第 7 章　熱學(xué)知識(shí)

1、我們?cè)诔踔幸呀?jīng)學(xué)過(guò)，物體是由大量分子組成的。據(jù)估算，1 cm3的空氣中有1022 1023 個(gè)分子，這可是一個(gè)驚人的數(shù)字。實(shí)驗(yàn)表明，若把分子看成球形，它的直徑大約是10-10m?？梢?jiàn)，分子是極其微小的。不但用肉眼無(wú)法直接看到它們，就是用高倍光學(xué)顯微鏡也看不到。實(shí)驗(yàn)表明，不同物質(zhì)相互接觸時(shí)，能夠彼此進(jìn)入對(duì)方。物理學(xué)中，把這種現(xiàn)象叫作擴(kuò)散擴(kuò)散。實(shí)驗(yàn)表明，懸浮微粒在不停地做無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，這是1827 年英國(guó)植物學(xué)家布朗用顯微鏡觀察懸浮在水中的花粉時(shí)發(fā)現(xiàn)的。于是，人們就把懸浮微粒的這種運(yùn)動(dòng)叫作布朗運(yùn)動(dòng)布朗運(yùn)動(dòng)。上述擴(kuò)散現(xiàn)象和布朗運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)表明，一切物質(zhì)的分子都在一刻不停地做無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，溫度越高，運(yùn)動(dòng)越劇烈

2、。 我們把這種運(yùn)動(dòng)叫作熱運(yùn)動(dòng)熱運(yùn)動(dòng)。物體是由分子組成的，分子在永不停息地做無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)，這說(shuō)明分子間是有間隙的。研究表明，分子間同時(shí)存在吸引力和排斥力，它們的大小都與分子間的距離有關(guān)。當(dāng)分子間距離較小時(shí)，排斥力大于吸引力，對(duì)外表現(xiàn)為斥力；當(dāng)分子間距離較大時(shí)，吸引力大于排斥力，對(duì)外表現(xiàn)為引力；當(dāng)分子間距離恰當(dāng)時(shí)，吸引力等于排斥力，對(duì)外表現(xiàn)為分子力為零。分子不停地做無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)并發(fā)生相互作用，決定著物質(zhì)的三種基本形態(tài)：固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)。物體是由大量分子組成的，分子在做永不停息的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，分子之間存在引力和斥力。一、分子動(dòng)能溫度一、分子動(dòng)能溫度物體中分子運(yùn)動(dòng)速率有大有小，因此，各個(gè)分子的動(dòng)能也不相同

3、。但是在熱現(xiàn)象研究中，我們所關(guān)注的是物體里所有分子的動(dòng)能平均值分子的動(dòng)能平均值，這個(gè)平均值叫作分子的平均動(dòng)能。溫度越高，分子熱運(yùn)動(dòng)越劇烈，分子的平均動(dòng)能就越大。實(shí)際上，溫度是物體分子熱運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能的標(biāo)志。要確定物體的溫度高低，必須有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，即溫標(biāo)。常見(jiàn)的溫標(biāo)有兩種：攝氏溫標(biāo)和熱力學(xué)溫標(biāo)。攝氏溫度用t 表示，單位是（攝氏度）；熱力學(xué)溫度用T 表示，單位是K（開(kāi)爾文），它是國(guó)際單位制中的七個(gè)基本量之一。熱力學(xué)溫度和攝氏溫度之間的數(shù)量關(guān)系是T=t+273例如，攝氏溫度為t=0，用熱力學(xué)溫度表示為T=273 K；熱力學(xué)溫度為T=0 K，用攝氏溫度表示為t=-273。二、分子勢(shì)能二、分子勢(shì)能除了動(dòng)能

4、，分子間也存在勢(shì)能。分子間存在相互作用力，從而具有與其相對(duì)位置有關(guān)的能量，即分子勢(shì)能分子勢(shì)能。物體體積改變時(shí)，分子間距離改變，分子勢(shì)能也發(fā)生改變?？梢?jiàn)，分子勢(shì)能與物體體積有關(guān)。三、內(nèi)能三、內(nèi)能分子具有動(dòng)能和勢(shì)能，我們把物體中所有分子的動(dòng)能和勢(shì)能的總和叫作物體的內(nèi)能。一切物體都是由做無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)且相互作用的分子組成，因此任何物體都具有內(nèi)能。由于分子平均動(dòng)能與溫度有關(guān)，分子勢(shì)能與體積有關(guān)，因此，物體內(nèi)能與溫度和體積都有關(guān)系。溫度升高時(shí)，分子動(dòng)能增加，物體內(nèi)能也增加。體積變化時(shí)，分子勢(shì)能發(fā)生變化，物體內(nèi)能也發(fā)生變化。一、改變內(nèi)能的兩種方式一、改變內(nèi)能的兩種方式做功能夠改變物體的內(nèi)能。熱傳遞是改變物體

