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人民教育出版社课程教材研究所编著物理课程教材研究开发中心®物理选修3-3普通高中课程标准实验教科书总主编：张大昌副总主编：彭前程主编：张维善执笔人员：黄恕伯孙新唐果南绘图：高巍王凌波张良责任编辑：张颖彭征版式设计：马迎莺审读：王存志普通高中课程标准实验教科书物理选修3-3人民教育出版社课程教材研究所编著*出版发行网址：人民美术印刷厂印刷 全国新华书店经销*开本：890毫米×1240毫米1/16印张：5字数：1080002007年4月第2版年 月第 次印刷ISBN978-7-107-18610-3定价：元G·11700（课）著作权所有·请勿擅用本书制作各类出版物·违者必究如发现印、装质量问题，影响阅读，请与出版科联系调换。（联系地址：北京市海淀区中关村南大街17号院1号楼 邮编：100081）物理课程教材研究开发中心第七章分子动理论11物体是由大量分子组成的22分子的热运动53分子间的作用力84温度和温标105内能14第八章气体171气体的等温变化182气体的等容变化和等压变化213理想气体的状态方程234气体热现象的微观意义26第九章 物态和物态变化311固体322液体373饱和汽与饱和汽压424物态变化中的能量交换46第十章 热力学定律501功和内能512热和内能533热力学第一定律能量守恒定律554热力学第二定律585热力学第二定律的微观解释626能源和可持续发展68课题研究 如何提高煤气灶的烧水效率73目录1第七章分子动理论高压输电线路第七章分子动理论热学这一门科学起源于人类对于热与冷现象的本质的追求……（这）可能是人类最初对自然法则的追求之一。—王竹溪①暮春时节，金黄的油菜花铺满了原野。微风拂过，飘来阵阵花香。你有没有想过，为什么能够闻到这沁人心脾的香味呢？古希腊学者德谟克利特早就对此做出了解释，他认为这是由于花的原子飘到了人们鼻子里。德谟克利特认为“只有原子和虚空是真实的”。古人的原子论仅限于思辨的范畴，没有尝试做出实验验证。随着科技的发展，特别是显微镜的发明，人们对微观世界的观察越来越深入，原子论的观点也逐渐为人们所接受。到了1982年，科学家制成了扫描隧道显微镜，使人类第一次实际观察到原子的排列。①王竹溪（1911—1983），中国物理学家，中国科学院学部委员（现称院士），北京大学教授。12高中物理选修3-311物体是由大量分子组成的我们在初中已经学过，物体是由大量分子组成的①。一个1μm大小的水珠，尺寸与细菌差不多，其中分子的个数竟比地球上人口的总数还多上好几倍！我们可以通过什么途径知道分子的大小呢？实验用油膜法估测分子的大小1.怎样估算油酸分子的大小？把很小的1滴油酸滴在水面上，水面上会形成一块油酸薄膜，薄膜是由单层的油酸分子组成的②。尽管油酸分子有着复杂的结构和形状，但在估测其大小的数量级时，可以把它简化为球形，示意图如图7.1-1所示。测出油膜的厚度d，就是油酸分子的直径。油膜的厚度等于这一小滴油酸的体积与它在水面上摊开的面积之比。因此，要估测油酸分子的直径，就要解决两个问题：一是获得很小的一小滴油酸并测出其体积，二是测量这滴油酸在水面上形成的油膜面积。2.如何获得很小的1滴油酸？怎样测量它的体积？请老师配制一定浓度的油酸酒精溶液，例如可以向1mL油酸中加酒精，直至总量达到500mL。各实验小组用注射器吸取这样的油酸酒精溶液，把它一滴一滴地滴入小量筒中，记下液滴的总滴数和它们的总体积，这样便知道1滴溶液的体积了。例如，100滴溶液的体积是1mL，1滴体积就是10－2mL。根据上面的数据可以计算出1滴溶液中所含纯油酸的体积。例如，上述例子中1滴溶液含纯油酸2×10－5mL。油酸分子d图7.1-1水面上单分子油膜的示意图分子并不是球形的，但这里把它们当做球形处理，是一种估算的方法。估算在物理学的学习和研究中都是很有用的。