07物理競(jìng)賽講義-熱學(xué)

07物理競(jìng)賽講義——熱學(xué)LtD奧賽培訓(xùn)講義《熱學(xué)》PAGEPAGE4第七部分熱學(xué)熱學(xué)知識(shí)在奧賽中的要求不以深度見(jiàn)長(zhǎng)，但知識(shí)點(diǎn)卻非常地多（考綱中羅列的知識(shí)點(diǎn)幾乎和整個(gè)力學(xué)——前五部分——的知識(shí)點(diǎn)數(shù)目相等）。而且，由于高考要求對(duì)熱學(xué)的要求逐年降低（本屆尤其低得“離譜”，連理想氣體狀態(tài)方程都沒(méi)有了），這就客觀上給奧賽培訓(xùn)增加了負(fù)擔(dān)。因此，本部分只能采新授課的培訓(xùn)模式，將知識(shí)點(diǎn)和例題講解及時(shí)地結(jié)合，爭(zhēng)取讓學(xué)員學(xué)一點(diǎn)，就領(lǐng)會(huì)一點(diǎn)、鞏固一點(diǎn)，然后再層疊式地往前推進(jìn)。一、分子動(dòng)理論1、物質(zhì)是由大量分子組成的（注意分子體積和分子所占據(jù)空間的區(qū)別）對(duì)于分子（單原子分子）間距的計(jì)算，氣體和液體可直接用，對(duì)固體，則與分子的空間排列（晶體的點(diǎn)陣）有關(guān)。N表示分子總數(shù)）極大時(shí)的速率，vP==；平均速率：所有分子速率的算術(shù)平均值，==；方均根速率：與分子平均動(dòng)能密切相關(guān)的一個(gè)速率，==〔其中R為普適氣體恒量，R=8.31J/(mol.K)。k為玻耳茲曼常量，k==1.38×10－23J/K〕【例題2】證明理想氣體的壓強(qiáng)P=n，其中n為分子數(shù)密度，為氣體分子平均動(dòng)能?！咀C明】氣體的壓強(qiáng)即單位面積容器壁所承受的分子的撞擊力，這里可以設(shè)理想氣體被封閉在一個(gè)邊長(zhǎng)為a的立方體容器中，如圖6-3所示?？疾閥oz平面的一個(gè)容器壁，P=①設(shè)想在Δt時(shí)間內(nèi)，有Nx個(gè)分子（設(shè)質(zhì)量為m）沿x方向以恒定的速率vx碰撞該容器壁，且碰后原速率彈回，則根據(jù)動(dòng)量定理，容器壁承受的壓力F==②在氣體的實(shí)際狀況中，如何尋求Nx和vx呢？考查某一個(gè)分子的運(yùn)動(dòng)，設(shè)它的速度為v，它沿x、y、z三個(gè)方向分解后，滿足v2=++分子運(yùn)動(dòng)雖然是雜亂無(wú)章的，但仍具有“偶然無(wú)序和統(tǒng)計(jì)有序”的規(guī)律，即=++=3③這就解決了vx的問(wèn)題。另外，從速度的分解不難理解，每一個(gè)分子都有機(jī)會(huì)均等的碰撞3個(gè)容器壁的可能。設(shè)Δt=，則Nx=·3N總=na3④注意，這里的是指有6個(gè)容器壁需要碰撞，而它們被碰的幾率是均等的。結(jié)合①②③④式不難證明題設(shè)結(jié)論?！妓伎肌酱祟}有沒(méi)有更簡(jiǎn)便的處理方法？〖答案〗有?！懊睢彼蟹肿右韵嗤乃俾蕍沿+x、?x、+y、?y、+z、?z這6個(gè)方向運(yùn)動(dòng)（這樣造成的宏觀效果和“雜亂無(wú)章”地運(yùn)動(dòng)時(shí)是一樣的），則Nx=N總=na3；而且vx=v所以，P====nm=n3、分子間存在相互作用力（注意分子斥力和氣體分子碰撞作用力的區(qū)別），而且引力和斥力同時(shí)存在，宏觀上感受到的是其合效果。分子力是保守力，分子間距改變時(shí)，分子力做的功可以用分子勢(shì)能的變化表示，分子勢(shì)能EP隨分子間距的變化關(guān)系如圖6-4所示。分子勢(shì)能和動(dòng)能的總和稱(chēng)為物體的內(nèi)能。二、熱現(xiàn)象和基本熱力學(xué)定律1、平衡態(tài)、狀態(tài)參量a、凡是與溫度有關(guān)的現(xiàn)象均稱(chēng)為熱現(xiàn)象，熱學(xué)是研究熱現(xiàn)象的科學(xué)。熱學(xué)研究的對(duì)象都是有大量分子組成的宏觀物體，通稱(chēng)為熱力學(xué)系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱(chēng)系統(tǒng)）。當(dāng)系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)不再隨時(shí)間變化時(shí)，這樣的狀態(tài)稱(chēng)為平衡態(tài)。