高三物理-一輪復習-3-3分子動理論-熱力學定律

1、第十一章熱學(選修3-3),第1節(jié)分子動理論熱力學定律,-5-,一、分子動理論的基本內(nèi)容 1.物體是由大量分子組成的 (1)分子大小 分子直徑的數(shù)量級:10-10 m。 分子質(zhì)量的數(shù)量級:10-26 kg。 (2)阿伏加德羅常數(shù):1 mol任何物質(zhì)含有的分子數(shù)。NA=6.021023 mol-1。,-6-,2.分子永不停息地做無規(guī)則熱運動 (1)擴散現(xiàn)象:不同物質(zhì)相互接觸時彼此進入對方的現(xiàn)象。溫度 越高,擴散越快。 (2)布朗運動:懸浮在液體或氣體中的微粒的無規(guī)則運動。布朗運動間接反映了液體或氣體分子的無規(guī)則熱運動。 成因:液體分子無規(guī)則運動,對懸浮微粒碰撞不平衡造成的。 特點:永不停息、無規(guī)

2、則運動;微粒越小,運動越劇烈;溫度 越高,運動越劇烈;運動軌跡不確定。,-7-,3.分子間存在著引力和斥力 (1)分子間同時存在相互作用的引力和斥力,分子力為它們的 合力。 (2)分子力的特點 F引、F斥都隨r增大而減小,隨r減小而增大,但斥力比引力變化更快。,-8-,分子力隨分子間距離變化的圖線如圖所示。 分子力的作用使分子聚集在一起,而分子的無規(guī)則運動使它們趨于分散,正是這兩個因素決定了物體的氣、液、固三種不同的狀態(tài)。,-9-,二、物體的內(nèi)能 1.分子的平均動能 (1)概念:物體中所有分子動能的平均值。 (2)大小的標志:溫度是分子平均動能大小的標志。溫度越高,分子的平均動能越大。 2.分

3、子勢能 (1)概念:由分子間的相互作用和相對位置決定的能量。 (2)分子勢能大小的相關(guān)因素 微觀上:分子勢能的大小與分子間距有關(guān)。如圖所示,當r=r0時,分子勢能最小。 宏觀上:與物體體積有關(guān)。大多數(shù)物體是體積越大,分子勢能越大,也有少數(shù)物體,比如“冰”,體積變大,分子勢能反而變小。,-10-,3.物體的內(nèi)能 (1)定義:物體中所有分子熱運動的動能和分子勢能的總和叫作物體的內(nèi)能。 (2)決定內(nèi)能的因素 微觀上:分子動能、分子勢能、分子個數(shù)。 宏觀上:溫度(T)、體積(V)、物質(zhì)的量(n)。 (3)改變內(nèi)能的兩種方式:做功和熱傳遞。 (4)內(nèi)能與機械能的區(qū)別 物體內(nèi)能是物體內(nèi)大量分子所具有的動能

4、和分子勢能的總和,宏觀上取決于物質(zhì)的量(n)、溫度(T)、體積(V)。 物體機械能是物體整體運動(或彈性形變)具有的動能和勢能的總和,取決于質(zhì)量(m)、速度(v)、高度(h)、形變(x)。,-11-,三、溫度和溫標 1.溫度 (1)溫度在宏觀上表示物體的冷熱程度;在微觀上表示分子的平均動能。 (2)溫度是決定一個系統(tǒng)與另一個系統(tǒng)是否達到熱平衡狀態(tài)的物理量,一切達到熱平衡狀態(tài)的系統(tǒng)都具有相同的 溫度。 2.兩種溫標,-12-,四、熱力學第一定律 1.內(nèi)容 一個熱力學系統(tǒng)的內(nèi)能增量等于外界向它傳遞的熱量與外界對它所做功的和。 2.表達式 U=Q+W。 3.U=Q+W的幾種特殊情況 (1)若過程是絕

