的 相变是很普遍的物理过程 它广泛涉及到生产及科技工作 在物质形态的互相转换过程中必然要有热量的吸入或放出 物质三种状态的主要区别在于它们分子间的距离 分子间相互作用力的大小 和热运动的方式不同 因此在适当的条件下 物体能从一种状态转变为另一种状态 其转换过程是从量变到质变 例如 物质从固态转变为液态的过程中 固态物质不断吸收热量 温度逐渐升高 这是量变的过程 当温度升高到一定程度 即达到熔点时 再继续供给热量 固态就开始向液态转变 这时就发生了质的变化 虽然继续供热 但温度并不升高 而是固液并存 直至完全熔解 一般物质三态相互变化过程可见图2 9所示 潜热 相变潜热的简称 指单位质量的物质在等温等压情况下 从一个相变化到另一个相吸收或放出的热量 这是物体在固 液 气三相之间以及不同的固相之间相互转变时具有的特点之一 固 液之间的潜热称为熔解热 或凝固热 液 气之间的称为汽化热 或凝结热 而固 气之间的称为升华热 或凝华热 1 气液相变 气液相变 分气化和液化 气化又有两种方式 蒸发和沸腾 涉及的知识点有饱和气压 沸点 汽化热 临界温度等 a 蒸发 蒸发是液体表面进行的缓慢平和的气化现象 任何温度下都能进行 影响蒸发的因素主要有 液体的表面积 液体的温度 通风条件 从分子动理论的角度不难理解 蒸发和液化必然总是同时进行着 当两者形成动态平衡时 液体上方的气体称为 饱和气 b 沸腾 一种剧烈的汽化 指液体温度升高到一定程度时 液体的汽化将不仅仅出现在表面 它的现象是液体内部或容器壁出现大量气泡 这些气泡又升到液体表面并破裂 液体沸腾时 液体种类不变和外界压强不变时 温度不再改变 从气泡的动力学分析可知 液体沸腾的条件是液体的饱和气压等于外界压强 如在1标准大气压下 水在100 沸腾 就是因为在100 时水的饱和气压时760cmHg 沸点 液体沸腾时的温度 同一外界气压下 不同液体的沸点不同 同一种液体 在不同的外界气压下 沸点不同 压强升高 沸点增大 c 液化 气体凝结成液体的现象 对饱和气 体积减小或温度降低时可实现液化 对非饱和气 则须先使它变成饱和气 然后液化 常用的液化方法 保持温度不变 通过增大压强来减小气体的体积 保持体积不变 降低温度 湿度 a 空气的湿度 表示空气干湿程度的物理量 有两种定义方式 绝对湿度 空气中含有水蒸气的压强 相对湿度B 空气中含有水蒸气的压强跟该温度下水的饱和蒸气压的比值 即B 100 相对湿度反映了空气中水蒸气离开饱和的程度 人体感知的正是相对湿度而非绝对湿度 以B值为60 70 比较适宜 在绝对湿度一定的情况下 气温升