12-第八章 气体动理论、热和功

第八章 气体动理论、热和功第八章 气体动理论、热和功【知识要点】（一）分子动理论的基本内容（二）物体的内能（三）做功和热传递是改变物体内能的两种物理过程（四）理想气体等温过程中的做功与热传递的关系（五）能量守恒定律（一）分子动理论的基本内容分子动理论（曾称为“分子运动论”）的基本内容包括下面三个方面：（1）宏观物体是由大量分子所组成的分子非常微小，分子直径的数量级是10-10m。例如，水分子的直径约为4x10-10m，氢分子的直径是2.3x10-10m，一些有机物的高分子，直径比较大。分子的质量很小，水分子的质量约为3x10-26kg，显然，1g水中所具有的分子数为：由此可见，一个宏观物体中具有大量的分子。1mol（摩尔）的任何物质都含有相同的微粒数，这个数值就叫做阿伏加德罗常量，用NA表示。（2）分子永不停息地做无规则的热运动布朗运动气体、液体和固体都有扩散现象，扩散现象表明，组成物质的分子都在不停地运动着。物质的分子太小，不易直接观察它们的运动，在显微镜下可以观察到悬浮在液体中的微小颗粒，如花粉、石墨微粒等，都在不停息地做无规则的运动，这种运动叫做布朗运动、观察表明，颗粒越小，布朗运动越剧烈；温度越高，布朗运动越剧烈。布朗运动是悬浮在液体中的颗粒不断地受到来自各个方向的液体分子撞击的结果、布朗运动的无规则性反映了液体内部分子运动的无规则性。分子的热运动 温度越高，布朗运动越剧烈，大量实验表明，分子的无规则运动与温度有关温度越高，分子无规则运动越剧烈，因此，把分子无规则运动叫做热运动，事实上，物质宏观上与温度有关的现象都与组成物质的大量分子无规则的热运动有关。（3）分子之间有相互作用力分子力要把物体拉伸或压缩都需要用力，这表明分子之间既有斥力又有引力。事实上，分子间的引力和斥力是同时存在的，分子力是分子间引力和斥力的合力.当分子之间距离等于某一数值r0时（r0的数量级是10-10m），它们之间的引力与斥力正好相等，合力为零，分子处于平衡状态，当分子间距离小于r0时，斥力大于引力，分子力表现为斥力；当分子间距离大于r时，斥力小于引力，分子力表现为引力，当分子间距离比。大得多时，分子力近似为零。固体的分子力很大，液体次之，气体由于分子间距离较大，分子力很小，有时可以忽略。（二）物体的内能（1）分子的动能 物体是由大量分子组成的，由于分子总是在不停息地做无规则的热运动，因此分子具有动能物体内所有分子热运动动能的平均值叫做分子的平均动能，分子的平均动能与物体的温度有关物体的温度越高，分子热运动越剧烈，分子平均动能越大。（2）分子的势能由于分子之间存在着分子力的作用，因此分子还具有势能，分子的势能与分子间的距离有关。物体中所有分子的势能与物体的体积有关。（3）物体的内能 组成物体的所有分子热运动的动能和分子势能的总和叫做物体的内能。如上所述，分子的动能与温度有关，分子的势能与体积有关，因此物体的内能与温度和体积都有关。必须指出，物体的内能是不同于机械能的另一种形式的能量，例如，静止在地面上的物体，如果选地面为重力势能的零点，则它的机械能为零，但是，物体内部的分子总是在永不停息地做无规则的热运动，所以物体的内能永远不为零。（三）做功和热传递是改变物体内能的两种物理过程怎样使物体的内能改变呢？大量实验表明，外界对物体做功可以使物体的内能增加，例如，用手把两块木块相互摩擦，木块会发热，温度升高，内能增加，这就是因为我们克服摩擦力对木块做了功，使木块的内能增加了，对于一个单一的做功过程，物体内能的增加量等于外界对物体做功的量值。