5、熱的,則Q=0,W=U,外界對物體做的功等于物體內(nèi)能的增加。 (2)若過程中不做功,即W=0,則Q=U,物體吸收的熱量等于物體內(nèi)能的增加。 (3)若過程的初、末狀態(tài)物體的內(nèi)能不變,即U=0,則W+Q=0或W=-Q,外界對物體做的功等于物體放出的熱量。,-13-,五、熱力學第二定律 1.兩種表述 (1)克勞修斯表述(按熱傳導的方向性表述):熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體。 (2)開爾文表述(按機械能和內(nèi)能轉(zhuǎn)化過程的方向性表述):不可能從單一熱庫吸收熱量,使之完全變成功,而不引起其他影響。,-14-,3.熵增加原理 在任何自然過程中,一個孤立系統(tǒng)的總熵不會減少。,-15-,六、能量守恒定律

6、1.內(nèi)容 能量既不會憑空產(chǎn)生,也不會憑空消失,它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式,或者從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體,在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程中能量的總量保持不變。 2.能源的利用 (1)存在能量耗散和品質(zhì)降低。 (2)重視利用能源對環(huán)境的影響。 (3)要開發(fā)新能源(如太陽能、生物質(zhì)能、風能等)。,-16-,-17-,考點一,考點二,例1,對點訓練1,考點三,分子動理論的理解和應用 1.宏觀量與微觀量是如何聯(lián)系在一起的 (1)微觀量:分子體積V0、分子直徑d、分子質(zhì)量m0。 (2)宏觀量:物體的體積V、摩爾體積Vm、物體的質(zhì)量m、摩爾質(zhì)量M、物體的密度。 (3)關(guān)系,例2,例3,對點訓練2,-18-,考點

7、一,考點二,考點三,例1,對點訓練1,例2,例3,對點訓練2,-19-,考點一,考點二,考點三,2.布朗運動與分子運動間的關(guān)系 (1)所謂的布朗運動,指的是懸浮于液體中的固體小顆粒所做的永不停息的無規(guī)則運動。布朗運動產(chǎn)生的原因是液體分子的撞擊不平衡。 (2)布朗運動的特點恰好反映出分子運動的特點:布朗運動永不停息,表明分子運動永不停息;布朗運動的無規(guī)則性,表明分子運動的無規(guī)則性;布朗運動的劇烈程度隨溫度升高而加劇,表明分子運動的劇烈程度隨溫度升高而加劇。 (3)布朗運動的明顯程度隨懸浮顆粒的尺寸加大而減弱,再一次從統(tǒng)計的角度表明分子運動的無規(guī)則性。布朗運動雖然不是液體分子的運動,卻證明了液體分

8、子在永不停息地無規(guī)則運動著。布朗運動不僅能在液體中發(fā)生,也能在氣體中發(fā)生。,例1,對點訓練1,例2,例3,對點訓練2,-20-,考點一,考點二,考點三,3.分子勢能、分子力做功與分子間距的相互關(guān)系 (1)分子勢能是分子間由相對位置所決定的勢能,其對應的力是分子力,分子勢能的數(shù)值隨分子力做功的變化而變化,分子力做正功時,分子勢能減少,分子力做負功時,分子勢能增加。 (2)分子勢能和重力勢能一樣,其數(shù)值隨零勢能位置的改變而改變,只有相對的意義,但是,分子間距離不同的兩個位置的分子勢能之差卻是唯一確定的。,例1,對點訓練1,例2,例3,對點訓練2,-21-,考點一,考點二,考點三,(3)為了研究問題

