第十專題 物態(tài)變化

1、第十專題 物態(tài)變化第1頁，共22頁，2022年，5月20日，17點35分，星期一氣化需吸熱： 液體氣化時，要維持溫度不變，必須從外部熱源不斷向液體供給熱量. 對蒸發(fā)、沸騰均如此.氣化熱（L）定義：單位質(zhì)量的某種液體在溫度不變時，變成同溫度的飽和氣時所吸收的熱量.氣化熱也與溫度有關(guān)，同一液體物質(zhì)溫度越高氣化熱越小.一、對氣化熱“L”的完整準確認識解題知識與方法研究1、氣化熱（L）的用途構(gòu)成（1）一部分用于增大了物質(zhì)(液體變成氣體的部分）的分子勢能. 從而增大了物質(zhì) 的總內(nèi)能.（2）另部分用于氣化時體積增大而克服外部壓強對外做功.很多物質(zhì)的液體在不同溫度下的氣化熱（L）已通過量熱學實驗測得（可查知

2、）.比如，水在100時的氣化熱L=2.26106J/kg.第2頁，共22頁，2022年，5月20日，17點35分，星期一少量飽和氣（1）（2）（3）（4）討論1：下面四種情況單位質(zhì)量液體氣化的吸熱是否為L？第3頁，共22頁，2022年，5月20日，17點35分，星期一符合氣化熱(L)定義的氣化過程中，液體上方的氣體應(yīng)始終處于一定溫度下的“動態(tài)飽和狀態(tài)”.（1）（2）（4）（3）2、利用“L”計算氣化吸熱時氣體的狀態(tài)討論2： 下面四種情況單位質(zhì)量液體氣化的吸熱是否為L？測量“L”的實驗便是在這樣的條件下進行的！第4頁，共22頁，2022年，5月20日，17點35分，星期一水蒸汽的體積變大的過程可

3、視為一非絕熱的自由膨脹過程： 例1 容器里裝有少量的水，如果很快地抽出容器里的空氣，由于急劇地蒸發(fā)剩下的水全部凝結(jié)成了冰，問冰的質(zhì)量占原有水質(zhì)量的百分之幾？（水在0時的氣化熱是539cal/g，凝固熱是80cal/g）（1955年全國高考題，也常見于奧賽輔導資料） 由于題設(shè)過程是在短時間內(nèi)完畢的，所以這一物態(tài)變化可以認為是在絕熱條件下進行的. 水凝結(jié)成冰所放出的熱量等于另一部分水氣化所吸收的熱量即故原解（55年高考評分的參考解答）水蒸汽也未始終處于動態(tài)平衡.m1m2設(shè)凝固成冰的水的質(zhì)量為m1，氣化部分水的質(zhì)量為m2.則水蒸汽沒有對外做功；第5頁，共22頁，2022年，5月20日，17點35分，

4、星期一新解V 為質(zhì)量為m2的水氣化后的體積,設(shè)V為質(zhì)量為m2的水在液態(tài)時的體積,由克拉珀龍方程有而將此兩式以及L、 的數(shù)據(jù)（取國際單位）代入上式便得 而原解答的較精確的結(jié)果是： 百分比的變小意味著，按照新的解答較少的水凝固成冰放出的熱量可供較多的水蒸發(fā)時吸收. 在0的飽和蒸汽壓（p= 6.106102Pa）.p為水蒸汽故冰的質(zhì)量占原有水的百分比為則m1m2V、V 第6頁，共22頁，2022年，5月20日，17點35分，星期一若蒸發(fā)和凝固同時進行的過程剛結(jié)束水蒸氣達不到飽和狀態(tài)，需要補充什么條 件本題才能解？是否蒸發(fā)和凝固同時進行的過程剛結(jié)束時水蒸汽必定能達到的飽和狀態(tài)？在什么情況下蒸發(fā)和凝固同

5、時進行的過程剛結(jié)束水蒸氣會不能達到飽和狀態(tài)？ 若蒸發(fā)和凝固同時進行的過程剛結(jié)束水蒸氣達不到飽和狀態(tài)，本題還可解嗎？題后思考若蒸發(fā)和凝固同時進行的過程剛結(jié)束水蒸氣達不到飽和狀態(tài)，以后將發(fā)生什么 現(xiàn)象？m1m2m1m2真空第7頁，共22頁，2022年，5月20日，17點35分，星期一 例2 在密閉的容器中盛有100的飽和水氣和少量水，水氣質(zhì)量為100g, 水的質(zhì)量為1g. 試問： （1）要將容器加熱到多少度，才能使容器中的水全部氣化？ （2）這個過程要供給容器多少熱量？ （設(shè)溫度每升高1度，水的飽和氣壓增加3.7103Pa, 水在100 的氣化熱L=2.26106J/kg，水氣的等容比熱容cV=1

6、.38J/kg.K）原解如圖，對加熱前的飽和水蒸汽，由氣態(tài)方程有水剛好蒸發(fā)完時，設(shè)容器內(nèi)的飽和水蒸汽溫度升高 ，則壓強的增大量（式中 ）對此時容器中的飽和水蒸汽，由氣態(tài)方程有由、解得T0T0+T第8頁，共22頁，2022年，5月20日，17點35分，星期一代入已知數(shù)據(jù)，算得容器最后的溫度為另一部分是使質(zhì)量（100g+1g）、溫度100的水蒸汽等容升溫0.29K所需的熱量. 代入已知數(shù)據(jù)，算得新解所以所需的熱量可分為兩部分：一部分是使質(zhì)量1g、溫度100的水氣化成100的水蒸汽的所需熱量，（1）同原解. 第9頁，共22頁，2022年，5月20日，17點35分，星期一 設(shè)想原容器為圓柱形，容器中的