外界对物体传递热量，也可以使物体的内能增加，例如，把一锅水放在灼热的火炉上，由于火炉把热量传递给水，使水的温度升高，内能增加在一个单一的热传递的过程中，物体内能增加量等于外界传递给物体的热量的数值。因此，做功和热传递是改变物体内能的两种物理过程，做功与热传递，就改变物体内能这一点上来讲，是等效的。因为做功和热传递都可以改变物体的内能，所以功、热量和内能具有相同的单位，在国际单位制中，功、热量、能量都采用焦耳作单位，符号为J。（四）理想气体等温过程中的做功与热传递的关系一定质量的理想气体的内能只决定于温度，因此理想气体在等温过程中内能始终不变，当理想气体等温膨胀时，体积增大，气体对外界做功，因为气体内能不变，所以它对外做功的同时必须吸收热量；反之，理想气体等温压缩时，体积减小，外界对气体做功，气体放出热量，由此可见，理想气体等温过程是功热的转变过程。（五）能量守恒定律各种不同形式的能量可以互相转化，能量在转化过程中既不能消失，也不能创生，只能从一种形式转变为另一种形式，或从一个物体转移到另一个物体，这就是能量守恒定律（曾称为“能量转化和守恒定律”）。在力学中讨论过的机械能守恒定律，是能量守恒定律在机械运动范围内的特例。【习题演练】【例1-单选题】当石墨颗粒悬浮在水中运动时，布朗运动是指（ ）。A.水的微粒的运动B.水分子的运动C.石墨微粒的运动D.石墨分子的运动网校答案：C【例2-单选题】物体的内能（ ）。A.与温度有关，与体积无关B.与温度无关，与体积有关C.与温度、体积都无关D.与温度、体积都有关网校答案：D【例3-单选题】 一个木块在光滑的水平面上做匀加速直线运动，则物体的（ ）。A.机械能增加，内能不变B.机械能不变，内能增加C.机械能、内能都不变D.机械能、内能都增加网校答案：A【例4-单选题】在固定的容器中贮有某种理想气体，当它温度逐渐升高时（ ）。A.气体对外做功B.外界对气体做功C.气体吸收热量D.气体放出热量网校答案：C【例5-填空题】分子间的作用力在分子间的距离rr0时为（ ）。网校答案：排斥力，吸引力。【例6-填空题】 2g氢气的分子数为NH，4g氧气的分子数为No，NH ：No=（ ）。网校答案：8【例7】一杯水吸收了2100J热量后温度升高了10，现用做功的方法（搅拌杯中的水，且没有热量散失）使它的温度再升高5，问做功多少？解：根据量热学中的热平衡方程，当质量为m的物体温度升高t时所吸收的热量为：Q=mctc为比热容，设水温度升高t1=10时吸热为Q1，温度再升高t2=5时吸热为Q2，则由上式得：由此得：用做功的方法再使水温升高5时所做的功在数值上等于Q2，即：【例8】两个小球相向运动，发生完全非弹性碰撞，已知m1=0.2kg， v1=10m/s， m2=0.1kg，v2=20m/s，设两球相碰时的机械能完全转化为内能，问内能增加多少？解题思路总结：1.本章的主要内容基本概念：分子动理论的基本观点，内能，功和热量。基本公式：质量为m、摩尔质量为M的气体的分子数为：2.一切物体都具有内能，内能决定于物体所处的宏观状态，决定于物体的温度和体积，从微观上讲，内能是组成物体的所有分子无规则热运动的动能和分子之间相互作用的势能之和。3.物体的内能与物体的机械能是两个不同的概念机械能为物体的动能与势能之和、物体的动能由物体整体的机械运动状态所决定，物体的势能由物体的位置所决定，机械能与组成物体的分子的热运动状态无关。4.做功和热传递是改变物体内能的两种过程，可以用做功的数值和传递的热量来度量物体内能的变化量，对于单一的做功过程，外界对物体所做的功的数值等于物体内能的增加，对于单一的热传递过程，外界对物体传递的热量等于物体内能的增加对于一个做功和热传递都存在的过程，则物体内能的变化决定于做功和热传递两个因素。5.当理想气体