《物理 机械建筑类 单色版 教学课件 ppt 作者 王美玉 第4 5章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《物理 机械建筑类 单色版 教学课件 ppt 作者 王美玉 第4 5章（76页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、物理（机械建筑类）,主编:王美玉,第4章 第5章,第4章,图4-1 内燃机,第4章,图4-2 红外线气象云图,第4章,4.1 分子动理论,【分子动理论的基本内容】 分子是由原子力把两个或多个原子束缚在一起所组成的微观实体。物体是由大量分子组成的，分子永不停息地作无规则运动，分子之间存在着相互作用力，大量分子无规则的运动称为分子的热运动。分子的热运动和分子之间的相互作用决定了物体的热学性质。 【物体的组成】现代科技的发展已经证明原子确实存在，而且科学实验还证明原子不是不可再分的。原子可以结合成分子，分子是保持物质化学性质的最小微粒，物质是由大量分子组成的。实际上，组成物质的最小单元是多种多样的，
2、有的是原子(如金属材料等)，有的是离子(如氯化钠等无机物)，有的是分子(如聚乙烯等高分子材料)。在热学中，由于这些基本微粒作热运动时都遵循相同的规律，所以将这些微粒统称为分子。 【分子的大小】 分子极其微小，不仅用肉眼不能直接看到，就是用光学显微镜也看不到。目前只能用可以放大几亿倍的扫描隧道显微镜观察到物质表面的分子。如果把分子看成小球，人们发现除了部分有机物的分子较大外，绝大多数物质的分子直径是10-10m数量级，如水分子的直径为410-10m，氢分子的直径为2.310-10m，蛋白质分子的直径为4310-10m。 【阿伏加德罗常数】 我们在化学课中知道，1mol的任何物质都含有相同的粒子数
3、，并用阿伏加德罗常数NA来表示。,例4-1 水的摩尔质量是1.810-2kg/mol，1mol水中含有6.01023个分子，求水分子的质量m是多少？ 解：m=1.810-2kg/mol/6.01023mol-1=3.010-26kg 答：水分子的质量m是3.010-26kg。 可见水分子质量是非常小的。用同样的方法可以测出氧分子的质量是5.310-26kg，氢分子的质量是3.310-27kg。,4.1 分子动理论,图4-3 分子之间存在间隙 a)放大10亿倍的水 b)酒精和水混合后的体积变化,4.1 分子动理论,【分子之间存在间隙】 一切宏观的物体都是由大量的、彼此之间有间隙的分子组成的。例如
4、，气体的体积很容易被压缩，就是气体分子间有间隙的证明；水和酒精混合后总体积反而会减少，如图4-3所示，说明这两种液体的分子互相渗透到对方分子的间隙中了，从而证明液体分子间也有间隙。,图4-4 观察布朗运动的装置,4.1 分子动理论,【布朗运动】 1827年英国植物学家布朗(17731858年)用显微镜观察悬浮在水中的花粉，发现花粉粒不停地作无规则的运动。后来人们把悬浮颗粒的这种无规则运动称为布朗运动。,图4-5 三个墨汁颗粒的运动路径,4.1 分子动理论,图4-6 分子对小颗 粒的碰撞情况,4.1 分子动理论,图4-7 分子间的作用力与间距的关系图,4.1 分子动理论,【分子间的作用力】 分子
5、间虽然有间隙，大量分子却能聚集在一起形成固体或液体，并具有一定的体积和形状，这表明分子间有引力的存在。另一方面，分子间又存在空隙，没有紧密地吸合在一起，而且固体或液体都很难压缩，这说明分子间还有斥力存在，阻止着它们的相互靠拢。例如，用力压固体时，固体内会产生反抗压缩的弹力。分子间的作用力，称为分子力。固体被拉伸或压缩时产生的弹力，就是分子间引力和斥力的宏观表现。,4.2 内能 热传递 热量,【分子动能】 物体中的分子由于永不停息地作无规则的运动而具有的动能称为分子动能。 物体内分子运动的速率是不同的，有的大，有的小，因此，各个分子具有的动能并不相同。我们在研究与分析热现象时，由于热现象是大量分