b、系統(tǒng)處于平衡態(tài)時(shí)，所有宏觀量都具有確定的值，這些確定的值稱(chēng)為狀態(tài)參量（描述氣體的狀態(tài)參量就是P、V和T）。c、熱力學(xué)第零定律（溫度存在定律）：若兩個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)中的任何一個(gè)系統(tǒng)都和第三個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)，那么，這兩個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)也必定處于熱平衡。這個(gè)定律反映出：處在同一熱平衡狀態(tài)的所有的熱力學(xué)系統(tǒng)都具有一個(gè)共同的宏觀特征，這一特征是由這些互為熱平衡系統(tǒng)的狀態(tài)所決定的一個(gè)數(shù)值相等的狀態(tài)函數(shù)，這個(gè)狀態(tài)函數(shù)被定義為溫度。2、溫度a、溫度即物體的冷熱程度，溫度的數(shù)值表示法稱(chēng)為溫標(biāo)。典型的溫標(biāo)有攝氏溫標(biāo)t、華氏溫標(biāo)F（F=t+32）和熱力學(xué)溫標(biāo)T（T=t+273.15）。b、（理想）氣體溫度的微觀解釋?zhuān)?kT（i為分子的自由度=平動(dòng)自由度t+轉(zhuǎn)動(dòng)自由度r+振動(dòng)自由度s。對(duì)單原子分子i=3，“剛性”〈忽略振動(dòng)，s=0，但r=2〉雙原子分子i=5。對(duì)于三個(gè)或三個(gè)以上的多原子分子，i=6。能量按自由度是均分的），所以說(shuō)溫度是物質(zhì)分子平均動(dòng)能的標(biāo)志。c、熱力學(xué)第三定律：熱力學(xué)零度不可能達(dá)到。（結(jié)合分子動(dòng)理論的觀點(diǎn)2和溫度的微觀解釋很好理解。）3、熱力學(xué)過(guò)程a、熱傳遞。熱傳遞有三種方式：傳導(dǎo)（對(duì)長(zhǎng)L、橫截面積S的柱體，Q=KSΔt）、對(duì)流和輻射（黑體表面輻射功率J=αT4）b、熱膨脹。線膨脹Δl=αl0Δt【例題3】如圖6-5所示，溫度為0℃時(shí)，兩根長(zhǎng)度均為L(zhǎng)的、均勻的不同金屬棒，密度分別為ρ1和ρ2，現(xiàn)膨脹系數(shù)分別為α1和α2，它們的一端粘合在一起并從A點(diǎn)懸掛在天花板上，恰好能水平靜止。若溫度升高到t℃，仍需它們水平靜止平衡，則懸點(diǎn)應(yīng)該如何調(diào)整？【解說(shuō)】設(shè)A點(diǎn)距離粘合端x，則ρ1（?x）=ρ2（+x），得：x=設(shè)膨脹后的長(zhǎng)度分別為L(zhǎng)1和L2，而且密度近似處理為不變，則同理有ρ1（?x′）=ρ2（+x′），得：x′=另有線膨脹公式，有L1=L（1+α1t），L2=L（1+α2t）最后，設(shè)調(diào)整后的懸點(diǎn)為B，則=x′?x【答案】新懸點(diǎn)和原來(lái)的懸點(diǎn)之間相距Lt?！颊f(shuō)明〗如果考慮到密度變化的實(shí)際情況ρ1′=ρ1、ρ2′=ρ2，此題仍然是可解的，但最后的結(jié)果卻復(fù)雜得多…c、系統(tǒng)由一個(gè)平衡態(tài)變化到另一個(gè)平衡態(tài)，即構(gòu)成一個(gè)熱力學(xué)過(guò)程。特殊的熱力學(xué)過(guò)程有等壓過(guò)程、等溫過(guò)程、等容過(guò)程、絕熱過(guò)程和自由膨脹等。準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程：如果變化過(guò)程相對(duì)緩慢，則過(guò)程的每一個(gè)狀態(tài)可視為平衡態(tài)，這樣的過(guò)程也稱(chēng)為準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程。循環(huán)：如果系統(tǒng)經(jīng)過(guò)一系列的變化后，又回到原來(lái)的平衡態(tài)，我們成這個(gè)過(guò)程為循環(huán)。d、熱力學(xué)第一定律：外界對(duì)系統(tǒng)所做的功W和系統(tǒng)從外界吸收熱量Q之和，等于系統(tǒng)內(nèi)能的增量ΔE，即ΔE=Q+W。熱力學(xué)第一定律是能量守恒定律在熱力學(xué)過(guò)程中的具體體現(xiàn)。