高中物理热学部分讲义.doc

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=6.02×1023mol-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。 【例1】 根据水的密度为ρ=1.0×103kg/m3和水的摩尔质量M=1.8×10-2 【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：①形成条件是：只要微粒足够小。②温度越高，布朗运动越激烈。③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。④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/m∝r –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：①把在水面上尽可能分散开的油膜视为单分子油膜。②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。 2.利用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 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ρ，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=VρNo/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。(No=6.02×1023mol-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 =3.7×10-26m3。把这个空间看成一个小立方体，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=3×10-9m 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：①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；②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，