9、的方便,通常都取兩個分子相距無窮遠時分子勢能為零,此時分子間的作用力可忽略不計,我們讓兩個分子從相距無窮遠處逐漸靠近到不能再靠近的距離,當它們相距無窮遠時,分子勢能為零,從此位置逐漸靠近到r=r0的位置階段,分子力表現(xiàn)為引力,引力做正功,分子勢能減少,在r=r0位置,分子勢能具有最小值(負值),此后,分子間距離rr0且r不斷減小,此階段分子力表現(xiàn)為斥力,需克服分子斥力做功,分子勢能單調(diào)增大,在某一位置,分子勢能恰好增大到等于零,以后分子勢能為正值,繼續(xù)隨分子間距離減小而增大。由上述物理過程,可以畫出系統(tǒng)分子勢能Ep隨分子間距離r變化的Ep-r圖象(如圖所示)。,例1,對點訓練1,例2,例3,對

10、點訓練2,-22-,考點一,考點二,考點三,空調(diào)在制冷過程中,室內(nèi)空氣中的水蒸氣接觸蒸發(fā)器(銅管)液化成水,經(jīng)排水管排走,空氣中水分越來越少,人會感覺干燥。若有一空調(diào)工作一段時間后,排出液化水的體積V=1.0103 cm3。已知水的密度=1.0103 kg/m3、摩爾質(zhì)量M=1.810-2 kg/mol,阿伏加德羅常數(shù)NA=6.01023 mol-1。試求:(結(jié)果均保留一位有效數(shù)字) (1)該液化水中含有水分子的總數(shù)N; (2)一個水分子的直徑d。,解題探究:用題干給出的字母表示水的摩爾體積。 求解水分子大小時用哪種模型?,答案:(1)31025個(2)410-10 m,例1,對點訓練1,例2

11、,例3,對點訓練2,提示:球形。,-23-,考點一,考點二,考點三,例1,對點訓練1,例2,例3,對點訓練2,-24-,考點一,考點二,考點三,規(guī)律總結(jié):微觀量的求解方法 (1)分子體積、分子質(zhì)量屬微觀量,直接測量它們的數(shù)值非常困難,可以借助較易測量的宏觀量結(jié)合摩爾體積、摩爾質(zhì)量等來估算這些微觀量,其中阿伏加德羅常數(shù)是聯(lián)系宏觀量和微觀量的橋梁和紐帶。 (2)建立合適的物理模型,通常把固體、液體分子模擬為球形或小立方體。氣體分子所占據(jù)的空間則建立立方體模型。,例1,對點訓練1,例2,例3,對點訓練2,-25-,考點一,考點二,考點三,例1,對點訓練1,例2,例3,對點訓練2,(多選)(2015湖

12、北七市教科研協(xié)作體高三聯(lián)考)以下說法正確的是( ) A.氣體分子單位時間內(nèi)與單位面積器壁碰撞的次數(shù),與單位體積內(nèi)的分子數(shù)及氣體分子的平均動能都有關(guān) B.布朗運動是液體分子的運動,它說明分子不停息地做無規(guī)則熱運動 C.當分子間的引力和斥力平衡時,分子勢能最小 D.如果氣體分子總數(shù)不變,而氣體溫度升高,氣體的平均動能一定增大,因此壓強也必然增大 E.當分子間距離增大時,分子間的引力和斥力都減小,答案,解析,-26-,考點一,考點二,考點三,例1,對點訓練1,例2,例3,對點訓練2,(多選)兩分子間的斥力和引力的合力F與分子間距離r的關(guān)系如圖中曲線所示,曲線與r軸交點的橫坐標為r0。相距很遠的兩分子

13、在分子力作用下,由靜止開始相互接近。若兩分子相距無窮遠時分子勢能為零,下列說法正確的是( ) A.在rr0階段,F做正功,分子動能增大,勢能減小 B.在rr0階段,F做負功,分子動能減小,勢能也減小 C.在r=r0時,分子勢能最小,動能最大 D.在r=r0時,分子勢能為零 E.分子動能和勢能之和在整個過程中不變,答案,解析,-27-,考點一,考點二,考點三,例1,對點訓練1,例2,例3,對點訓練2,解題探究:分子力做功與分子勢能變化的關(guān)系是怎樣的? 分子力為零時,分子勢能有何特點? 只有分子力做功時的功能關(guān)系是什么?,提示:分子力做正功,分子勢能減少;分子力做負功,分子勢能增加。,提示:分子力