e、熱力學(xué)第二定律：克勞修斯表述（克勞修斯在1850年提出）：熱量總是自動(dòng)的從高溫物體傳到低溫物體，不可能自動(dòng)地由低溫物體向高溫物體傳遞。開(kāi)爾文表述（開(kāi)爾文在1851年提出）：不存在這樣一種循環(huán)過(guò)程，系統(tǒng)從單一熱源吸取熱量，使之完全變?yōu)橛杏霉Χ划a(chǎn)生其他影響。違背熱力學(xué)第二定律并不違背能量守恒，它所展示的是熱力學(xué)過(guò)程的不可逆性——即自發(fā)的熱力學(xué)過(guò)程只會(huì)朝著混亂程度（熵）增大的方向發(fā)展。三、理想氣體1、氣體實(shí)驗(yàn)三定律在壓強(qiáng)不太大，溫度不太低的條件下，氣體的狀態(tài)變化遵從以下三個(gè)實(shí)驗(yàn)定律a、玻意耳-馬略特定律：一定質(zhì)量氣體溫度不變時(shí)，P1V1=P2V2或PV=恒量b、查理定律：一定質(zhì)量氣體體積不變時(shí)，=或=恒量c、蓋·呂薩克定律：一定質(zhì)量氣體壓強(qiáng)不變時(shí)，=或=恒量【例題4】如圖6-6所示，一端封閉、內(nèi)徑均勻的玻璃管長(zhǎng)L=100cm，其中有一段長(zhǎng)L′=15cm的水銀柱把一部分空氣封閉在管中。當(dāng)管水平放置時(shí)，封閉氣柱A長(zhǎng)LA=40cm?，F(xiàn)把管緩慢旋轉(zhuǎn)至豎直后，在把開(kāi)口端向下插入水銀槽中，直至A端氣柱長(zhǎng)=37.5cm為止，這時(shí)系統(tǒng)處于靜止平衡。已知大氣壓強(qiáng)P0=75cmHg，過(guò)程溫度不變，試求槽內(nèi)水銀進(jìn)入管內(nèi)的水銀柱的長(zhǎng)度h?！窘庹f(shuō)】在全過(guò)程中，只有A部分的氣體質(zhì)量是不變的，B部分氣體則只在管子豎直后質(zhì)量才不變。所以有必要分過(guò)程解本題。過(guò)程一：玻管旋轉(zhuǎn)至豎直A部分氣體，LA′=LA=×40=50cm此時(shí)B端氣柱長(zhǎng)LB′=L?LA′?L′=100?50?15=35cm過(guò)程二：玻管出入水銀槽A部分氣體（可針對(duì)全程，也可針對(duì)過(guò)程二），==×60=80cmHgB部分氣體，===×35≈27.6cm最后，h=L-?L′?【答案】19.9cm。2、理想氣體宏觀定義：嚴(yán)格遵守氣體實(shí)驗(yàn)定律的氣體。微觀特征：a、分子本身的大小比起它們的間距可以忽略，分子不計(jì)重力勢(shì)能；b、除了短暫的碰撞過(guò)程外，分子間的相互作用可以忽略——意味著不計(jì)分子勢(shì)能；c、分子間的碰撞完全是彈性的。*理想氣體是一種理想模型，是實(shí)際氣體在某些條件約束下的近似，如果這些條件不滿足，我們稱(chēng)之為實(shí)際氣體，如果條件滿足不是很好，我們還可以用其它的模型去歸納，如范德瓦爾斯氣體、昂尼斯氣體等。理想氣體壓強(qiáng)的微觀解釋?zhuān)篜=n，其中n為分子數(shù)密度（n=）。3、理想氣體狀態(tài)方程：一定質(zhì)量的理想氣體，=或=恒量理想氣體狀態(tài)方程可以由三個(gè)試驗(yàn)定律推出，也可以由理想氣體的壓強(qiáng)微觀解釋和溫度微觀解釋推導(dǎo)得出?！纠}5】如圖6-7所示，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，一端封閉的玻璃管長(zhǎng)96cm，內(nèi)有一段長(zhǎng)20cm的水銀柱，當(dāng)溫度為27℃且管口向上豎直放置時(shí)，被封閉的氣柱長(zhǎng)為60cm。試問(wèn)：當(dāng)溫度至少升高到多少度，水銀柱才會(huì)從玻璃管中全部溢出？【解說(shuō)】首先應(yīng)該明確的是，這是一個(gè)只有唯一解的問(wèn)題還是一個(gè)存在范圍討論的問(wèn)題。如果是前一種可能，似乎應(yīng)該這樣解：=，即=，得：T2=380K但是，仔細(xì)研究一下升溫氣體膨脹的全過(guò)程，就會(huì)發(fā)現(xiàn)，在某些區(qū)域，準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程是不可能達(dá)成的，因此狀態(tài)方程的應(yīng)用失去意義。為了研究準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程是否可能達(dá)成，我們可以假定水銀柱是受到某種制約而準(zhǔn)靜態(tài)膨脹的，這樣，氣柱的壓強(qiáng)只受玻馬定律制約（而與外界大氣壓、水銀柱長(zhǎng)沒(méi)有關(guān)系），設(shè)為P。