6、子热运动的集体表现，因此我们关心的不是一个分子的动能大小，而是物体内所有分子动能的平均值。我们把物体内所有分子动能的平均值称为分子的平均动能。 温度是物体分子热运动的平均动能的标志。温度升高，物体分子的热运动加剧，分子热运动的平均动能也增加。相反，温度越低，则分子热运动的平均动能越小。 【分子势能】 在分子力相互作用的范围内，分子间具有的势能，称为分子势能，其大小由分子间的相对位置决定。 当分子间的距离rr0时，分子间的相互作用力表现为引力，要增大分子间的距离必须克服引力做功，因此，分子势能随着分子间距离的增大而增大，这种情形类似于弹簧被拉长时弹性势能的变化规律。当分子间的距离rr0时，分子间
7、的相互作用力表现为斥力，要减小分子间的距离必须克服斥力做功，因此，分子势能随着分子间距离的减小而增大，这种情形类似于弹簧被压缩时弹性势能的变化规律。 物体的体积发生变化时，分子间的距离发生变化，分子势能随之发生变化，因此，分子势能与物体的体积有关。 【内能】 物体内部所有分子热运动的动能和分子势能的总和，称为物体的热力学能，也称为内能，用符号“E”表示。,图4-9 钻削时产生热现象,图4-8 浸有乙醚的棉花的燃烧原理,4.2 内能 热传递 热量,图4-10 蒸汽机车,4.2 内能 热传递 热量,图4-11 火力发电厂生产过程示意图,【热传递现象观察】 热传递现象在我们的日常生活中经常遇到，如室
8、内暖器片、加热炉、空调等设备在运行时，都涉及热传递现象。室内暖气片在使用过程中，其传热过程包括：热水通过加压从锅炉流到暖气片内，是强制对流；热量从热水传递到暖气片，是热传导；依靠空气对流将热量传到房间内各处，是自然对流传热；被加热的暖气还以辐射方式向外传热。,4.2 内能 热传递 热量,图4-12 热传递的三种方式举例,4.2 内能 热传递 热量,【热量】 做功和热传递在改变物体内能上可以表现出相同的效果，即都使物体的内能发生变化。但两种方式之间还是有本质区别的。做功使物体的内能改变，是其他形式的能与内能之间的变化。例如，摩擦生热的过程是做了机械功，将机械能转化为内能的过程。热传递则不同，它是
9、物体间内能的转移。 热传递时所转移内能的数量，称为热量，常用符号Q表示。,表4-1 1Pa气压下几种晶体物质的熔点和熔化热,4.3 物体变化时的潜热,【熔化与凝固】 物质通过吸收热量由固态变成液态的过程，称为熔化，相反，物质从液态转变为固态的过程称为凝固。其中由液体转变为晶体的过程，称为结晶。物质在熔化时要吸收热量，在凝固时要放出热量。晶体与非晶体在熔化时表现出不同的特征，其原因就是由于它们存在不同的内部结构。 【熔化现象分析】 晶体开始熔化并保持温度不变的过程称为晶体的熔点。我们可以从微观角度来分析熔化现象:在晶体中，分子或原子排列成规则的空间点阵，维持这种规则排列的是分子或原子之间的相互作
10、用力。由于分子或原子的热运动不足以克服它们之间的相互作用力，所以，分子或原子一般只能在空间点阵的平衡位置附近作微小的振动。,图4-13 沸腾现象,4.3 物体变化时的潜热,【熔化热】 单位质量的某种晶体物质，在熔点完全变成同温度的液体时所吸收的热量，称为这种晶体的熔化热()。在国际单位制中，熔化热的单位是焦耳每千克(J/kg)。表4-1中列出了105Pa气压下几种晶体物质的熔点和熔化热。,4.3 物体变化时的潜热,【汽化与液化】 物质从液态变成气态并吸收热量的过程，称为汽化。由气态转变为液态的过程称为液化，又称为凝结。汽化有两种方式:蒸发和沸腾。仅仅在液体表面发生的汽化，称为蒸发。在一定压强下
11、，液体的温度升高到某一温度时，在液体内部和表面同时发生的汽化，称为沸腾。产生沸腾时，液体有大量气泡产生，它们会增大并上升到液面破裂而放出蒸气，如图4-13所示。沸腾时液体的温度保持不变，这个温度称为沸点。 蒸发在任意温度下都可以发生，因为液面总有一些分子的动能比分子平均动能高，因此，它们可以克服液面其他分子的吸引，脱离液面而形成蒸气，蒸气又常称为汽。 液体的温度越高，分子具有的平均动能越大，具有足够大的动能而且能够脱离液体表面的分子也就越多，因此，温度越高，蒸发得越快。 另外，液体的表面面积越大，处于液体附近的分子也越多，能够从液面飞出的分子也相对越多，因此，液体表面面积越大，蒸发得也越快。,