7、水氣及水被可沿容器無摩擦自由滑動的活塞密封，水氣的壓強可通過增減活塞上疊放的小砝碼進行調(diào)控如圖圖1圖2 首先，讓容器從外部緩慢吸熱，活塞緩慢上升，使容器中的飽和水氣保持壓強為 、溫度為 不變，至容器中的水全部氣化為止，如圖2. 系統(tǒng)對外做功為 此過程結(jié)束時，容器中的水蒸氣仍為飽和氣 如圖3. 接著，固定活塞，讓水蒸氣進一步等容吸熱，使其溫度升高到 圖3在此過程中系統(tǒng)吸熱為在此過程中系統(tǒng)吸熱為此過程結(jié)束時，容器中水蒸氣變?yōu)槲达柡蜌猓?）第10頁，共22頁，2022年，5月20日，17點35分，星期一 在這一過程中，外部對氣體做功為 ，與此同時系統(tǒng)向外放熱為此過程結(jié)束后，系統(tǒng)的內(nèi)能并不改變. 經(jīng)過

8、上述設(shè)想的三個過程后，系統(tǒng)所處的狀態(tài)與其經(jīng)過原題所述的過程之后的狀態(tài)是完全相同的，其內(nèi)能的變化也是相同的. 對系統(tǒng)所經(jīng)歷的設(shè)想的三個過程，由熱力學第一定律有 對系統(tǒng)所經(jīng)歷的原題所述的過程，由熱力學第一定律有圖4 進而緩慢下壓活塞，同時讓容器向外部緩慢放熱，以保持容器中的水蒸氣溫度為T不變，至容器中水蒸氣變?yōu)轱柡蜌鉃橹?，如圖4. 蒸氣的壓強變?yōu)榇藭r，水第11頁，共22頁，2022年，5月20日，17點35分，星期一所以，系統(tǒng)經(jīng)歷原題所述的過程需吸收的熱量為 代入已知數(shù)據(jù)，算得 繞了這么大一個彎子，設(shè)想了這么多的輔助過程，就是為了正確利用水的汽化熱L來進行計算.試將題述的過程視為無限多的等溫吸熱過

9、程（每一過 程間的溫度不等）所組成，由此計算吸熱.原解答錯在何處？題后總結(jié)與思考第12頁，共22頁，2022年，5月20日，17點35分，星期一 例3 體積V=6.010-3m3的絕熱密封容器內(nèi)盛有溫度T1=393K的飽和水蒸氣，飽和蒸氣壓p1=1.96105Pa. 今向容器內(nèi)噴入溫度T=283K 的一定質(zhì)量的水后，容器內(nèi)溫度降至T2=373K ，而飽和蒸氣壓也降至p2=9.81104Pa.已知水的比熱c=4.186103J/(kg.K) , 水蒸汽的摩爾定容熱容CV=3R， T2、p2時的汽化熱L=2.26106J. 試問此過程中有多少質(zhì)量的原水蒸氣凝結(jié)成水？ 設(shè)開始時容器內(nèi)飽和水蒸氣質(zhì)量為

10、M，噴進的水質(zhì)量為m，有質(zhì)量為M的原水蒸氣凝結(jié)為水，解則系統(tǒng)在初、末兩態(tài)時，由氣態(tài)方程有又設(shè)水在T2的比容為v（近似取為 ). 進一步研究容器中的熱量轉(zhuǎn)移熱力學過程如圖所示.最后容器中的蒸氣質(zhì)量為（MM），水的質(zhì)量為（m+M）. 第13頁，共22頁，2022年，5月20日，17點35分，星期一 一方面，質(zhì)量為M、溫度為T1的水蒸氣放熱降溫為質(zhì)量為M的水和質(zhì)量為（M- M）的水蒸氣. 另方面，質(zhì)量為m、溫度為T的水吸熱: .所放出的熱量視為兩部分：質(zhì)量為M的水蒸氣先等容降溫至T2而放熱：其中質(zhì)量為M的部分水蒸氣繼而等溫凝結(jié)成水而放熱：式解出M，代入、式，再消去m，便可解得 代入已知數(shù)據(jù)，算得參考

11、文獻：李衛(wèi)平、王志紅等. 應(yīng)該如何計算溫度變化時的“液氣”相變吸（放）熱. 物理教師. 2009（1）. 思考研究錯在何處，請分析；做出正確解答.所以有第14頁，共22頁，2022年，5月20日，17點35分，星期一又是一個判斷移動情況的問題！與上一個有些不同哦！假定水銀柱不動，看上、下氣體的壓強變化誰大誰??？ 例1 兩端封閉、粗細均勻的石英管豎直放置，如圖. 管內(nèi)有一段水銀柱，水銀柱下方為空氣，上方為一種可分解的雙原子分子氣體. 此種雙原子分子氣體的性質(zhì)為：當TT0時，它的分子開始分解為單原子分子，用n0表示T0時的雙原子分子數(shù)，n表示( T0+T )時分解了的雙原子分子數(shù). 其分解規(guī)律為當T很小時，有如下的關(guān)系： 已知初始溫度為T0, 此時下方的氣柱長為2l0 , 上方的氣柱長為l0, 水銀柱產(chǎn)生的壓強為下方氣體的壓強p0的 倍（0 L0)的話，可以一直緩緩注入水銀而不溢出嗎？能不能計算出此時管子至少的長度L0應(yīng)為多少？而對活塞下方的所有氣體，由狀態(tài)方程知其壓強為管的長度L0需滿足使得活塞上方的壓強為第19頁，共22頁，2022年，5月20日，17點35分，星期一固定活塞降低溫度將使管內(nèi)凝結(jié)出少量的水(體積