而對(duì)于一般的末狀態(tài)，水銀柱在管中剩下的長(zhǎng)度設(shè)為x。從初態(tài)到這個(gè)一般的末態(tài)=，即=，得P=隔離水銀柱下面的液面分析，可知P≤76+x時(shí)準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程能夠達(dá)成（P可以隨升溫而增大，直至不等式取等號(hào)），而P＞76+x時(shí)準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程無(wú)法達(dá)成（T升高時(shí)，P增大而x減?。?，水銀自動(dòng)溢出。所以，自動(dòng)溢出的條件是：T＞（－x2+20x+7296）考查函數(shù)y=（－x2+20x+7296）發(fā)現(xiàn)，當(dāng)x=10cm時(shí)，ymax=385.2K而前面求出的x=0時(shí)，T只有380K，說(shuō)明后階段無(wú)須升溫，即是自動(dòng)溢出過(guò)程（參照?qǐng)D6-8理解）。而T＞ymax即是題意所求。【答案】385.2K。a、推論1：=，此結(jié)論成功地突破了“質(zhì)量一定”的條件約束，對(duì)解某些特殊問(wèn)題非常有效。b、克拉珀龍方程：原方程中，將“恒量”定量表達(dá)出來(lái)就成為PV=RT，其中為氣體的摩爾數(shù)，這個(gè)結(jié)論被成為克拉珀龍方程。它的優(yōu)點(diǎn)是能使本來(lái)針對(duì)過(guò)程適用的方程可以應(yīng)用到某個(gè)單一的狀態(tài)。c、推論2：氣體混合（或分開(kāi)）時(shí)，++…+，這個(gè)推論很容易由克拉珀龍方程導(dǎo)出?！纠}6】圖6-9是一種測(cè)量低溫用的氣體溫度計(jì)，它的下端是測(cè)溫泡A，上端是壓力計(jì)B，兩者通過(guò)絕熱毛細(xì)管相連，毛細(xì)管容積不計(jì)。操作時(shí)先把測(cè)溫計(jì)在室溫T0下充氣至大氣壓P0，然后加以密封，再將A浸入待測(cè)液體中，當(dāng)A和待測(cè)液體達(dá)到熱平衡后，B的讀數(shù)為P，已知A和B的容積分別為VA和VB，試求待測(cè)液體的溫度?！窘庹f(shuō)】本題是“推論2”的直接應(yīng)用=+【答案】TA=【例題7】圖6-10所示是一定質(zhì)量理想氣體狀態(tài)變化所經(jīng)歷的P-T圖線，該圖線是以C點(diǎn)為圓心的圓。P軸則C點(diǎn)的縱坐標(biāo)PC為單位（T軸以TC為單位）。若已知在此過(guò)程中氣體所經(jīng)歷的最低溫度為T(mén)0，則在此過(guò)程中，氣體密度的最大值ρ1和最小值ρ2之比ρ1/ρ2應(yīng)等于多少？【解說(shuō)】本題物理知識(shí)甚簡(jiǎn)，應(yīng)用“推論1”即可。===此式表明，越大時(shí)，ρ就越大。故本題歸結(jié)為求的極大值和極小值。方法一：P與T的關(guān)系服從圓的方程（參數(shù)方程為佳）T=Tc+rcosθP=PC+rsinθ引入y==，然后求這個(gè)函數(shù)的極值…方法二：見(jiàn)圖6-11，從的幾何意義可知，等于狀態(tài)點(diǎn)到原點(diǎn)的連線與T軸夾角的正切值，求的極大和極小歸結(jié)為求這個(gè)正切值的極大和極小——很顯然，當(dāng)直線與圓周的兩處相切時(shí)，出現(xiàn)了這樣的極大和極小值。θmax=α+β，θmin=α?β而tgα=sinβ=tgβ=（注意：依題意，r=TC?T0）所以tgθmax==tgθmin==【答案】〔〕/〔〕。d、道爾頓分壓定律：當(dāng)有n種混合氣體混合在一個(gè)容器中時(shí)，它們產(chǎn)生的壓強(qiáng)等于每一種氣體單獨(dú)充在這個(gè)容器中時(shí)所產(chǎn)生的壓強(qiáng)之和。即P=P1+P2+P3+…+Pn4、理想氣體的內(nèi)能、做功與吸放熱計(jì)算a、理想氣體的內(nèi)能計(jì)算由于不計(jì)分子勢(shì)能，故E=N·=NkT=NT=RT，其中N為分子總數(shù)，為氣體的摩爾數(shù)。由于（對(duì)一定量的氣體）內(nèi)能是溫度的單值函數(shù)，故內(nèi)能的變化與過(guò)程完全沒(méi)有關(guān)系。