高三物理-一轮复习-3-3分子动理论-热力学定律

1、第十一章热学(选修3-3),第1节分子动理论热力学定律,-5-,一、分子动理论的基本内容 1.物体是由大量分子组成的 (1)分子大小 分子直径的数量级:10-10 m。 分子质量的数量级:10-26 kg。 (2)阿伏加德罗常数:1 mol任何物质含有的分子数。NA=6.021023 mol-1。,-6-,2.分子永不停息地做无规则热运动 (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:悬浮在液体或气体中的微粒的无规则运动。布朗运动间接反映了液体或气体分子的无规则热运动。 成因:液体分子无规则运动,对悬浮微粒碰撞不平衡造成的。 特点:永不停息、无规

2、则运动;微粒越小,运动越剧烈;温度 越高,运动越剧烈;运动轨迹不确定。,-7-,3.分子间存在着引力和斥力 (1)分子间同时存在相互作用的引力和斥力,分子力为它们的 合力。 (2)分子力的特点 F引、F斥都随r增大而减小,随r减小而增大,但斥力比引力变化更快。,-8-,分子力随分子间距离变化的图线如图所示。 分子力的作用使分子聚集在一起,而分子的无规则运动使它们趋于分散,正是这两个因素决定了物体的气、液、固三种不同的状态。,-9-,二、物体的内能 1.分子的平均动能 (1)概念:物体中所有分子动能的平均值。 (2)大小的标志:温度是分子平均动能大小的标志。温度越高,分子的平均动能越大。 2.分

3、子势能 (1)概念:由分子间的相互作用和相对位置决定的能量。 (2)分子势能大小的相关因素 微观上:分子势能的大小与分子间距有关。如图所示,当r=r0时,分子势能最小。 宏观上:与物体体积有关。大多数物体是体积越大,分子势能越大,也有少数物体,比如“冰”,体积变大,分子势能反而变小。,-10-,3.物体的内能 (1)定义:物体中所有分子热运动的动能和分子势能的总和叫作物体的内能。 (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(T)、体积(V)、物质的量(n)。 (3)改变内能的两种方式:做功和热传递。 (4)内能与机械能的区别 物体内能是物体内大量分子所具有的动能

4、和分子势能的总和,宏观上取决于物质的量(n)、温度(T)、体积(V)。 物体机械能是物体整体运动(或弹性形变)具有的动能和势能的总和,取决于质量(m)、速度(v)、高度(h)、形变(x)。,-11-,三、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,一切达到热平衡状态的系统都具有相同的 温度。 2.两种温标,-12-,四、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功的和。 2.表达式 U=Q+W。 3.U=Q+W的几种特殊情况 (1)若过程是绝

5、热的,则Q=0,W=U,外界对物体做的功等于物体内能的增加。 (2)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。 (3)若过程的初、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。,-13-,五、热力学第二定律 1.两种表述 (1)克劳修斯表述(按热传导的方向性表述):热量不能自发地从低温物体传到高温物体。 (2)开尔文表述(按机械能和内能转化过程的方向性表述):不可能从单一热库吸收热量,使之完全变成功,而不引起其他影响。,-14-,3.熵增加原理 在任何自然过程中,一个孤立系统的总熵不会减少。,-15-,六、能量守恒定律

6、1.内容 能量既不会凭空产生,也不会凭空消失,它只能从一种形式转化为另一种形式,或者从一个物体转移到另一个物体,在转化或转移的过程中能量的总量保持不变。 2.能源的利用 (1)存在能量耗散和品质降低。 (2)重视利用能源对环境的影响。 (3)要开发新能源(如太阳能、生物质能、风能等)。,-16-,-17-,考点一,考点二,例1,对点训练1,考点三,分子动理论的理解和应用 1.宏观量与微观量是如何联系在一起的 (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,例2,例3,对点训练2,-18-,考点

7、一,考点二,考点三,例1,对点训练1,例2,例3,对点训练2,-19-,考点一,考点二,考点三,2.布朗运动与分子运动间的关系 (1)所谓的布朗运动,指的是悬浮于液体中的固体小颗粒所做的永不停息的无规则运动。布朗运动产生的原因是液体分子的撞击不平衡。 (2)布朗运动的特点恰好反映出分子运动的特点:布朗运动永不停息,表明分子运动永不停息;布朗运动的无规则性,表明分子运动的无规则性;布朗运动的剧烈程度随温度升高而加剧,表明分子运动的剧烈程度随温度升高而加剧。 (3)布朗运动的明显程度随悬浮颗粒的尺寸加大而减弱,再一次从统计的角度表明分子运动的无规则性。布朗运动虽然不是液体分子的运动,却证明了液体分