5、內(nèi)能的又一種方式。二、熱力學(xué)第一定律二、熱力學(xué)第一定律設(shè)外界對(duì)物體做功為W，外界傳遞給物體的熱量為Q，物體內(nèi)能的改變量為U，則U=Q+W上式可表述為：物體內(nèi)能的改變量等于外界傳遞給物體的熱量和外界對(duì)物體做功的和。這一關(guān)于做功、熱量及內(nèi)能三者關(guān)系的表述就是熱力熱力學(xué)第一定律學(xué)第一定律。若外界對(duì)物體做功，W0，W 取正號(hào)；物體對(duì)外界做功，W0，Q 取正號(hào)；物體向外界放熱，Q0，U 取正號(hào)；物體內(nèi)能減小，U0，U 取負(fù)號(hào)。三、能量守恒定律三、能量守恒定律熱力學(xué)第一定律告訴我們，做功和熱傳遞提供給物體多少能量，物體內(nèi)能就增加多少，能量在轉(zhuǎn)化過(guò)程中守恒。除了機(jī)械能，其他形式的能也可以與內(nèi)能相互轉(zhuǎn)化。例如

6、通電后導(dǎo)線發(fā)熱，電能轉(zhuǎn)化成熱能。干電池供電時(shí)，化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能，電能轉(zhuǎn)化成熱能等其他形式的能。大量事實(shí)證明，各種形式的能都可以相互轉(zhuǎn)化，并且在轉(zhuǎn)化過(guò)程中守恒。能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生，也不會(huì)憑空消失。它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為別的形式，或者從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到別的物體。在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移過(guò)程中，其總量不變。這就是能量守恒定律能量守恒定律。一、晶體非晶體一、晶體非晶體固體可分為晶體和非晶體兩類。常見(jiàn)的固態(tài)物質(zhì)中，石英、云母、食鹽、糖、味精等都是晶體，玻璃、松香、橡膠、瀝青等都是非晶體。晶體具有規(guī)則的幾何形狀。如圖所示，食鹽晶體為立方體，石英晶體中部呈六棱柱，兩頭呈六棱錐，明礬晶體為正八面體。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，熔化了的石

7、蠟在云母片上呈橢圓形，而在玻璃上呈圓形。上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表明，云母在不同方向上的導(dǎo)熱性能各不相同，而玻璃在不同方向上的導(dǎo)熱性能相同。應(yīng)當(dāng)明確地認(rèn)識(shí)到，晶體的一些物理性質(zhì)表現(xiàn)為各向異性，而非晶體的物理性質(zhì)表現(xiàn)為各向同性。二、單晶體多晶體二、單晶體多晶體晶體可分為單晶體和多晶體兩種。如果整個(gè)物體就是一個(gè)晶體的話，就叫作單晶體單晶體，如食鹽小顆粒、天然水晶等。通常所說(shuō)的晶體一般是指單晶體。單晶體是科學(xué)技術(shù)中的重要原材料，如制造晶體管所使用的單晶硅或單晶鍺。如果整個(gè)物體是由許多雜亂無(wú)章排列著的小晶體組成的，這樣的物體叫作多晶體多晶體，如常見(jiàn)的金屬、許多小顆粒粘在一起的食鹽塊等。與非晶體一樣，多晶體不顯示各

8、向異性，但與晶體一樣，有確定的熔點(diǎn)。三、液體三、液體液體不像固體那樣具有一定的形狀，而且液體能夠流動(dòng)。這說(shuō)明液體分子間的相互作用力要比固體分子間的作用力小。由于液體分子的移動(dòng)比固體分子的移動(dòng)更容易，所以在溫度相同的情況下，液體的擴(kuò)散速度要比固體的擴(kuò)散速度快。四、液晶四、液晶一些有機(jī)化合物在一定溫度下呈現(xiàn)出介于固體和液體之間的中間狀態(tài)。這種狀態(tài)下的物質(zhì)，一方面像液體，具有流動(dòng)性；另一方面又像晶體，分子在特定方向排列整齊，顯示各向異性。人們把這種物質(zhì)的狀態(tài)叫作液晶態(tài)，把處于這種狀態(tài)下的物質(zhì)叫作液晶液晶。如圖所示為固態(tài)、液晶態(tài)、液態(tài)的分子排列示意圖。液晶分子的排列是不穩(wěn)定的，當(dāng)外界電場(chǎng)、磁場(chǎng)、溫度、壓力等發(fā)生變化時(shí)，液晶分子的排列也會(huì)發(fā)生變化，從而改變液晶的某些性質(zhì)。有一種液晶對(duì)電壓很敏感。在很小的電壓下，會(huì)由透明狀態(tài)變?yōu)榛鞚釥顟B(tài)，去掉電壓，又恢復(fù)透明。常見(jiàn)的電子手表、電子計(jì)算器、計(jì)算機(jī)、電