b、理想氣體的做功計(jì)算氣體在狀態(tài)變化時(shí)，其壓強(qiáng)完全可以是變化的，所以氣體壓力的功從定義角度尋求比較困難。但我們可以從等壓過(guò)程的功外推到變壓過(guò)程的功（☆無(wú)限分割→代數(shù)累計(jì)…），并最終得出這樣一個(gè)非常實(shí)用的結(jié)論：準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程理想氣體的功W總是對(duì)應(yīng)P-V圖象中的“面積”。這個(gè)面積的理解分三層意思——①如果體積是縮小的，外界對(duì)氣體做功，面積計(jì)為正；②如果體積是增大的，氣體對(duì)外界做功，面積計(jì)為負(fù)；③如果體積參量變化不是單調(diào)的（例如循環(huán)過(guò)程），則面積應(yīng)計(jì)相應(yīng)的差值。如圖6-3所示。（☆學(xué)員思考：氣體膨脹是不是一定對(duì)外做功？…）c、吸放熱的計(jì)算初中所學(xué)的通式Q=cmΔT仍適用，但值得注意的是，對(duì)固體和液體而言，比熱容c基本恒定（和材料相關(guān)），但對(duì)氣體而言，c會(huì)隨著過(guò)程的不同而不同。對(duì)理想氣體，我們一般引進(jìn)“摩爾熱容”C（從克拉珀龍方程知，我們關(guān)心氣體的摩爾數(shù)更甚于關(guān)心氣體的質(zhì)量），物理意義：1摩爾物質(zhì)溫度每升高1K所吸收的熱量。摩爾熱容和比熱容的關(guān)系C=。①等容過(guò)程的摩爾熱容稱(chēng)為“定容摩爾熱容”，用CV表示，所以Q=CVΔT②等壓過(guò)程的摩爾熱容稱(chēng)為“定壓摩爾熱容”，用CP表示，所以Q=CPΔT對(duì)于其它的復(fù)雜過(guò)程而言，摩爾熱容的表達(dá)比較困難，因此，用直接的途徑求熱量不可取，這時(shí)，我們改用間接途徑：即求得ΔE和W后，再用熱力學(xué)第一定律求Q。（☆從這個(gè)途徑不難推導(dǎo)出：①CV=R，CP=R+R，即CP=CV+R…；②E=CVT）【例題8】0.1mol的單原子分子理想氣體，經(jīng)歷如圖6-13所示的A→B→C→A循環(huán)，已知的狀態(tài)途中已經(jīng)標(biāo)示。試問(wèn)：（1）此循環(huán)過(guò)程中，氣體所能達(dá)到的最高溫度狀態(tài)在何處，最高溫度是多少？（2）C→A過(guò)程中，氣體的內(nèi)能增量、做功情況、吸放熱情況怎樣？【解說(shuō)】（1）介紹玻馬定律的P-V圖象，定性預(yù)計(jì)Tmax的大概位置（直線BC上的某一點(diǎn)）。定量計(jì)算PV的極大值步驟如下——BC的直線方程為P=－V+2y=PV=－V2+2V顯然，當(dāng)V=2時(shí)，y極大，此時(shí)，P=1代入克拉珀龍方程：1×105×2×10－3=0.1×8.31Tmax，解得Tmax=240.7K（2）由克拉珀龍方程可以求得TC=180.5K=TB，TA=60.2KΔE=RΔT=0.1××8.31×(60.2－180.5)=－150.0J根據(jù)“面積”定式，W=0.5×105×2×10-3=100J計(jì)算Q有兩種選擇：a、Q=CPΔT=0.1××8.31×（60.2－180.5)=－250.0Jb、Q=ΔE－W=－250.0J【答案】（1）V=2×10－3時(shí)，Tmax為240.7K；（2）內(nèi)能減少150.0J，外界對(duì)氣體做功100J，氣體向外界放熱250J?！妓伎家弧紹→C過(guò)程氣體吸放熱的情況又怎樣？〖解〗由于B→C過(guò)程一直是氣體對(duì)外界做功，但內(nèi)能卻是先增后減，所以過(guò)程的吸放熱情況會(huì)復(fù)雜一些。由ΔE=Q+W不難看出，TB到Tmax階段肯定是吸熱，但在Tmax到TC階段則無(wú)法定性判斷。所以這里啟用定量方法——在Tmax到TC階段取一個(gè)極短過(guò)程V→（V+ΔV），在此過(guò)程中ΔE=RΔT=Δ（PV）≈（PΔV+VΔP）由于P=－V+2，有ΔP=－ΔV故ΔE=（2－V）ΔV又W=－ΔV（P+〈P－ΔP〉）=－PΔV+ΔPΔV≈－PΔV=（V－2）ΔV（“過(guò)程極短”的緣故…）所以Q=ΔE－W=（5－2V）ΔVQ＜0時(shí)，氣體開(kāi)始放熱，即V＞2.5時(shí)開(kāi)始吸熱（轉(zhuǎn)變體積V′=2.5×10-3m3，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)變壓強(qiáng)P′=0.75×105Pa，轉(zhuǎn)變溫度T′=225.6K）。