1 选修 3-3 热学知识点归纳 一、分子运动论一、分子运动论 1. 物质是由大量分子组成的 （1）分子体积 分子体积很小，它的直径数量级是10 10m （2）分子质量 分子质量很小，一般分子质量的数量级是10 26kg （3）阿伏伽德罗常数（宏观世界与微观世界的桥梁） 1 摩尔的任何物质含有的微粒数相同，这个数的测量值：NA= 6.02 1023mol 1 设微观量为：分子体积V0、分子直径d、分子质量m； 宏观量为：物质体积V、摩尔体积V1、物质质量M、摩尔质量、物质密度 分子质量： = = 1 分子体积: （对气体，V0应为气体分子平均占据的空间大小） 0= = 1 分子直径: 球体模型: （固体、液体一般用此模型） V d N 3 A ) 2 ( 3 4 3 0 3 A 6 = 6 = V N V d 立方体模型: （气体一般用此模型）（对气体，d理解为相邻分子间的平均距离） 3 0 =Vd 分子的数量 A 1 A 1 AA N V V N V M N V N M n 2. 分子永不停息地做无规则热运动 （1）分子永不停息做无规则热运动的实验事实：扩散现象和布郎运动。 （2）布朗运动 布朗运动是悬浮在液体（或气体）中的固体微粒的无规则运动。布朗运动不是分子本身的 运动，但它间接地反映了液体（气体）分子的无规则运动。 （3）实验中画出的布朗运动路线的折线，不是微粒运动的真实轨迹。 因为图中的每一段折线，是每隔 30s 时间观察到的微粒位置的连线，就是在这短短的 30s 内，小颗粒的运动也是极不规则的。 （4）布朗运动产生的原因 大量液体分子（或气体）永不停息地做无规则运动时，对悬浮在其中的微粒撞击作用的 不平衡性是产生布朗运动的原因。简言之 ： 液体（或气体）分子永不停息的无规则运动是产 生布朗运动的原因。 （5）影响布朗运动激烈程度的因素 固体微粒越小，温度越高，固体微粒周围的液体分子运动越不规则，对微粒碰撞的不平衡 性越强，布朗运动越激烈。 （6）能在液体（或气体）中做布朗运动的微粒都是很小的，一般数量级在，这种10 6m 微粒肉眼是看不到的，必须借助于显微镜。 2 3.分子间存在着相互作用力 （1）分子间的引力和斥力同时存在，实际表现出来的分子力是分子引力和斥力的合力。 分子间的引力和斥力只与分子间距离(相对位置)有关，与分子的运动状态无关。 （2） 分子间的引力和斥力都随分子间的距离 r 的增大而减小， 随分子间的距离 r 的减小而 增大，但斥力的变化比引力的变化快。 （3）分子力 F 和距离 r 的关系如下图 （注：上图中：数量级） 01 rr m 10 10 4.物体的内能 (1)做热运动的分子具有的动能叫分子动能。温度是物体分子热运动的平均动能的标志。 (2)由分子间相对位置决定的势能叫分子势能。分子力做正功时分子势能减小；分子力作 负功时分子势能增大。 当r=r0即分子处于平衡位置时分子势能最小。不论r从r0增大还是 减小，分子势能都将增大。如果以分子间距离为无穷远时分子势能为零，则分子势能随分 子间距离而变的图象如上图。 (3)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。物体的内能跟物 体的温度和体积及物质的量都有关系，定质量的理想气体的内能只跟温度有关。 (4)内能与机械能 ： 运动形式不同，内能对应分子的热运动，机械能对于物体的机械运动。 物体的内能和机械能在一定条件下可以相互转化。 二、固体二、固体 1晶体和非晶体 （1）在外形上，晶体具有确定的几何形状，而非晶体则没有。 （2）在物理性质上，晶体具有各向异性，而非晶体则是各向同性的。 （3）晶体具有确定的熔点，而非晶体没有确定的熔点。 （4）晶体和非晶体并不是绝对的，它们在一定条件下可以相互转化。