8、子在永不停息地无规则运动着。布朗运动不仅能在液体中发生,也能在气体中发生。,例1,对点训练1,例2,例3,对点训练2,-20-,考点一,考点二,考点三,3.分子势能、分子力做功与分子间距的相互关系 (1)分子势能是分子间由相对位置所决定的势能,其对应的力是分子力,分子势能的数值随分子力做功的变化而变化,分子力做正功时,分子势能减少,分子力做负功时,分子势能增加。 (2)分子势能和重力势能一样,其数值随零势能位置的改变而改变,只有相对的意义,但是,分子间距离不同的两个位置的分子势能之差却是唯一确定的。,例1,对点训练1,例2,例3,对点训练2,-21-,考点一,考点二,考点三,(3)为了研究问题

9、的方便,通常都取两个分子相距无穷远时分子势能为零,此时分子间的作用力可忽略不计,我们让两个分子从相距无穷远处逐渐靠近到不能再靠近的距离,当它们相距无穷远时,分子势能为零,从此位置逐渐靠近到r=r0的位置阶段,分子力表现为引力,引力做正功,分子势能减少,在r=r0位置,分子势能具有最小值(负值),此后,分子间距离rr0且r不断减小,此阶段分子力表现为斥力,需克服分子斥力做功,分子势能单调增大,在某一位置,分子势能恰好增大到等于零,以后分子势能为正值,继续随分子间距离减小而增大。由上述物理过程,可以画出系统分子势能Ep随分子间距离r变化的Ep-r图象(如图所示)。,例1,对点训练1,例2,例3,对

10、点训练2,-22-,考点一,考点二,考点三,空调在制冷过程中,室内空气中的水蒸气接触蒸发器(铜管)液化成水,经排水管排走,空气中水分越来越少,人会感觉干燥。若有一空调工作一段时间后,排出液化水的体积V=1.0103 cm3。已知水的密度=1.0103 kg/m3、摩尔质量M=1.810-2 kg/mol,阿伏加德罗常数NA=6.01023 mol-1。试求:(结果均保留一位有效数字) (1)该液化水中含有水分子的总数N; (2)一个水分子的直径d。,解题探究:用题干给出的字母表示水的摩尔体积。 求解水分子大小时用哪种模型?,答案:(1)31025个(2)410-10 m,例1,对点训练1,例2

11、,例3,对点训练2,提示:球形。,-23-,考点一,考点二,考点三,例1,对点训练1,例2,例3,对点训练2,-24-,考点一,考点二,考点三,规律总结:微观量的求解方法 (1)分子体积、分子质量属微观量,直接测量它们的数值非常困难,可以借助较易测量的宏观量结合摩尔体积、摩尔质量等来估算这些微观量,其中阿伏加德罗常数是联系宏观量和微观量的桥梁和纽带。 (2)建立合适的物理模型,通常把固体、液体分子模拟为球形或小立方体。气体分子所占据的空间则建立立方体模型。,例1,对点训练1,例2,例3,对点训练2,-25-,考点一,考点二,考点三,例1,对点训练1,例2,例3,对点训练2,(多选)(2015湖

12、北七市教科研协作体高三联考)以下说法正确的是( ) A.气体分子单位时间内与单位面积器壁碰撞的次数,与单位体积内的分子数及气体分子的平均动能都有关 B.布朗运动是液体分子的运动,它说明分子不停息地做无规则热运动 C.当分子间的引力和斥力平衡时,分子势能最小 D.如果气体分子总数不变,而气体温度升高,气体的平均动能一定增大,因此压强也必然增大 E.当分子间距离增大时,分子间的引力和斥力都减小,答案,解析,-26-,考点一,考点二,考点三,例1,对点训练1,例2,例3,对点训练2,(多选)两分子间的斥力和引力的合力F与分子间距离r的关系如图中曲线所示,曲线与r轴交点的横坐标为r0。相距很远的两分子

13、在分子力作用下,由静止开始相互接近。若两分子相距无穷远时分子势能为零,下列说法正确的是( ) A.在rr0阶段,F做正功,分子动能增大,势能减小 B.在rr0阶段,F做负功,分子动能减小,势能也减小 C.在r=r0时,分子势能最小,动能最大 D.在r=r0时,分子势能为零 E.分子动能和势能之和在整个过程中不变,答案,解析,-27-,考点一,考点二,考点三,例1,对点训练1,例2,例3,对点训练2,解题探究:分子力做功与分子势能变化的关系是怎样的? 分子力为零时,分子势能有何特点? 只有分子力做功时的功能关系是什么?,提示:分子力做正功,分子势能减少;分子力做负功,分子势能增加。,提示:分子力

14、为零时,分子势能最小。,提示:只有分子力做功时,分子动能和势能相互转化,其总和不变。,-28-,考点一,考点二,考点三,例1,对点训练1,例2,例3,对点训练2,规律总结:判断分子势能变化的两种方法 (1)根据分子力做功判断:分子力做正功,分子势能减小;分子力做负功,分子势能增大。 (2)利用分子势能与分子间距离的关系图线判断,如图所示。但要注意此图线和分子力与分子间距离的关系图线形状虽然相似,但意义不同,不要混淆。为了区分两图线,需牢记当r=r0(平衡距离)时分子势能最小这一点,因为不管分子间距离r增大还是减小,分子力都要做负功,分子势能都会增加。,-29-,考点一,考点二,考点三,例1,对