a、吸熱階段：ΔE=0.1××8.31×（225.6－180.5）=56.2JW=－（1.5+0.75）×105×（2.5－1）×10-3=－168.8JQ=ΔE－W=225.0Jb、放熱階段：ΔE=0.1××8.31×（180.5－225.6）=－56.2JW=－（0.5+0.75）×105×（3－2.5）×10-3=－31.3JQ=ΔE－W=－24.9J（說(shuō)明：如果針對(duì)B→C全程計(jì)算，不難得出Q=200.0J。那么，分出吸熱、放熱的細(xì)節(jié)是不是沒(méi)有必要呢？不能這樣認(rèn)為。因?yàn)闊醾鬟f的過(guò)程具有不可逆性，所以這里的熱量“總帳”對(duì)氣體可能是與“細(xì)帳”沒(méi)有區(qū)別，但對(duì)外界而言，吸熱必然是來(lái)自高溫?zé)嵩?，而放熱卻是針對(duì)低溫?zé)嵩矗鼈兙拖笸粋€(gè)公司的兩個(gè)不同貿(mào)易伙伴，算清具體往來(lái)顯然是必要的。）〖答〗從高溫?zé)嵩次?25.0J的熱量，向低溫?zé)嵩捶懦?4.9J的熱量?！妓伎级紹→C過(guò)程吸熱過(guò)程和放熱過(guò)程的摩爾熱容分別是多少？〖解答〗解略。吸熱過(guò)程C1=49.9J/(mol·K)，放熱過(guò)程C2=5.54J/(mol·K)。〖思考三〗整個(gè)循環(huán)的效率是多少？〖解答〗A→B過(guò)程吸熱Q=CVΔT=0.1××8.31×(180.5－60.2)=150.0J，B→C過(guò)程吸熱225J，C→A過(guò)程只放熱，所以全過(guò)程（從高溫?zé)嵩矗┑奈鼰峥偭繛?75J。整個(gè)循環(huán)對(duì)外做的功就是△ABC的面積，絕對(duì)值為×1.0×105×2×10?3=100J所以，效率η===26.7%。（從這個(gè)計(jì)算我們可以進(jìn)一步領(lǐng)會(huì)區(qū)分吸熱和放熱的重要性。）【例題9】如圖6-14所示，A和B是兩個(gè)圓筒形絕熱容器，中間用細(xì)而短的管子連接，管中有導(dǎo)熱性能良好的閥門(mén)K，而管子和閥門(mén)對(duì)外界卻是絕熱的。F是帶柄的絕熱活塞，與容器A的內(nèi)表面緊密接觸，不漏氣，且不計(jì)摩擦。開(kāi)始時(shí)，K關(guān)閉，F(xiàn)處于A的左端。A中有摩爾、溫度為T(mén)0的理想氣體，B中則為真空?，F(xiàn)向右推動(dòng)F，直到A中氣體的體積與B的容積相等。在這個(gè)過(guò)程中，已知F對(duì)氣體做功為W，氣體溫度升為T(mén)1，然后將K稍稍打開(kāi)一點(diǎn)，使A中的氣體緩慢向B擴(kuò)散，同時(shí)讓活塞F緩慢前進(jìn)，并保持A中活塞F附近氣體的壓強(qiáng)近似不變。不計(jì)活塞、閥門(mén)、容器的熱容量，試問(wèn)：在此過(guò)程中，氣體最后的溫度T2是多少？【解說(shuō)】為求溫度，可以依據(jù)能量關(guān)系或狀態(tài)方程。但事實(shí)證明，僅用狀態(tài)方程還不夠，而要用能量關(guān)系，摩爾熱容、做功的尋求是必不可少的。過(guò)程一：K打開(kāi)前，過(guò)程絕熱，據(jù)熱力學(xué)第一定律，ΔE=W又由E=CVT知ΔE=CV（T1?T0）因此，CV=①而且在末態(tài)，P1=②過(guò)程二：K打開(kāi)后，過(guò)程仍然絕熱，而且等壓。所以，W′=P1（V1?V1′），其中V1′為A容器最終的穩(wěn)定容積。〖學(xué)員思考〗此處求功時(shí)ΔV只取A容器中氣體體積改變而不取整個(gè)氣體的體積改變，為什么？——因?yàn)锽容器中氣體為自由膨脹的緣故…為求V1′，引進(jìn)蓋·呂薩克定律=從這兩式可得W′=P1V1③而此過(guò)程的ΔE′=CVΔT=CV（T2?T1）④（注意：這里是尋求內(nèi)能增量而非熱量，所以，雖然是等壓過(guò)程，卻仍然用CV而非CP）最后，結(jié)合①②③④式對(duì)后過(guò)程用熱力學(xué)第一定律即可?！敬鸢浮縏2=T1。四、相變相：熱學(xué)系統(tǒng)中物理性質(zhì)均勻的部分。系統(tǒng)按化學(xué)成分的多少和相的種類(lèi)多少可以成為一元二相系（如冰水混合物）和二元單相系（如水和酒精的混合液體）。相變分氣液相變、固液相變和固氣相變?nèi)箢?lèi)，每一類(lèi)中又有一些具體的分支。相變的共同熱學(xué)特征是：相變伴隨相變潛熱。1、氣液相變，分氣化和液化。