热现象及应用

第三单元热现象及应用第二章动能动能定理2势能机械能守恒定律3第一章分子动理论1第二章能量守恒定律2第一章分子动理论三气体的压强一分子动理论二温度四热力学能一、分子动理论1.物质是由大量分子组成的如图3-2所示的是用扫描隧道显微镜拍摄的溴原子的照片。12个溴原子(橙色)排列成一个环状结构的分子。由图可知，分子有一定的大小，分子间存在空隙，分子的排列有特定的结构。一、分子动理论由表3-1可知，除一些有机大分子外，一般物质分子直径的数量级为10-10m。一、分子动理论2.分子永不停息地做无规则运动不同物质相互接触时，彼此进入对方的现象叫做扩散。八月桂花香、医院里弥漫着消毒液的味道、一杯清水因滴入一滴墨水而变色、堆过煤的墙壁表层厚厚的煤黑……这些都是扩散引起的。不论是气体分子、液体分子还是固体分子，所有的物质分子都是在不停地做无规则运动。扩散现象在工农业生产上有许多用途。一、分子动理论3.分子间存在着相互作用力两铅块间一定存在着某种引力。我们把这种力称为分子力。同时，分子间是有空隙的，而且在压缩液体或固体时需要用很大的力。这说明分子之间还存在着斥力。一、分子动理论分子间同时存在着引力和斥力。如图3-7所示的是分子力与分子间距的关系。图中，线1和线3表示分子斥力和分子引力随间距的变化关系，线2表示它们的合力随间距的变化关系。一、分子动理论由图可见：当分子间的距离等于r0时，分子力为0；当分子间的距离大于r0时，分子力表现为引力；当分子间的距离小于r0时，分子力表现为斥力；当分子间的距离超过直径的10倍时，分子力接近0。二、温度1.温度物质由分子组成，温度反映物体的冷热程度。墨水在温度高的水中扩散得快。扩散得快表明分子做无规则运动剧烈，这说明分子的无规则运动与温度有关。通常把分子的无规则运动称为热运动。二、温度做热运动的分子也具有动能。在热现象的研究中，关注的是分子动能的平均值，即分子的平均动能。研究表明，温度升高，分子的热运动加剧，分子的平均动能增加；温度降低，分子热运动变慢，分子的平均动能减小。温度是大量分子做无规则运动的分子平均动能的标志。这就是温度的微观意义。二、温度2.温标温标是为量度物体温度的高低而对测温标尺的零点和分度法所作的规定。只有采用相同的温标，才能用数值来比较不同物体的温度。常用的是3种温标，即摄氏温标、华氏温标和热力学温标。二、温度在日常生活中，一般用摄氏温标，用t表示，单位是摄氏度(℃)；在科学研究中，常使用热力学温标，用T表示，单位是开［尔文］(K)。热力学温标与摄氏温标之间的换算关系为：二、温度3.温度计温度计是测温仪器的总称。常用的液体温度计一般有3种：酒精温度计、水银温度计和煤油温度计。它们都是利用热胀冷缩的原理制成的。酒精温度计它的工作物质是酒精。在标准大气压下，酒精凝固点是-114℃，所以在北方寒冷的季节通常会使用酒精温度计来测量温度。水银的凝固点是-39℃，在寒冷地区会因为气温太低而使水银凝固，无法进行正常的温度测量。二、温度水银温度计医用体温计的工作物质是水银。由于人体温度的变化在35～42℃，所以体温计的刻度通常是35～42℃，每度的范围又分成10份，因此体温计可精确到0．1℃。一般的水银温度计可以测到300℃以上的高温。煤油温度计它的工作物质是煤油。煤油的沸点一般高于150℃，凝固点低于-30℃。煤油温度计可比酒精温度计测更高的温度。三、气体的压强从分子动理论的观点看来，气体的压强就是大量气体分子作用在器壁单位面积上的平均作用力。气体分子的平均动能越大，气体分子越密，对单位面积器壁产生的压力就越大，气体的压强就越大。在国际单位制中，压强的单位是帕斯卡，简称帕，符号Pa。三、气体的压强气体的压强用气压计来测量，常见的气压计有水银气压计、金属盒气压计和电子气压计等。水银气压计是利用托里拆利原理来测定大气压的一种装置。水银气压计准确性高，但体积偏大，易破损，携带不方便，一般适用于气象、教学、科研。三、气体的压强如图所示的金属盒（无液）气压计体积小巧、携带方便，但准确性略差，一般用在一些只需要显示气压的设备上，如医用氧气瓶、大煤气罐、空气压缩机、爆米花机和锅炉等。三、气体的压强目前，一般用电子气压计（如图所示）替代原有的指针式气压计。电子气压计采用气压传感器和低功耗的电子芯片以及高精密电子器件组成，它的显著优点是操作简便。四、热力学能1.分子动能和势能做热运动的分子具有的动能叫做分子动能。通过前面的扩散实验可知，温度越高，分子热运动越剧烈，分子平均动能越大。与此相类似，分子之间存在着分子力，分子之间也有势能，这种势能称为分子势能。分子势能的大小与分子间的距离有关。四、热力学能2.热力学能物体内所有的分子动能和分子势能的总和，叫做物体的热力学能。