高中物理热学部分讲义

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1、1热学 李强. 一、分子动理论热学是物理学的一个组成部分，它研究的是热现象的规律。描述热现象的一个基本概念是温度。凡是跟温度有关的现象都叫做热现象。分子动理论是从物质微观结构的观点来研究热现象的理论。它的基本内容是：物体是由大量分子组成的；分子永不停息地做无规则运动；分子间存在着相互作用力。1物体是由大量分子组成的这里的分子是指构成物质的单元，可以是原子、离子，也可以是分子。在热运动中它们遵从相同的规律，所以统称为分子。（1）这里建立了一个理想化模型：把分子看作是小球，所以求出的数据只在数量级上是有意义的。一般认为分子直径大小的数量级为 10-10m。（2）固体、液体被理想化地认为各分子是一个

2、挨一个紧密排列的，每个分子的体积就是每个分子平均占有的空间。分子体积=物体体积分子个数。（3）气体分子仍视为小球，但分子间距离较大，不能看作一个挨一个紧密排列，所以气体分子的体积远小于每个分子平均占有的空间。每个气体分子平均占有的空间看作以相邻分子间距离为边长的正立方体。（4）阿伏加德罗常数 NA=6.021023mol-1，是联系微观世界和宏观世界的桥梁。它把物质的摩尔质量、摩尔体积这些宏观物理量和分子质量、分子体积这些微观物理量联系起来了。2【例 1】 根据水的密度为 =1.0103kg/m3 和水的摩尔质量 M=1.810-2kg,，利用阿伏加德罗常数，估算水分子的质量和水分子的直径。【

3、例 2】 利用阿伏加德罗常数，估算在标准状态下相邻气体分子间的平均距离 D。2分子的热运动物体里的分子永不停息地做无规则运动，这种运动跟温度有关，所以通常把分子的这种运动叫做热运动。（1）扩散现象和布朗运动都可以很好地证明分子的热运动。（2）布朗运动是指悬浮在液体中的固体微粒的无规则运动。关于布朗运动，要注意以下几点：形成条件是：只要微粒足够小。温度越高，布朗运动越激烈。观察到的是固体微粒（不是液体，不是固体分子）的无规则运动，反映的是液体分子运动的无规则性。实验中描绘出的是某固体微粒每隔 30 秒的位置的连线，不是该微粒的运动轨迹。（3）为什么微粒越小，布朗运动越明显？可以这样分析：在任何一

4、个选定的方向上，同一时刻撞击固体微粒的液体分子个数与微粒的横截面积成正比，即与微粒的线度 r 的平方成正比，从而对微粒的撞击力的合力 F 与微粒的线度 r 的平方成正比；而固体微粒的质量 m 与微粒的体积成正比，即与微粒的线度 r 的立方成正比，因此其加速度 a=F/mr 1，即加速度与微粒线度 r 成反比。所以微粒越小，运动状态的改变越快，布朗运动越明显。油膜法测分子的直径用油膜法测分子的直径有两个理想化近似条件：把在水面上尽可能分散开的油膜视为单分子油膜。把形成单分子油膜的分子视为紧密排列的球形分子，此时只须测出油滴的体积 V，再测出油膜的面积 S，由 d= 可算出油分子的直径。V2.利用

5、阿伏加德罗常数对微观量的结算阿伏加德罗常数起沟通宏观量和微观量的桥梁作用，微观量是指直接描述分子的几何性质 3和物理性质的物理量，如分子直径 d，分子体积 V 分 ，分子质量 mo；宏观量有物质的密度，物体的质量 m，物质的摩尔质量 M，物质的摩尔体积 V 摩 。它们之间的运算关系是：分子质量 mo=M/No固体、液体分子体积 V 分 =V 摩 /No在体积 V 中的分子数 n=VN o/M在质量 m 中的分子数 n=mNo/M对微观量估算首先要建立微观模型：1.对液体、固体来说，微观模型是：分子紧密排列，将物质的摩尔体积分成 No个等分，每一等分就是一个分子的体积。在估算分子直径时，设想分子