14、為零時,分子勢能最小。,提示:只有分子力做功時,分子動能和勢能相互轉(zhuǎn)化,其總和不變。,-28-,考點一,考點二,考點三,例1,對點訓練1,例2,例3,對點訓練2,規(guī)律總結(jié):判斷分子勢能變化的兩種方法 (1)根據(jù)分子力做功判斷:分子力做正功,分子勢能減小;分子力做負功,分子勢能增大。 (2)利用分子勢能與分子間距離的關(guān)系圖線判斷,如圖所示。但要注意此圖線和分子力與分子間距離的關(guān)系圖線形狀雖然相似,但意義不同,不要混淆。為了區(qū)分兩圖線,需牢記當r=r0(平衡距離)時分子勢能最小這一點,因為不管分子間距離r增大還是減小,分子力都要做負功,分子勢能都會增加。,-29-,考點一,考點二,考點三,例1,對

15、點訓練1,例2,例3,對點訓練2,若以表示水的摩爾質(zhì)量,V表示在標準狀態(tài)下水蒸氣的摩爾體積,為在標準狀態(tài)下水蒸氣的密度,NA為阿伏加德羅常數(shù),m、分別表示每個水分子的質(zhì)量和體積,下面是四個關(guān)系式:,A.和都是正確的B.和都是正確的 C.和都是正確的D.和都是正確的,答案,解析,-30-,考點一,考點二,考點三,例1,對點訓練1,例2,例3,對點訓練2,(多選)兩個相距較遠的分子僅在分子力作用下由靜止開始運動,直至不再靠近。在此過程中,下列說法正確的是( ) A.分子力先增大,后一直減小 B.分子力先做正功,后做負功 C.分子動能先增大,后減小 D.分子勢能先增大,后減小 E.分子勢能和動能之和

16、不變,答案,解析,-31-,考點一,考點二,例4,對點訓練3,考點三,物體的內(nèi)能、熱力學第一定律、能量守恒定律 1.溫度、內(nèi)能、熱量、功的比較,-32-,考點一,考點二,例4,對點訓練3,考點三,-33-,考點一,考點二,例4,對點訓練3,考點三,-34-,考點一,考點二,考點三,例4,對點訓練3,一定質(zhì)量的氣體,在從狀態(tài)1變化到狀態(tài)2的過程中,吸收熱量280 J,并對外做功120 J,試問: (1)這些氣體的內(nèi)能發(fā)生了怎樣的變化? (2)如果這些氣體又返回原來的狀態(tài),并放出了240 J熱量,那么在返回的過程中是氣體對外界做功,還是外界對氣體做功?做功多少?,答案:(1)增加了160 J(2)

17、外界對氣體做功80 J,解析:(1)由熱力學第一定律可得U=W+Q=-120 J+280 J=160 J,氣體的內(nèi)能增加了160 J。 (2)由于氣體的內(nèi)能僅與狀態(tài)有關(guān),所以氣體從狀態(tài)2回到狀態(tài)1的過程中內(nèi)能的變化應等于從狀態(tài)1到狀態(tài)2的過程中內(nèi)能的變化,則從狀態(tài)2到狀態(tài)1的內(nèi)能應減少160 J,即U=-160 J,又Q=-240 J,根據(jù)熱力學第一定律得U=W+Q,所以W=U-Q=-160 J-(-240 J)=80 J,即外界對氣體做功80 J。,-35-,考點一,考點二,考點三,例4,對點訓練2,規(guī)律總結(jié):判定物體內(nèi)能變化的方法 (1)當做功和熱傳遞兩種過程同時發(fā)生時,內(nèi)能的變化就要用熱