一切物体都是由永不停息地做无规则热运动并且相互作用的分子组成的，因此任何物体都具有热力学能。第二章能量守恒定律一离子键二共价键一离子键二能量守恒定律一热力学第一定律一、热力学第一定律1.做功与热力学能如图3-14所示的是空气压缩引火仪，里面预先放一小块浸了乙醚的棉花，用手掌迅速地拍打活塞柄，推动活塞快速向下，可以观察到棉花燃烧起来了。一、热力学第一定律夏天，手持杀虫气雾剂罐喷洒时，能感觉到气罐变凉。这是因为气罐内的压缩气体在喷出过程中膨胀对外做功，气体的热力学能减少、温度降低。结论，做功可以改变物体的热力学能。外界对物体做功可以使物体的热力学能增加，物体对外界做功可以使其热力学能减少。柴油机正是利用这个原理工作的。一、热力学第一定律如图3-15所示，在压缩冲程中，活塞向上运动压缩汽缸中的柴油和空气的混合气体，使得温度升高达到混合气体燃点而发生燃烧；在做功冲程中，燃烧的气体温度急剧升高而膨胀，推动活塞向下运动对外做功。一、热力学第一定律一、热力学第一定律2.热传递与热力学能热传递的方法有3种：传导、对流和辐射。(1)热从物体温度较高的一部分沿着物体传到温度较低的部分的方式叫做热传导。例如：厨房用的炒锅是利用热传导加热食物的。因为金属是热的良导体，而非金属是热的不良导体。炒锅的手柄用橡胶制成就是为了阻止热传导。一、热力学第一定律（2）靠气体或液体的流动来传递热量的方式叫做对流。对流是由于温度不均匀而引起的，一般发生在气体、液体这些流体中。地球周围的大气，靠近地面的温度高，高空处温度低。于是热空气上升、冷空气下降，产生的大气流动，使得低层大气与高层大气发生了热量交换，如果引起水汽凝结就可能形成降雨。一、热力学第一定律（3）物体直接向外发射电磁波形成热量传递的现象叫做热辐射。辐射式取暖器，是人们利用加热灯管的热辐射来取暖的。太阳的能量是通过辐射传递到地球的。太阳能热水器就是吸收了太阳辐射的热量。辐射不需要媒介物质，可以在真空中传递热量，而传导和对流都需要介质才能传热。一、热力学第一定律3.焦耳的实验英国物理学家焦耳从1840年开始用了近40年的时间研究做功和热传递对物体热力学能的影响。焦耳经过反复实验计算出重物下降过程中所做的机械功和水温升高所吸收的热量，确定了做功和热传递这两种改变物体热力学能的方法是等价的，并测出功与热量在数量上的对应关系。一、热力学第一定律4.热力学第一定律既然做功和热传递在改变物体热力学能方面是等价的，那么当外界既对物体做功，又对物体传热时，热力学能的增加就应该是这两种方式对热力学能改变的累加。如果用ΔU表示物体热力学能的增加量、用Q表示外界对物体热传递的热量、用W表示外界对物体所做的功，则一、热力学第一定律热力学第一定律物体的热力学能变化量等于外界向它传递的热量与外界对它所做功的和。在热力学第一定律中，如果外界向物体传递热量或对它做功，则Q为正或W为正；如果物体向外界传递热量或对外做功，则Q为负或W为负。不论Q和W是正还是负，其变化量总是等于二者之和。一、热力学第一定律【例题3-1】西藏旅游景区门口会供应袋装氧气，这些氧气是从高压氧气罐中分装的。如果分装时氧气体积膨胀做功30J，同时从周围空气中吸收热量5J，氧气的热力学能改变了多少?二、能量守恒定律1.能量及相互转化自然界存在各种不同形式的能，如图3-18所示。二、能量守恒定律不同的能量形式与不同的运动形式相对应，如物体运动具有机械能、分子运动具有热力学能、电荷运动具有电能等。不同形式的能量之间可以相互转化，摩擦生热是通过克服摩擦做功将机械能转化为热力学能；水壶中的水沸腾时水蒸气顶起壶盖对外做功，是热力学能转化为机械能；电流通过电热丝做功是将电能转化为热力学能；等等。二、能量守恒定律2.能量守恒定律能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，只能从一种形式转化为另一种形式或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，这就是能量守恒定律。二、能量守恒定律能量守恒定律是自然界中最基本、最普遍的规律之一。例如，机械能守恒定律是动能与势能发生转化时的能量守恒；热力学第一定律是热力学能与其他能量发生转化时的能量守恒。因为不同的能量与不同的运动相对应，因此能量守恒定律把自然界各种物质运动有机地联系在一起了。二、能量守恒定律与热现象有关的能量转化和转移的过程是不可逆的。能量靠能源提供，目前使用的主要能源是煤、石油、天然气。这些常规能源是不可再生的。因此，注意开发新能源，节约使用现有能源，尽量使用可再生能源，努力提高能源利用效率，保障经济社会的可持续发展，是我们每一个社会成员的共同责任。