CCCCCCCCCCCCCCCC①在研究物质的化学性质时，我们认为组成物质的微粒是分子、原子或者离子。但是，在热学中，我们研究的是它们运动的规律，不必区分它们在化学变化中所起的不同作用，因此，本书把它们统称为分子。②油酸的分子式为C17H33COOH，它的一部分是羧基-COOH，对水有很强的亲合力；另一部分C17H33-对水没有亲合力而要冒出水面。因此油酸分子会一个个地直立在水面上形成单分子油膜。CCC3第七章分子动理论分子的大小 把分子看做小球，这是分子的简化模型。实际上，分子有着复杂的内部结构，并不是小球。我们通常说分子的直径有多大，只是对分子大小的一种粗略描述。知道了分子尺度的数量级，能使我们了解分子是多么微小。油酸分子大小的数量级是10－10m。测定分子大小的方法有许多种。尽管用不同方法测出的结果有差异，但数量级是一致的。测量结果表明，除了一些有机物质的大分子外，多数分子尺寸的数量级为10－10m。分子如此微小，不但用肉眼无法直接看到它们，就是用高倍的光学显微镜也看不到。直至1982年，人们研制了能放大几亿倍的扫描隧道显微镜①，才观察到物质表面原子的排列，使人类第一次实际看到单个原子。图7.1-3是我国科学家用扫描隧道显微镜拍摄的石墨表面原子，图中每个亮斑都是一个碳原子。阿伏加德罗常数 我们在化学课中学过，1mol的任何物质都含有相同的粒子数，这个数量用阿伏加德罗常数（Avogadroconstant）表示。CCCCCCCCCCCCC如果把1滴这样的溶液滴在水面，溶液中的酒精将溶于水并很快挥发，液面上的油膜便是这滴溶液中的纯油酸形成的。3.如何测量油膜的面积？实验中的油酸薄膜是无色透明的，怎样才能看清它？先往边长30~40cm的浅盘里倒入约2cm深的水，然后将痱子粉或细石膏粉均匀地撒在水面上。用注射器往水面上滴1滴油酸酒精溶液，油酸立即在水面散开，形成一块薄膜，薄膜上没有痱子粉，可以清楚地看出它的轮廓，如图7.1-2。待油酸薄膜形状稳定后，将事先准备好的玻璃板放在浅盘上，在玻璃板上描下油酸膜的形状。将画有油酸膜轮廓的玻璃板放在坐标纸上，计算轮廓范围内正方形的个数，不足半个的舍去，多于半个的算一个。把正方形的个数乘以单个正方形的面积就得到油膜的面积。这样，根据1滴油酸的体积V和油膜面积S就可以算出油膜厚度d＝，即油酸分子的大小。油酸膜浮在水面上的痱子粉图7.1-2水面上形成一块油膜VS①由于发明了扫描隧道显微镜，德国物理学家宾尼希（G.Binnig）和瑞士物理学家罗雷尔（H.Rohrer）共同获得1986年诺贝尔物理学奖。图7.1-3用扫描隧道显微镜拍摄的石墨表面原子照片CC4高中物理选修3-3思考与讨论以水分子为例，知道了分子的大小，不难估算阿伏加德罗常数。1.已知每个水分子的直径是4×10-10m，每个水分子的体积约为多少？2.我们还知道水的摩尔体积是1.8×10-5m3/mol。如果水分子是一个挨一个地排列的，那么1mol水所含的水分子数是多少？把你的估算结果与化学课本中的阿伏加德罗常数相比较。为了得到更精确的阿伏加德罗常数，科学工作者不断地用各种方法测量它。1986年利用X射线测得的阿伏加德罗常数是NA＝6.0221367×1023mol－1通常可取NA＝6.02×1023mol－1在粗略计算中，甚至可取NA＝6.0×1023mol－1阿伏加德罗常数是一个重要的常数。它把摩尔质量、摩尔体积这些宏观物理量与分子质量、分子大小等微观物理量联系起来了，物理学中定量研究热现象时经常用到它。问题与练习图7.1-41.把一片很薄的均匀薄膜放在盐水中，把盐水密度调节为1.2×103kg/m3时薄膜能在盐水中悬浮。用天平测出尺寸为10cm×20cm的这种薄膜的质量是36g，请计算这种薄膜的厚度。2.在做“用油膜法估测分子的大小”实验时，每104mL油酸酒精溶液中有纯油酸6mL。用注射器测得75滴这样的溶液为1mL。把1滴这样的溶液滴入盛水的浅盘里，把玻璃板盖在浅盘上并描画出油酸膜轮廓，如图7.1-4所示。图中正方形小方格的边长为1cm。