6、是一个球体。在估算分子间距离时，设想分子是一个正方体，正方体的边长即为分子间距。2.气体分子不是紧密排列的，所以上述微观模型对气体不适用，但上述微观模型可用来估算气体分子间的距离。(N o=6.021023mol-1，保留一位有效数字)解析：标准状态下 1 摩尔的氧气的体积是 22.4 升。每个氧分子占据的空间体积为：V= = m3 =3.710-26m3。把这个空间看成一0NVmol21.6个小立方体，两个氧分子新占空间的中心间距，可以看作分子间距离，它就等于小立方体的边长。氧分子间距离 d= = m=310-9m3V26107.说明：这里要求学生能够想象微观模型，并利用宏观量和阿伏加德罗常

7、数对微观模型进行有 关计算；另一方面也可考察学生对有效数字、数量级及基本运算技能掌握的情况。、分子动能、分子势能和物体内能（1）分子动能做热运动的分子具有的动能叫做分子动能。在热现象的研究中，由于单个分子运动的无规则性，研究单个分子的动能是不可能的，也是毫无意义的，有意义的是分子热运动的平均功能。温度是物体分子热运动的平均动能的标志。理解要点：温度是大量分子的平均动能的标志，对个别分子来讲是无意义的；温度相同的不同种类的物质，它们分子的平均动能相同，但由于不同种类物质的分子质量不等，所以，它们分子的平均速度率不同；分子的平均动能与物体运动的速度无关。（2）分子势能分子间由于存在相互作用而具有的

8、，大小由分子间相对位置决定的能叫做分子势能。分子势能改变与分子力做功的关系：分子力做功，分子势能减少；克服分子力做功，分子势能增加；且分子力做多少功，分子势能就改变多少。分子势能与分子间距的关系 rEpr0o4（如右图示）：a、 当 r 时，分子力表现为引力，随着 r 的增大，分子引力做负功，分子势能增加；0b、当 r 时，分子力表现为斥力，随着0r 的减小，分子斥力做负功，分子势能增加；c、 r= 时，分子势能最小，但不为零，为负值，因为选两分子相距无穷远时的分子势0能为零。（3）物体的内能物体中所有分子做热运动的动能和分子势能的总和叫做物体的内能。任何物体都有内能，物体的内能跟物体的温度和

9、体积有关。理想气体无分子势能，所以，理想气体内能只跟温度有关。2、物体内能的变化改变物体的内能有两种方式：（1）做功：其他形式的能与内能相互转化的过程。 （2）热传递：是物体间内能转移的过程。热力学第一定律在一般情况下，如果物体跟外界同时发生做功和热传递的过程，那么，外界对物体所做的功 W 加上物体从外界吸收的热量 Q 等于物体内能的增加 ，即： =Q+WU应用热力学第一定律时，必须掌握好它的符号法则。（1）功： W0，表示外界对系统做功； W0，表示系统对外界做功。（2）热量： Q0，表示系统吸热； Q0，表示系统放热。（3）内能增量： 0，表示内能增加； 0，表示内能减少。U例题例 1：当

10、氢气和氧气的质量和温度都相同时，下列说法中正确的是（ ）A、 两种气体分子的平均动能相等B、 氢气分子的平均速度大于氧气分子的平均速度C、两种气体分子热运动的总动能相等D、两种气体的内能相等例：关于分子间作用力，下列说法中正确是( )A.当分子间距离为 ro时，它们之间既没有斥力也没有引力。5B.分子间的距离大于 ro时，分子间只有引力C.分子间的引力和斥力都随分子间的距离的增大而减少D.分子间的平衡距离 ro与分子直径是同一数量级说明：这道题主要考查学生对分子力随分子距离变化规律的掌握，另外要知道分子间平衡距 离 ro的数量级。5.物体的内能物体的内能是组成物体的所有分子的动能和势能的总和，

11、物体的内能与物体的质量、体积、温度、物态有关。这是因为对于某种物质来说物体的质量越大，分子数也就越多，物体的内能也就越多；物体的温度越高，分子运动越剧烈，分子的动能也就越大；分子势能与物体 的体积有关，当 rr o，r 增大，即物体体积增大时，分子力为引力，分子力做负功，分子 势能增加，当 rr o时，r 减小，即物体的体积减小时，分子力为斥力，分子力做负功，分子势能增加。对于理想气体来说，由于不考虑分子间的相互作用力，即不考虑分子势能，所以理想气体的内能只跟理想气体的质量、温度有关。例：温度高的 A 物体一定比温度低的 B 物体的内能大吗?物体 A 分子的平均速率也一定比物体 B 分子的平均

