第四章:热学基础 课时1. 知识1. 分子动理论 分子大小 A. 分子的两个尺寸 a．分子的直径(视为球模型)：数量级为 10－10m；b．分子的质量：数量级为 10－26kg． B. 阿伏加德罗常数 a．1mol 的任何物质都含有相同的粒子数．通常可取 NA＝6.02×1023mol－1；b．阿伏加德 罗常数是联系宏观物理量和微观物理量的桥梁． C. 宏观量与微观量 (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 Vmol 、物体的质量 m、摩尔质量 M、物体的密度 ρ． (3)相互关系 ① 分子的质量：m0＝＝； ② 分子的体积：V0＝＝(注：对气体 V0 为分子所占空间体积)； ③ 物体所含的分子数：n＝·NA＝·NA 或 n＝·NA＝·NA． D. 两种求直径模型 物质有固态、液态和气态三种情况，不同物态下应将分子看成不同的模型． (1)固体、液体分子一个一个紧密排列，可将分子看成球形或 立方体形，如图所示，分 子间距等于小球的直径或立方体的棱长，所以 d＝(球体模型)或 d＝(立方体模型)． (2)气体分子不是一个一个紧密排列的，它们之间的距离很大，所以气体分子的大小不 等于分子所占有的平均空间．如图所示，此时每个分子占有的空间视为棱长为 d 的立方体， 所以 d＝． PS：①固体和液体分子都可看成是紧密堆积在一起的．分子的体积，仅适用于固体和 液体，对气体不适用．②对于气体分子， d 3 V0 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． 知识1.扩散现象 A. 扩散的定义 不同物质能够彼此进入对方的现象； E. 扩散的实质 扩散现象并不是外界作用引起的，也不是化学反应的结果，而是由分子的无规则运动产 生的物质迁移现象，温度越高，扩散现象越明显． F. 影响的因素 (1)物态：①气态物质的扩散现象最快、最显著．②固态物质的扩散现象最慢，短时间 内非常不明显．③液态物质的扩散现象的明显程度介于气态与固态之间． (2)温度：在两种物质一定的前提下，扩散现象发生的明显程度与物质的温度有关，温 度越高，扩散现象越显著． (3)浓度差：两种物质的浓度差越大，扩散现象越显著 知识2.布朗运动 (1)定义：悬浮在液体(或气体)中的微粒不停地做无规则运动． (2)原因：大量液体(或气体)分子对悬浮微粒撞击的不平衡造成的． (3)特点：永不停息、无规则． (4)因素：微粒越小，布朗运动越明显(悬浮微粒越小，某时刻与它相撞的分子数越少， 来自各方向的冲击力越不易平衡；另外微粒越小，其质量也就越小，相同冲击力下产生的加 速度越大．因此，微粒越小，布朗运动越明显)；温度越高，布朗运动越激烈(温度越高，液 体分子的运动(平均)速率越大，对悬浮于其中的微粒的撞击作用也越大，产生的加速度也越 大，因此温度越高，布朗运动越激烈)． (5)意义：布朗运动间接地反映了液体(气体)分子运动的无规则性． PS：①布朗运动不是分子的运动，而是固体微粒的运动；②布朗运动的无规则性反映 了液体分子运动的无规则性；③布朗运动与温度有关，表明液体分子运动的激烈程度与温度 有关．④大风天常常看到风沙弥漫、尘土飞扬，就不是布朗运动，因为能用肉眼看到的颗粒 的运动不是布朗运动． 知识3.分子热运动 (1)定义：分子永不停息地做无规则运动叫做热运动． (2)表现：扩散现象和布朗运动． (3)特点：①永不停息；②运动无规则；③温度越高，分子的热运动越剧烈． (4)热运动的比较 现象 布朗运动 特点 只研究液态中的现 都反映了分子的 它是固体小颗粒的运动 象 无规则热运动； 颗粒越小越明显 扩散现象 固、液、气都能发 生 活动主体 温度越高越明显 能彼此进入对方 布朗运动 热运动 固体小颗粒 分子 是固体小颗粒的运动，是比分子 是指分子的运动，分子无论大 大得多的分子团的运动，较大的 区别 小都做热运动，热运动不能通 颗粒不做布朗运动，但它本身的 过光学显微镜直接观察到 以及周围的分子仍在做热运动 都是永不停息的无规则运动，都随温度的升高而变得更加激烈，都 共同点 是肉眼所不能看见的 布朗运动是由于小颗粒受到周围分子做热运动的撞击力而引起的， 联系 它是分子做无规则运动的反映 PS：(1)扩散现象直接反映了分子的无规则运动，并且可以发生在固体、液体、气体任 何两种物质之间．(2)布朗运动不是分子的运动，是液体分子无规则运动的反映． 知识4.分子力和势能 A. 分子间有空隙 (1)气体分子间的空隙：气体很容易被压缩，表明气体分子间有很大的空隙． (2)液体分子间的空隙：水和酒精混合后总体积会减小，说明液体分子间有空隙． (3)固体分子间的空隙：压在一起的金片和铅片的分子，能扩散到对方的内部说明固体 分子间也存在着空隙． B. 分子间作用力特点 (1)分子间虽然有空隙，大量分子却能聚集在一起形成固体或液体，说明分子之间存在 着引力；分子间有空隙，但用力压缩物体，物体内会产生反抗压缩的弹力，这说明分子之间 还存在着斥力． (2)分子间的引力和斥力是同时存在的，实际表现出来的分子力是引力和斥力的合力． (3)分子间的作用力与分子间距离的关系如图所示，表现了分子力 F 随分子间距离 r 的变 化情况． C. 