15、点训练1,例2,例3,对点训练2,若以表示水的摩尔质量,V表示在标准状态下水蒸气的摩尔体积,为在标准状态下水蒸气的密度,NA为阿伏加德罗常数,m、分别表示每个水分子的质量和体积,下面是四个关系式:,A.和都是正确的B.和都是正确的 C.和都是正确的D.和都是正确的,答案,解析,-30-,考点一,考点二,考点三,例1,对点训练1,例2,例3,对点训练2,(多选)两个相距较远的分子仅在分子力作用下由静止开始运动,直至不再靠近。在此过程中,下列说法正确的是( ) A.分子力先增大,后一直减小 B.分子力先做正功,后做负功 C.分子动能先增大,后减小 D.分子势能先增大,后减小 E.分子势能和动能之和

16、不变,答案,解析,-31-,考点一,考点二,例4,对点训练3,考点三,物体的内能、热力学第一定律、能量守恒定律 1.温度、内能、热量、功的比较,-32-,考点一,考点二,例4,对点训练3,考点三,-33-,考点一,考点二,例4,对点训练3,考点三,-34-,考点一,考点二,考点三,例4,对点训练3,一定质量的气体,在从状态1变化到状态2的过程中,吸收热量280 J,并对外做功120 J,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240 J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?,答案:(1)增加了160 J(2)

17、外界对气体做功80 J,解析:(1)由热力学第一定律可得U=W+Q=-120 J+280 J=160 J,气体的内能增加了160 J。 (2)由于气体的内能仅与状态有关,所以气体从状态2回到状态1的过程中内能的变化应等于从状态1到状态2的过程中内能的变化,则从状态2到状态1的内能应减少160 J,即U=-160 J,又Q=-240 J,根据热力学第一定律得U=W+Q,所以W=U-Q=-160 J-(-240 J)=80 J,即外界对气体做功80 J。,-35-,考点一,考点二,考点三,例4,对点训练2,规律总结:判定物体内能变化的方法 (1)当做功和热传递两种过程同时发生时,内能的变化就要用热

18、力学第一定律进行综合分析。 (2)做功情况看气体的体积变化情况:体积增大,气体对外做功,W为负;体积缩小,外界对气体做功,W为正。 (3)与外界绝热,则不发生热传递,此时Q=0。 (4)如果研究对象是理想气体,则由于理想气体没有分子势能,所以当它的内能变化时,主要体现在分子动能的变化上,从宏观上看就是温度发生了变化。,-36-,考点一,考点二,考点三,例4,对点训练3,(多选)依照气体动理论,在绝对温度为T时,理想气体分子的平均动能为 ,k为玻尔兹曼常数。设绝对温度为T时,在装有活塞的密闭气室内,有N个某种单原子的理想气体分子,加热使气温升高T,而维持气室内气压不变,则下列叙述正确的是( ),

19、答案,解析,-37-,考点一,考点二,考点三,例5,对点训练4,热力学第二定律 1.在热力学第二定律的表述中,“自发地”“不产生其他影响”的含义 (1)“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。 (2)“不产生其他影响”的含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。 2.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。,-38-,考点一,考点二,考点三,例5,对点训练4,(多选)(2014广东揭阳三模

20、)对热力学第二定律理解正确的是( ) A.有可能制成第二类永动机 B.热效率为100%的热机是不可能制成的 C.热传导、摩擦生热等热现象是不可逆的 D.内能可以全部转化为机械能,同时不引起其他变化,解题探究:热力学第二定律的两种表述是怎样的?,提示:克劳修斯表述:热量不能自发地从低温物体传到高温物体。 开尔文表述:不可能从单一热源吸收热量,使之完全变成功而不产生其他影响。,答案,解析,-39-,考点一,考点二,考点三,例5,对点训练4,对点训练4 (多选)(2015陕西西安八校联考)下列说法正确的是( ) A.热力学第二定律可描述为“不可能使热量由低温物体传递到高温物体” B.分子间的相互作用

21、力随着分子间距离的增大,一定先减小后增大 C.只要知道水的摩尔质量和水分子的质量,就可以计算出阿伏加德罗常数 D.由于液体表面分子间距离大于液体内部分子间的距离,液面分子间表现为引力,所以液体表面具有收缩的趋势 E.用活塞压缩汽缸内的理想气体,对气体做了3.0105 J的功,同时气体向外界放出1.5105 J的热量,则气体内能增加了1.5105 J,答案,解析,-40-,1,2,3,4,5,1.英国植物学家布朗发现花粉颗粒在水中永不停息地做无规则运动,花粉颗粒做此运动的原因是( ) A.花粉有生命 B.气温变化形成了液体的微弱对流 C.液体逐渐蒸发 D.花粉颗粒受到周围液体分子的不平衡碰撞,答案,解析,-41-,1,2,3,4,5,2.(多选)某汽车后备箱内安装有撑起箱盖的装置,它主要由汽缸和活塞组成。开箱时,密闭于汽缸内的压缩气体膨胀,将箱盖顶起,如图所示,在此过程中,若缸内气体与