12、表4-2 1Pa下几种物质的沸点和汽化热,表4-3 水在不同温度下的汽化热,例4-2 在地球大气层上空垂直太阳光的平面上，每秒钟每平方米可接收到1.35103J(记为I=1.35103W/m2)的太阳能，这些能量的大部分被大气层吸收，全年平均起来大约有15的太阳能到达地面。已知地球的半径R0=6.4106m，地面水域占全球面积的71，平均汽化热可估计为=2.47106J/kg，试估算每秒钟进入大气的平均水蒸发量m。,4.3 物体变化时的潜热,解：已知垂直于阳光的面积A=R2=3.14(6.4106m)2=1.291014m2，太阳能中每秒用于水面蒸发的热量为,4.3 物体变化时的潜热,4.4
13、热力学第一定律,【热力学第一定律】 在一般的热力学过程中，系统内能的变化是做功与传热共同作用的结果。假设系统从内能为E1的平衡态经过某一热力学过程变化到内能为E2的平衡态。在此过程中，外界对系统传热为Q，同时系统对外做功为W，根据能量转化和守恒定律，在系统状态变化时，系统能量的改变量等于系统与外界交换的能量，即,表4-4 热力学第一定律表达式中各量正负的物理意义,例4-3 一定量的气体从外界吸收的热量是25000J，气体内能增加40000J，试分析是气体对外做功，还是外界对气体做功？ 解：由热力学第一定律Q=E2-E1+W，得,4.4 热力学第一定律,图4-14 压缩式电冰箱制冷循环系统,4.
14、4 热力学第一定律,【能源与环境】 热机、燃油汽车、火力发电厂和制冷机等既是人类物质文明的重要体现，同时也是污染人类生态环境的主要根源之一。,大量的事实证明：任何形式的能转化为其他形式的能时，总的能量是守恒的。能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为别的形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中其总量不变。这就是能量守恒定律。 例4-4 设某发电厂的效率=30%，输出功率P=1.5107W，标准煤的燃烧值q0=2.93107J/kg。求发电厂每小时消耗标准煤的质量m。 解：煤燃烧每秒钟向锅炉提供的热量，就是发电厂的输入功率P0，即P0=m/t，其中t=3600s
15、。因输出功率P=P0=m/t，所以,4.5 能量守恒定律,图4-15 永动机的设计方案之一,4.5 能量守恒定律,第5章,图5-1 水在固态、液态和气态条件的分子状态,第5章,5.1 固体、液体、和气体的基本特征,图5-2 固体分子的规则排列,【固体】 固体的特征是有一定的体积和形状。 【液体】 液体的特征是具有一定的体积而无一定的形状。 【气体】 气体的特征是既无一定的体积，也无一定的形状。,图5-3 液体的形状,5.1 固体、液体、和气体的基本特征,5.2 晶体和非晶体,图5-4 常见晶体物质的形状 a)一种雪花的晶体外形 b)食盐晶体外形 c)石英晶体外形,【晶体和非晶体的外形】 晶体与
16、非晶体在外形上有很大区别。晶体有天然的、规则的几何形状，它的外形是由若干个平面围成的多面体。例如，冬季的雪花是水蒸气在空气中凝固时形成的冰的晶体，小冰粒整齐地排列成有规则的六角形(见图5-4a)；食盐的晶体是立方体(见图5-4b)；石英晶体中间是六面棱柱，两边是六面棱锥(见图5-4c)。非晶体则没有天然的、规则的几何外形。,图5-5 云母片的物理性质检测实验,晶体的分类】 晶体可以分为单晶体和多晶体。整个物体就是一个晶体(晶粒)，这样的物体称为单晶体，如图5-7a所示。单晶体是科学技术上重要的材料，制造各种晶体管、计算机芯片等就要用纯度很高的单晶硅或单晶锗。单晶体是各向异性的。,5.2 晶体和非晶体,图5-6 玻璃片的物理性质检测实验,5.2 晶体和非晶体,图5-7 晶体与非晶体的显微组织区别 a)单晶体 b)多晶体 c)纯铁的显微组织,5.2 晶体和非晶体,图5-8 氯化钠的空间点阵,【晶体和非晶体的物理性质】 晶体和非晶体有不同的性质，是因为它们有不同的微观结构。在微观结构方面，非晶体的分子排列结构是不规则的；而组成