分子力与物体三态 (1)宏观现象的特征是大量分子间分子合力的表现，分子与分子间的相互作用力较小， 但大量分子力的宏观表现合力却很大． (2)当物体被拉伸时，物体要反抗被拉伸，表现出分子引力，而当物体被压缩时，物体 又要反抗被压缩而表现出分子斥力． (3)物体状态不同，分子力的宏观特征也不同，如固体、液体很难压缩是分子间斥力的 表现；气体分子间距比较大，除碰撞外，认为分子间引力和斥力均为零，气体难压缩是压强 的表现． D. 分子力与分子势能 用类比法理解分子力做功与分子势能变化的关系：重力做正功，重力势能减小；重力做 负功，重力势能增大．同样，分子力做正功，分子势能减小；分子力做负功，分子势能增 大．因此可用类比法理解分子力做功与分子势能变化的关系． 名称 项目 分子间的相互作用力 F 分子势能 Ep 与分子间距的关 系 图象 r<r0 随分 子间 距的 r>r0 变化 情况 r＝r0 F 引和 F 斥都随距离的增大 r 增大，斥力做正功，分子势 而减小，随距离的减小而 能减少 增大，F 引<F 斥，F 表现为 r 减小，斥力做负功，分子势 斥力 能增加 F 引和 F 斥都随距离的增大 r 增大，引力做负功，分子势 而减小，随距离的减小而 能增加 增大，F 引>F 斥，F 表现为 r 减小，引力做正功，分子势 引力 能减少 F 引＝F 斥，F＝0 分子势能最小，但不为零 F 引和 F 斥都已十分微弱， －9 r>10r0(10 m) 可以认为分子间没有相互 分子势能为零 作用力 知识5.温度与温标 A. 热平衡的理解 (1)热平衡定义：两个不同温度下的热学系统，在相互接触下，会达到相同的温度，这 最后的状态叫做热平衡． (2)测温原理：若物体与 A 处于热平衡，它同时也与 B 达到热平衡，则 A 的温度等于 B 的温度，这就是温度计用来测量温度的基本原理． (3)热力学第零定律：互为热平衡的物体具有相同的温度，该定律又叫热平衡定律． (4)热平衡定律的意义：为温度的测量提供了理论依据．因为互为热平衡的物体具有相 同的温度，所以比较各物体温度时，不需要将各个物体直接接触，只需将作为标准物体的温 度计分别与各物体接触，即可比较温度的高低． B. 温度的理解 (1)温度抽象定义：所有达到热平衡的系统都具有相同的温度． (2)宏观上的理解 ① 温度的物理意义：表示物体冷热程度的物理量． ② 与热平衡的关系：各自处于热平衡状态的两个系统，相互接触时，它们相互之间发 生了热量的传递，热量从高温系统传递给低温系统，经过一段时间后两系统温度相同，达到 一个新的平衡状态． (3)微观上的理解 ① 反映物体内分子热运动的剧烈程度，是大量分子热运动平均动能的标志． ② 温度是大量分子热运动的集体表现，是含有统计意义的，对个别分子来说温度是没 有意义的． 知识6.温度与内能 A. 分子的动能 ① 分子动能是分子热运动所具有的动能； ② 分子热运动的平均动能是所有分子热运动的动能的平均值，温度是分子热运动的平 均动能的标志； ③ 分子热运动的总动能是物体内所有分子热运动动能的总和． B. 分子的势能 ① 意义：由于分子间存在着引力和斥力，所以分子具有由它们的相对位置决定的能． ② 分子势能的决定因素 a．微观上：决定于分子间距离和分子排列情况；b．宏观上：决定于体积和状态． PS：压强不太大且温度不太高时，对于固定质量的非理想气体来说，其体积变大，气 体分子势能必然增大，因为气体分子间距比较大，则分子间作用力本来就表现为引力，所以 分子间距变大，引力必然做负功．而对固体来说，如果它等质量膨胀，则其势能很难判断是 增大还是减小或者不变． C. 物体的内能 ① 概念理解：物体中所有分子的热运动动能与分子势能的总和，是状态量； ② 决定因素：(1)微观决定因素：分子势能、分子的平均动能和分子个数．(2)宏观决定 因素：物体的体积、物体的温度、物体所含物质的多少(即物质的量)． ③ 影响因素：物体的内能与物体的位置高低、运动速度大小无关． ④ 改变物体内能的两种方式：做功和热传递． 做功 热传递 外界对物体做功，物体的 内能变化情况 内能增加；物体对外界做 功，物体的内能减少 物体吸收热量，内能增加；物 体放出热量，内能减少 通过分子之间的相互作用，使 区别 从运动形式上看 宏观的机械运动向物体的 同一物体的不同部分或不同物 微观分子热运动的转化 体间的分子热运动发生变化， 是内能的转移 从能量的角度看 能的性质变化情况 联系 其他形式的能与内能相互 不同物体之间或同一物体不同 转化的过程 部分之间内能的转移 能的性质发生了变化 能的性质不变 做一定量的功或传递一定量的热量在改变内能的效果上 是相同的 课时2. 知识1. 气体及其规律 气体分子运动的特点 ① 气体分子间距较大，分子力可以忽略，因此分子间除碰撞外不受其他力的作用，故 气体能充满整个空间； ② 分子做无规则的运动，速率有大有小，且时时变化，大量分子的速率按“中间多，两 头少”的规律分布； ③ 温度升高时，速率小的分子数减少，速率大的分子数增多，分子的平均速率将增大 ， 但速率分布规律不变． 知识7.描述气体的相关参量 (1)气体的状态参量：压强、体积、温度． (2)普通气体的压强 ① 产生原因：由于气体分子无规则