例如把晶体硫加热 3 熔化（温度不超过 300）后再倒进冷水中，会变成柔软的非晶体硫，再过一段时间又会转 化为晶体硫。 2多晶体和单晶体 单个的晶体颗粒是单晶体，由单晶体杂乱无章地组合在一起是多晶体。 多晶体具有各向同性。 3晶体的各向异性及其微观解释 在物理性质上，晶体具有各向异性，而非晶体则是各向同性的。通常所说的物理性质包 括弹性、硬度、导热性能、导电性能、光的折射性能等。晶体的各向异性是指晶体在不同方 向上物理性质不同， 也就是沿不同方向去测试晶体的物理性能时测量结果不同。 需要注意的 是，晶体具有各向异性，并不是说每一种晶体都能在各物理性质上都表现出各向异性。晶体 内部结构的有规则性，在不同方向上物质微粒的排列情况不同导致晶体具有各向异性。 4.晶体与非晶体、单晶体与单晶体的比较 三、液体三、液体 1.液体的微观结构及物理特性 （1）从宏观看 因为液体介于气体和固体之间，所以液体既像固体具有一定的体积，不易压缩，又像气体 没有形状，具有流动性。 （2）从微观看有如下特点 液体分子密集在一起，具有体积不易压缩； 分子间距接近固体分子，相互作用力很大； 液体分子在很小的区域内有规则排列，此区域是暂时形成的，边界和大小随时改变，并 且杂乱无章排列，因而液体表现出各向同性； 4 液体分子的热运动虽然与固体分子类似，但无长期固定的平衡位置，可在液体中移动， 因而显示出流动性，且扩散比固体快。 2液体的表面张力 如果在液体表面任意画一条线， 线两侧的液体之间的作用力是引力， 它的作用是使液体面 绷紧，所以叫液体的表面张力。 特别提醒： 表面张力使液体自动收缩，由于有表面张力的作用，液体表面有收缩到最小的趋势，表 面张力的方向跟液面相切。 表面张力的形成原因是表面层（液体跟空气接触的一个薄层）中分子间距离大，分子间 的相互作用表现为引力。 表面张力的大小除了跟边界线长度有关外，还跟液体的种类、温度有关。 四、液晶四、液晶 1液晶的物理性质 液晶具有液体的流动性，又具有晶体的光学各向异性。 2液晶分子的排列特点 液晶分子的位置无序使它像液体，但排列是有序使它像晶体。 3液晶的光学性质对外界条件的变化反应敏捷 液晶分子的排列是不稳定的， 外界条件和微小变动都会引起液晶分子排列的变化， 因而改 变液晶的某些性质，例如温度、压力、摩擦、电磁作用、容器表面的差异等，都可以改变液 晶的光学性质。 如计算器的显示屏，外加电压液晶由透明状态变为混浊状态。 五、气体五、气体 1.气体的状态参量 （1）温度：温度在宏观上表示物体的冷热程度；在微观上是分子平均动能的标志。 热力学温度是国际单位制中的基本量之一，符号T，单位 K（开尔文） ； 摄氏温度是导出 单位，符号t，单位（摄氏度） 。关系是t=T-T0，其中T0=273.15K 两种温度间的关系可以表示为 ：T = t+273.15K 和T =t，要注意两种单位制下每一度 的间隔是相同的。 0K 是低温的极限，它表示所有分子都停止了热运动。可以无限接近，但永远不能达到。 气体分子速率分布曲线 图像表示 ： 拥有不同速率的气体分子在总分子数中所占的百分比。图像下面积可表示为 分子总数。 5 特点 ： 同一温度下，分子总呈“中间多两头少”的分布特点，即速率处中等的分子所占 比例最大，速率特大特小的分子所占比例均比较小； 温度越高，速率大的分子增多； 曲线 极大值处所对应的速率值向速率增大的方向移动，曲线将拉宽，高度降低，变得平坦。 （2）体积:气体总是充满它所在的容器，所以气体的体积总是等于盛装气体的容器的容积。 （3）压强:气体的压强是由于大量气体分子频繁碰撞器壁而产生的。 （4）气体压强的微观意义：大量做无规则热运动的气体分子对器壁频繁、持续地碰撞产生 了气体的压强。单个分子碰撞器壁的冲力是短暂的，但是大量分子频繁地碰撞器壁，就对器 壁产生持续、均匀的压力。所以从分子动理论的观点来看，气体的压强就是大量气体分子作 用在器壁单位面积上的平均作用力。 （5）决定气体压强大小的因素： 微观因素：气体压强由气体分子的密集程度和平均动能决定： A、气体分子的密集程度（即单位体积内气体分子的数目）越大，在单位时间内，与单位面 积器壁碰撞的分子数就越多； B、气体的温度升高，气体分子的平均动能变大，每个气体分子与器壁的碰撞（可视为弹性 碰撞）给器壁的冲力就大 ； 从另一方面讲，气体分子的平均速率大，在单位时间里撞击器壁 的次数就多，累计冲力就大。 宏观因素 ： 气体的体积增大，分子的密集程度变小。在此情况下，如温度不变，气体压强 减小；如温度降低，气体压强进一步减小；如温度升高，则气体压强可能不变，可能变化， 由气体的体积变化和温度变化两个因素哪一个起主导地位来定。 2气体实验定律 （1）等温变化-玻意耳定律 内容：一定质量的某种气体，在温度不变的情况下，压强 p 与体积 V 成反比。 公式：或 或（常量） （2）等容变化-查理定律 内容：一定质量的某种气体，在体积不变的情况下，压强 p 与热力学温度 T 成正比。 公式：或或（常量） （3）等压变化-盖吕萨克定律 内容：一定质量的某种气体，在压强不变的情况下，体积 V 与热力学温度 T 成正比。 公式：或或（常量） 3对气体实验定律的微观解释 （1）玻意耳定律的微观解释 一定质量的理想气体，分子的总数是一定的，在温度保持不变时，分子的平均动能保持不 变，气体的体积减小到原来的几分之一，气体的密集程度就增大到原来的几倍，因此压强就 增大到原来的几倍，反之亦然，所以气体的压强与体积成反比。 6 （2）查理定律的微观解释 一定质量的理想气体，说明气体总分子数 N 不变 ； 气体体积 V 不变，则单位体积内的分子 数不变 ； 当气体温度升高时，说明分子的平均动能增大，则单位时间内跟器壁单位面积上碰 撞的分子数增多，且每次碰撞器壁产生的平均冲力增大，因此气体压强 p 将增大。 （3）盖吕萨克定律的微观解释 一定质量的理想气体，当温度升高时，气体分子的平均动能增大 ； 要保持压强不变，必须 减小单位体积内的分子个数，即增大气体的体积。 4. 理想气体状态方程：一定质量的理想气体状态方程：公式：=恒量 T PV 或 （含密度式：） 2 22 1 11 T VP T VP 22 2 11 1 T P T P 注意：计算时公式两边 T 必须统一为热力学温度单位,其它两边单位相同即可。 5.*克拉珀龙方程： (R 为普适气体恒量，n 为摩尔数）RT M nRTPV 六、热力学定律六、热力学定律 1.热力学第零定律（热平衡定律） ： 如果两个系统分别与第三个系统达到热平衡，那么这两 个系统彼此之间也必定处于热平衡 2.热力学第一定律 ： EW+Q能的转化守恒定律第一类永动机 （违反能量守恒定律） 不可能制成. (1)做功和热传递都能改变物体的内能。 也就是说， 做功和热传递对改变物体的内能是等效 的。但从能量转化和守恒的观点看又是有区别的 ： 做功是其他能和内能之间的转化，功是内 能转化的量度；而热传递是内能间的转移，热量是内能转移的量度。 (2)符号法则： 体积增大,气体对外做功,W 为“一” ；体积减小,外界对气体做功,W 为“+” 。 气体从外界吸热,Q 为“+” ；气体对外界放热,Q 为“一” 。 温度升高,内能增量E 是取“+” ；温度降低,内能减少，E 取“一” 。 (3)三种特殊情况： 等温变化E=0，即 W+Q=0 绝热膨胀或压缩：Q=0 即 W=E 等容变化：W=0 ，Q=E (4)由图线讨论理想气体的功、热量和内能 等温线（双曲线）：一定质量的理想气体， ab，等温降压膨胀，内能不变，吸热等于对外做 功。 bc，等容升温升压，不做功，吸热等于内能增加。 ca，等压降温收缩，外界做功和放热等于内能减 少。 图像下面积表示做功：体积增大气体对外做功，体积 减小外界对气体做功