12、速率大吗?解析：物体的内能是物体内所有分子的动能和势能之和，由物体的质量、温度、体积和物态共同决定。温度是分子平均动能的标志，温度高，只能说明分子的平均动能较大，而由于不知道 A、B 物体的分子数的关系，也就无法判断哪个物体的内能大。又由于不知道A、B 物体的 分子质量关系，因此也无法判断哪个物体的分子平均速率大。即以上两种说法均不一定成立。说明：这道题主要考查学生对“物体的内能由哪些物理量决定”的掌握。6.热和功改变物体的内能的途径就是设法改物体的分子动能和分子势能，最终达到改变物体的内能，物理过程有做功和热传递两种方式。做功是其它形式的能和内能之间的转化，热传递是物体之间内能的转移。当物体

13、对外界做功时，物体的内能减少，当外界对物体做功时，物体 的内能增加；当物体从外界吸热时，物体的内能增加，当物体向外界放热时，物体内能减少。例：关于物体内能及其变化，下列说法正确的是 ( )A.物体的内能改变时，其温度必定改变6B.物体对外做功，其内能不一定改变；向物体传递热量，其内能不一定改变C.对物体做功，其内能必定改变；物体对外传出一定热量，其内能必定改变D.若物体与外界不发生热交换，其内能必定不改变。热力学第一定律在一般情况下，如果物体跟外界同时发生做功和热传递的过程，那么，外界对物体所做的功 W 加上物体从外界吸收的热量 Q 等于物体内能的增加 ，即： =Q+WU应用热力学第一定律时，

14、必须掌握好它的符号法则。（1）功： W0，表示外界对系统做功； W0，表示系统对外界做功。（2）热量： Q0，表示系统吸热； Q0，表示系统放热。（3）内能增量： 0，表示内能增加； 0，表示内能减少。U例题例 1：当氢气和氧气的质量和温度都相同时，下列说法中正确的是（ ）C、 两种气体分子的平均动能相等D、 氢气分子的平均速度大于氧气分子的平均速度C、两种气体分子热运动的总动能相等D、两种气体的内能相等热力学第一定律在气体中的应用对一定质量的理想气体（除碰撞外忽略分子间的相互作用力，因此没有分子势能） ，热力学第一定律 U=Q+W 中： U 仅由温度决定，升温时为正，降温时为负； W 仅由体

15、积决定，压缩时为正，膨胀时为负；Q 由 U 和 W 共同决定；在绝热情况下Q=0，因此有 U= W1如图所示的绝热容器，把隔板抽掉，让左侧气体自由膨胀到右侧直至平衡A气体对外做功，内能减少，温度降低B气体对外做功，内能不变，温度不变C气体不做功，内能不变，温度不变，压强减小D气体不做功，内能减少，压强减小点评：学生容易出现的错误：认为气体体积变大就对外做功；认为压强减小，温度降低热力学第二定律（1）热传导的方向性。热传导的过程是有方向性的，这个过程可以向一个方向自发地进行（热量会自发地从高温物体传给低温物体） ，但是向相反的方向却不能自发地进行。（2）第二类永动机不可能制成。我们把没有冷凝器，

16、只有单一热源，从单一热源吸收7热量全部用来做功，而不引起其它变化的热机称为第二类永动机。这表明机械能和内能的转化过程具有方向性：机械能可以全部转化成内能，内能却不能全部转化成机械能。（3）热力学第二定律。表述：不可能使热量由低温物体传递到高温物体，而不引起其他变化（按热传导的方向性表述） 。不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化（按机械能和内能转化过程的方向性表述） 。第二类永动机是不可能制成的。热学状态量1. 体积 (V)气体的体积就是指气体分子所充满的容器间体积 , 即为容器的容积，说明这个容积不是分子本身的体积之和 , 气体分子间有很大的间隙 , 容积变化 , 气体的体积也随之变化 。气体的单位有 等 , 它们间的换算关系为 : 3m)(dl)(3cl= =310)(l6（说明）若气体封闭在粗细均匀的容器中 , 体积通常