(1)1滴油酸酒精溶液中含有纯油酸的体积是多少？(2)油酸膜的面积是多少？(3)按以上数据，估算油酸分子的大小。3.把铜分子看成球形，试估算铜分子的直径。已知铜的密度为8.9×103kg/m3，铜的摩尔质量为6.4×10-2kg/mol。4.在标准状态下，氧气分子之间的平均距离是多少？已知氧气的摩尔质量为3.2×10-2kg/mol，1mol气体处于标准状态时的体积是2.24×10-2m3。5第七章分子动理论22分子的热运动一切物质的分子都在不停地做无规则的运动，这是我们在初中已经学过的知识。本节我们通过具体的实验证据来说明这个结论。1.在广口瓶中滴几滴溴，它会逐渐蒸发，变为气体。几分钟后观察瓶中气体的颜色。2.在烧杯中盛多半杯清水，然后用长颈漏斗慢慢地把蓝色硫酸铜溶液注入，使它留在杯底，不要搅动液体。几十分钟后观察两种液体分界面的变化。做一做 图7.2-1溴蒸汽的扩散图7.2-2液体的扩散扩散现象 从实验和生活现象中我们都会发现，不同物质能够彼此进入对方。物理学把这类现象叫做扩散（diffusion）。扩散现象并不是外界作用（例如对流、重力作用等）引起的，也不是化学反应的结果，而是由物质分子的无规则运动产生的。图7.2-3中，酱油中的色素扩散到了鸡蛋里面，这是人力无法阻挡的。又如，把金片和铅片压在一起，不管金片放在上面还是放在下面，金都会扩散到铅中，铅也会扩散到金中。扩散现象是物质分子永不停息地做无规则运动的证明。扩散现象在科学技术中有很多应用。生产半导体器件时，需要在纯净半导体材料中掺入其他元素，这就是在高温条件下通过分子的扩散来完成的。布朗运动 19世纪初，一些人观察到，悬浮在液体中的小颗粒总在不停地运动。1827年，英国植物学家布朗（R.Brown,1773—1858）首先在显微镜下研究了这种运动。下面我们做一个类似的实验。图7.2-3酱油在蛋清中的扩散6高中物理选修3-3CCCCCCCCCCCCCC实验如图7.2-4，把墨汁用水稀释后取出一滴放在高倍显微镜下观察，可以看到悬浮在液体中的小炭粒在不停地做无规则运动。在显微镜下追踪一个小炭粒的运动，每隔30s把炭粒的位置记录下来，然后用直线把这些位置按时间顺序依次连接起来，就得到类似图7.2-5所示的微粒运动的位置连线。可以看出，微粒的运动是无规则的。实际上，就是在短短的30s内，微粒的运动也是极不规则的。乙显微镜下看到的微粒显微镜物镜盖玻璃悬浊液载物玻璃甲实验装置乙显微镜下看到的微粒显微镜物镜盖玻璃悬浊液载物玻璃甲实验装置图7.2-4实验装置示意图图7.2-5显微镜下看到的三颗微粒运动位置的连线当时布朗观察的是悬浮在水中的花粉。他起初认为，花粉的运动不是外界因素引起的，而是花粉自发的运动。是不是因为植物有生命才产生了这样的运动？布朗用当时保存了上百年的植物标本，取其微粒进行实验，他还用了一些没有生命的无机物粉末进行实验。结果是，不管哪一种微粒，只要足够小，就会发生这种运动；微粒越小，运动就越明显。这说明微小颗粒的运动不是生命现象。后人把悬浮微粒的这种无规则运动叫做布朗运动（Brownianmotion）。布朗运动是怎样产生的？在显微镜下看起来连成一片的液体，实际上是由许许多多分子组成的。液体分子不停地做无规则运动，不断地撞击微粒。图7.2-6描绘了一颗微粒受到周围液体分子撞击的情景。悬浮的微粒足够小时，来自各个方向的液体分子撞击作用的不平衡性便表现出来了。在某一瞬间，微粒在某个方向受到的撞击作用较强；在下一瞬间，微粒受到另一方向的撞击作用较强，这样，就引起了微粒的无规则运动。悬浮在液体中的微粒越小，在某一瞬间跟它相撞的液体分子数越少，撞击作用的不平衡性就表现得越明显，因而布朗运动越明显。如果悬浮在液体中的微粒很大，在某一瞬间跟它相撞的分子数很多，各个方向的撞击作用接近平衡，这时就很难观察到布朗运动了。图7.2-6微粒很小时，分子沿各方向对它的撞击不平衡液体分子布朗微粒7第七章分子动理论我们无法直接看见分子的无规则运动。悬浮微粒的无