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高中物理3-3热学知识点归纳

选修3-3知识点归纳

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

(2)分子质量

分子质量很小,一般分子质量的数量级是

(3)阿伏伽德罗常数

1摩的任何物质含有的微粒数相同,这个数的测量值。 设微观量为:分子体积V 0、分子直径d 、分子质量m ;宏观量为:物质体积V 、摩尔体积V 1、物质质量M 、摩尔质量μ、物质密度ρ.

分子质量:

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分子体积:

(对气体,V 0应为气体分子占据的空间大小) 分子直径:

球体模型: V d N =3A )2(34π 303A 6=6=π

πV N V d (固体、液体一般用此模型) 立方体模型:30=V d (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) 分子的数量.A 1

A 1A A ====N V V N V M N V N M

n ρμρμ

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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。

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(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

微粒肉眼是看不到的,必须借助于显微镜。

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

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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。

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(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

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。

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

①液体分子密集在一起,具有体积不易压缩;

②分子间距接近固体分子,相互作用力很大;

③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:

①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。

②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。

③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

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

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ΔT =Δt,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

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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。

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:气体的压强是由于气体分子频繁碰撞器壁而产生的。

(4)气体压强的微观意义:气体压强的产生:大量做无规则热运动的分子对器壁频繁、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:

①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)大,在单位时间内,与单位面积器壁碰撞的分子数就多;B气体的温度高,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。

②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。

1.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。

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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)

2.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。

(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。

六、热力学第一定律

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.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ΔU,即ΔU=Q+W 这叫做热力学第一定律。

3.在这个表达式中,当外界对物体做功时W取正,物体克服外力做功时W取负;当物体从外界吸热时Q取正,物体向外界放热时Q取负;ΔU为正表示物体内能增加,ΔU为负表示物体内能减小。

4.由图线讨论理想气体的功、热量和内能

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a→b,等温降压膨胀,内能不变,吸热等于对外做功。

b→c,等容升温升压,不做功,吸热等于内能增加。

c→a,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

O

V

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等容线(过0K点直线或通过t轴上一273.15℃的直线):

一定质量的理想气体,

a→b,等温降压膨胀,内能不变,吸热等于对外做功。

b→c,等容升温升压,不做功,吸热等于内能增加。

c→a,等压降温收缩,外界做功和放热等于内能减少。

等压线(过0K点直线或通过t轴上一273.15℃的直线):

一定质量的理想气体,

a→b,等温升压收缩,内能不变,外界做功等于放热。

b→c,等压升温膨胀,吸热和对外做功等于内能增加。

c→a,等容降温降压,不做功,内能减少等于放热。

1.(1)如图所示为两分子系统的势能E p与两分子间距离r的关系曲线。下列说法正确的是。

(C)当r由∞到r1变化变化过程中,分子间的作用力先变大再变小

(D)在r由r1变到r2的过程中,分子间的作用力做负功

(2)一定质量的理想气体压强p与体积V的关系图象如图,AB、BC分别与p轴、V轴平行,气体在状态A时温度为T0,则在状态C时的温度为;从状态A经状态B变化到状态C的过程中,气体对外界做功为W,内能增加了ΔU,则此过程中该气体吸收的热量为。

T

P

a

c

b

V2

V1

V

T

P

a

c

b

P2

P1

(3)已知潜水员在岸上和海底吸入空气的密度分别为1.3 kg/m 3和2.1 kg/m 3,空气的摩尔质量为0.029 kg/mol ,阿伏加德罗常数N A =6.02×1023 mol -1。若潜水员呼吸一次吸入2 L 空气,试估算潜水员在海底比在岸上每呼吸一次多吸入空气的分子数。(结果保留1位有效数字)

2. (1)下列说法中正确的是 ( ).

A .布朗运动就是分子的无规则运动

B .多晶体的物理性质表现为各向异性

C .只要外界对气体做了功,气体的内能就一定发生变化

D .物质由液态变为气态的过程中,分子势能增大

(2)一定质量的理想气体按如图所示过程变化,其

中bc 与V 轴平行,cd 与T 轴平行,则b →c 过程

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中气体的内能________(填“增加”、“减少”或

“不变”);气体的压强________(填“增加”、

“减少”或“不变”);表示等压变化过程的是

________(填“a →b ”、“b →c ”或“c →d ”).

(3)已知水的密度ρ=1.0×103 kg/m 3,摩尔质量M =1.8×10-2 kg/mol ,阿伏加德罗常数N A =6.0×1023mol -1,若把水分子看成正方体,将水分

子一个挨着一个排成L =3.0 m 长,需要水分子的数目是多少?(结果保留一位有效数字)

3. (1)下列说法中正确的是 ( ).

A .布朗运动的实质是液体分子的无规则运动

B .分子间距离增大时,分子间的引力和斥力都减小,它们的合

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力也减小

C .夏天荷叶上小水珠呈球形,是由于液体表面张力使其表面积

收缩的缘故

D .液晶既有液体的流动性,又有光学性质的各向异性

(2)如图所示,质量为M 的倒立的气缸和活塞(质量不计)封闭了一

定质量的理想气体.气缸和活塞间无摩擦.且均可与外界进行热

交换,气缸的横截面积为S .若在活塞下挂一质量为m 的重物,活塞缓慢下移h 高度,则此时被封闭的气体的压强为________.在该过程中,气体________(填“吸或“放出”)的热量为________.(已知大气压强为p 0)

(3)冬天到了,很多人用热水袋取暖.现有一中号热水袋,容积为1 000 cm3,

正常使用时,装水量为80%,请估算该热水袋中水分子的数目约为多少个.(计算结果保留1位有效数字,已知1 mol水的质量为18 g,水的密度取1.0×103 kg/m3,阿伏加德罗常数取6×1023 mol-1)

3.(1)科学家在“哥伦比亚”号航天飞机上进行了一次在微重力条件(即失重状态)下制造泡沫金属的实验.把锂、镁、铝、钛等轻金属放在一个石英瓶内,用太阳能将这些金属熔化成液体,然后在熔化的金属中充进氢气,使金属内产生大量气泡,金属冷凝后就形成到处是微孔的泡沫金属.下列说法中正确的是().

A.失重条件下液态金属呈现球状是由于液体表面分子间只存在引力作用B.失重条件下充入金属液体内的气体气泡不能无限地膨胀是因为液体表面张力的约束

C.在金属液体冷凝过程中,气泡收缩变小,外界对气体做功,气体内能增大D.泡沫金属物理性质各向同性,说明它是非晶体

(2)一定质量的理想气体的状态变化过程如图所示,A到B

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则B到C气体的温度________(填“升高”、“降低”或

“不变”);ABCA全过程气体从外界吸收的热量为Q,

则外界对气体做的功为________.

(3)已知食盐(NaCl)的密度为ρ,摩尔质量为M,阿伏加

德罗常数为N A,求:

①食盐分子的质量m;

②食盐分子的体积V0.

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