氣化又有兩種方式：蒸發(fā)和沸騰，涉及的知識(shí)點(diǎn)有飽和氣壓、沸點(diǎn)、汽化熱、臨界溫度等。a、蒸發(fā)。蒸發(fā)是液體表面進(jìn)行的緩慢平和的氣化現(xiàn)象（任何溫度下都能進(jìn)行）。影響蒸發(fā)的因素主要有①液體的表面積、②液體的溫度、③通風(fēng)條件。從分子動(dòng)理論的角度不難理解，蒸發(fā)和液化必然總是同時(shí)進(jìn)行著，當(dāng)兩者形成動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，液體上方的氣體稱(chēng)為——飽和氣，飽和氣的壓強(qiáng)稱(chēng)為飽和氣壓PW。①同一溫度下，不同液體的PW不同（揮發(fā)性大的液體PW大），但同種液體的PW有唯一值（與氣、液的體積比無(wú)關(guān)，與液體上方是否存在其它氣體無(wú)關(guān)）；②同一種液體，在不同的溫度下PW不同（溫度升高，PW增大，函數(shù)PW=P0，式中L為汽化熱，P0為常量）。汽化熱L：?jiǎn)挝毁|(zhì)量的液體變?yōu)橥瑴囟鹊娘柡蜌鈺r(shí)所吸收的熱量，它是相變潛熱的一種。汽化熱與內(nèi)能改變的關(guān)系L=ΔE+PW（V氣?V液）≈ΔE+PWV氣b、沸騰。一種劇烈的汽化，指液體溫度升高到一定程度時(shí)，液體的汽化將不僅僅出現(xiàn)在表面，它的現(xiàn)象是液體內(nèi)部或容器壁出現(xiàn)大量氣泡，這些氣泡又升到液體表面并破裂。液體沸騰時(shí)，液體種類(lèi)不變和外界壓強(qiáng)不變時(shí)，溫度不再改變。（從氣泡的動(dòng)力學(xué)分析可知）液體沸騰的條件是液體的飽和氣壓等于外界壓強(qiáng)。（如在1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，水在100℃沸騰，就是因?yàn)樵?00℃時(shí)水的飽和氣壓時(shí)760cmHg。）沸點(diǎn)，液體沸騰時(shí)的溫度。①同一外界氣壓下，不同液體的沸點(diǎn)不同；②同一種液體，在不同的外界氣壓下，沸點(diǎn)不同（壓強(qiáng)升高，沸點(diǎn)增大）。c、液化。氣體凝結(jié)成液體的現(xiàn)象。對(duì)飽和氣，體積減小或溫度降低時(shí)可實(shí)現(xiàn)液化；對(duì)非飽和氣，則須先使它變成飽和氣，然后液化。常用的液化方法：①保持溫度不變，通過(guò)增大壓強(qiáng)來(lái)減小氣體的體積；②保持體積不變，降低溫度?！纠}10】有一體積為22.4L的密閉容器，充有溫度T1、壓強(qiáng)3atm的空氣和飽和水汽，并有少量的水。今保持溫度T1不變，將體積加倍、壓強(qiáng)變?yōu)?atm，這時(shí)容器底部的水恰好消失。將空氣、飽和水汽都看成理想氣體，試問(wèn)：（1）T1的值是多少？（2）若保持溫度T1不變，體積增為原來(lái)的4倍，容器內(nèi)的壓強(qiáng)又是多少？（3）容器中水和空氣的摩爾數(shù)各為多少？【解說(shuō)】容器中的氣體分水汽和空氣兩部分。容器中壓強(qiáng)與空氣壓強(qiáng)、水汽壓強(qiáng)的關(guān)系服從道爾頓分壓定律。對(duì)水汽而言，第二過(guò)程已不再飽和。（1）在T1、3atm狀態(tài)，3=P1+PW（P1為空氣壓強(qiáng)）在T1、2atm狀態(tài)，2=P2+PW（P2為空氣壓強(qiáng)）而對(duì)空氣，P1V=P22V解以上三式得P1=2atm，P2=1atm，PW=1atm，可得T1=100℃=373K（2）此過(guò)程的空氣和水汽質(zhì)量都不再改變，故可整體用玻-馬定律：2×2V=P′4V（這里忽略了“少量的”水所占據(jù)的體積…）（3）在一過(guò)程的末態(tài)用克拉珀龍方程即可?！敬鸢浮浚?）373K；（2）1atm；（3）均為1.46mol?！纠}11】如圖6-15所示，在一個(gè)橫截面積為S的封閉容器中，有一質(zhì)量M的活塞把容器隔成Ⅰ、Ⅱ兩室，Ⅰ室中為飽和水蒸氣，Ⅱ室中有質(zhì)量為m的氮?dú)?，活塞可以在容器中無(wú)摩擦地滑動(dòng)。開(kāi)始時(shí)，容器被水平地放置在地面上，活塞處于平衡，Ⅰ、Ⅱ兩室的溫度均為T(mén)0=373K，壓強(qiáng)為P0?，F(xiàn)將整個(gè)容器緩慢地轉(zhuǎn)到豎直位置，兩室的溫度仍為T(mén)0，但Ⅰ室中有少量水蒸氣液化成水。