18、力學第一定律進行綜合分析。 (2)做功情況看氣體的體積變化情況:體積增大,氣體對外做功,W為負;體積縮小,外界對氣體做功,W為正。 (3)與外界絕熱,則不發(fā)生熱傳遞,此時Q=0。 (4)如果研究對象是理想氣體,則由于理想氣體沒有分子勢能,所以當它的內(nèi)能變化時,主要體現(xiàn)在分子動能的變化上,從宏觀上看就是溫度發(fā)生了變化。,-36-,考點一,考點二,考點三,例4,對點訓練3,(多選)依照氣體動理論,在絕對溫度為T時,理想氣體分子的平均動能為 ,k為玻爾茲曼常數(shù)。設(shè)絕對溫度為T時,在裝有活塞的密閉氣室內(nèi),有N個某種單原子的理想氣體分子,加熱使氣溫升高T,而維持氣室內(nèi)氣壓不變,則下列敘述正確的是( ),

19、答案,解析,-37-,考點一,考點二,考點三,例5,對點訓練4,熱力學第二定律 1.在熱力學第二定律的表述中,“自發(fā)地”“不產(chǎn)生其他影響”的含義 (1)“自發(fā)地”指明了熱傳遞等熱力學宏觀現(xiàn)象的方向性,不需要借助外界提供能量的幫助。 (2)“不產(chǎn)生其他影響”的含義是發(fā)生的熱力學宏觀過程只在本系統(tǒng)內(nèi)完成,對周圍環(huán)境不產(chǎn)生熱力學方面的影響。如吸熱、放熱、做功等。 2.熱力學第二定律的實質(zhì) 熱力學第二定律的每一種表述,都揭示了大量分子參與宏觀過程的方向性,進而使人們認識到自然界中進行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性。,-38-,考點一,考點二,考點三,例5,對點訓練4,(多選)(2014廣東揭陽三模

20、)對熱力學第二定律理解正確的是( ) A.有可能制成第二類永動機 B.熱效率為100%的熱機是不可能制成的 C.熱傳導、摩擦生熱等熱現(xiàn)象是不可逆的 D.內(nèi)能可以全部轉(zhuǎn)化為機械能,同時不引起其他變化,解題探究:熱力學第二定律的兩種表述是怎樣的?,提示:克勞修斯表述:熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體。 開爾文表述:不可能從單一熱源吸收熱量,使之完全變成功而不產(chǎn)生其他影響。,答案,解析,-39-,考點一,考點二,考點三,例5,對點訓練4,對點訓練4 (多選)(2015陜西西安八校聯(lián)考)下列說法正確的是( ) A.熱力學第二定律可描述為“不可能使熱量由低溫物體傳遞到高溫物體” B.分子間的相互作用

21、力隨著分子間距離的增大,一定先減小后增大 C.只要知道水的摩爾質(zhì)量和水分子的質(zhì)量,就可以計算出阿伏加德羅常數(shù) D.由于液體表面分子間距離大于液體內(nèi)部分子間的距離,液面分子間表現(xiàn)為引力,所以液體表面具有收縮的趨勢 E.用活塞壓縮汽缸內(nèi)的理想氣體,對氣體做了3.0105 J的功,同時氣體向外界放出1.5105 J的熱量,則氣體內(nèi)能增加了1.5105 J,答案,解析,-40-,1,2,3,4,5,1.英國植物學家布朗發(fā)現(xiàn)花粉顆粒在水中永不停息地做無規(guī)則運動,花粉顆粒做此運動的原因是( ) A.花粉有生命 B.氣溫變化形成了液體的微弱對流 C.液體逐漸蒸發(fā) D.花粉顆粒受到周圍液體分子的不平衡碰撞,答案,解析,-41-,1,2,3,4,5,2.(多選)某汽車后備箱內(nèi)安裝有撐起箱蓋的裝置,它主要由汽缸和活塞組成。開箱時,密閉于汽缸內(nèi)的壓縮氣體膨脹,將箱蓋頂起,如圖所示,在此過程中,若缸內(nèi)氣體與