已知水的汽化熱為L(zhǎng)，水蒸氣和氮?dú)獾哪栙|(zhì)量分別為μ1和μ2，試求在整個(gè)過(guò)程中，Ⅰ室內(nèi)系統(tǒng)與外界交換的熱量?！窘庹f(shuō)】容器水平放置時(shí)，設(shè)水蒸氣的體積為V1，氮?dú)獾捏w積為V2；直立時(shí)，設(shè)有體積為ΔV的水蒸氣液化成水。直立后水的飽和氣在同溫度下壓強(qiáng)不變，故氮?dú)獾膲簭?qiáng)P=P0－在直立過(guò)程，對(duì)氮?dú)庥貌?馬定律P0V2=P（V2+ΔV）結(jié)合以上兩式可得ΔV=V2為解決V2，對(duì)初態(tài)的氮?dú)庥每死挲埛匠蘌0V2=RT0這樣，ΔV=·所以，水蒸汽液化的質(zhì)量（用克拉珀龍方程）為Δm=ΔV=·這部分水蒸氣液化應(yīng)放出熱量Q=Δm·L=·【答案】向外界放熱·?！妓伎肌浇獗绢}時(shí)，為什么沒(méi)有考慮活塞對(duì)Ⅰ室做的功？〖答〗注意汽化熱L的物理意義——它其中已經(jīng)包含了氣體膨脹（汽化）或收縮（液化）所引起的做功因素，若再算做功，就屬于重復(fù)計(jì)量了?！?再思考〗Ⅱ中氮?dú)馀c“外界”交換的熱量是多少？〖*答〗氮?dú)鉀](méi)有相變，就可直接用熱力學(xué)第一定律。ΔE=0，W=?RT0ln=?RT0ln（1+），所以Q=ΔE–W=RT0ln（1+），吸熱。2、濕度與露點(diǎn)a、空氣的濕度。表示空氣干濕程度的物理量，有兩種定義方式。①絕對(duì)濕度：空氣中含有水蒸氣的壓強(qiáng)；②相對(duì)濕度B：空氣中含有水蒸氣的壓強(qiáng)跟該溫度下水的飽和蒸氣壓的比值，即B=×100%（相對(duì)濕度反映了空氣中水蒸氣離開(kāi)飽和的程度，人體感知的正是相對(duì)濕度而非絕對(duì)濕度，以B值為60~70%比較適宜。在絕對(duì)濕度一定的情況下，氣溫升高，B值減小——因此，夏天盡管絕對(duì)濕度較大，但白天仍感到空氣比晚上干燥）。b、露點(diǎn)：使空氣中的水蒸氣剛好達(dá)到飽和的溫度。露點(diǎn)的高低與空氣中含有水蒸氣的壓強(qiáng)（即絕對(duì)濕度）密切相關(guān)，根據(jù)克拉珀龍方程，也就是與空氣中水蒸氣的量有關(guān)：夏天，空氣中水蒸氣的量大，絕對(duì)濕度大（水蒸氣的壓強(qiáng)大），對(duì)應(yīng)露點(diǎn)高；反之，冬天的露點(diǎn)低。3、固液相變，分熔解和凝固。a、熔解。物質(zhì)從故態(tài)變成液態(tài)。晶體有一定的熔解溫度——熔點(diǎn)（嚴(yán)格地說(shuō)，只有晶體才稱(chēng)得上是固體），非晶體則沒(méi)有。大多數(shù)物質(zhì)熔解時(shí)體積會(huì)膨脹，熔點(diǎn)會(huì)隨壓強(qiáng)的增大而升高，但也有少數(shù)物質(zhì)例外（如水、灰鑄鐵、銻、鉍等，規(guī)律正好相反）。（壓強(qiáng)對(duì)熔點(diǎn)的影響比較微弱，如冰的熔點(diǎn)是每增加一個(gè)大氣壓熔點(diǎn)降低0.0075℃。）熔解熱λ：?jiǎn)挝毁|(zhì)量的晶體在溶解時(shí)所吸收的熱量。從微觀角度看，熔解熱用于破壞晶體的空間點(diǎn)陣，并最終轉(zhuǎn)化為分子勢(shì)能的增加，也就是內(nèi)能的增加，至于體積改變所引起的做功，一般可以忽略不計(jì)。b、凝固。熔解的逆過(guò)程，熔解的規(guī)律逆過(guò)來(lái)都適用與凝固。4、固氣相變，分升華和凝華。a、升華。物質(zhì)從固態(tài)直接變?yōu)闅鈶B(tài)的過(guò)程。在常溫常壓下，碘化鉀、樟腦、硫磷、干冰等都有顯著的升華現(xiàn)象。升華熱：?jiǎn)挝毁|(zhì)量的物質(zhì)在升華時(shí)所吸收的熱量。（從微觀角度不難解釋?zhuān)┥A熱等于同種物質(zhì)的汽化熱和熔解熱之和。b、凝華。升華的逆過(guò)程。如打霜就是地面附近的水蒸氣遇冷（0℃以下）凝華的結(jié)果。凝華熱等于升華熱。5、三相點(diǎn)和三相圖亦稱(chēng)“三態(tài)點(diǎn)”。一般指各種穩(wěn)定的純物質(zhì)處于固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)三個(gè)相（態(tài)）平衡共存時(shí)的狀態(tài)，叫做該物質(zhì)的“三相點(diǎn)”。該點(diǎn)具有確定的溫度和壓強(qiáng)（清注意：兩相點(diǎn)，如冰點(diǎn)和汽點(diǎn)并不具備這樣的特征）。所以三相點(diǎn)這個(gè)固定溫度適