魯科版-選修3-3-第5章 熱力學(xué)定律-第3節(jié) 熱力學(xué)第二定律【區(qū)一等獎】

三、分子動理論熱和功教學(xué)目標1．從觀察和實驗出發(fā)，使學(xué)生對分子動理論的物理圖景有初步的認識，對熱現(xiàn)象和其他物理過程的關(guān)系有初步的了解，理解能量轉(zhuǎn)化和守恒的思想．并能對一些簡單的熱現(xiàn)象，以分子動理論和能量守恒的觀點加以分析判斷．2．學(xué)習(xí)通過宏觀物理實驗，提出科學(xué)假說和模型，進行推理以認識物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的分析方法，培養(yǎng)建立物理模型，進行分析推理的能力．3．學(xué)習(xí)用統(tǒng)計的觀點認識大量微觀粒子的運動規(guī)律的方法．教學(xué)重點、難點分析1．重點的知識是分子動理論的要點和能量轉(zhuǎn)化和守恒定律．重點的方法是建立物理模型進行推理和計算的方法．2．難點是有關(guān)分子力和分子勢能的概念，以及用能量守恒的觀點去分析實際問題．教學(xué)過程設(shè)計教師活動一、高中熱學(xué)研究的內(nèi)容高中熱學(xué)部分包括兩方面的內(nèi)容：一是基礎(chǔ)理論；二是物性學(xué)的一部分內(nèi)容——氣體性質(zhì)．本章復(fù)習(xí)的是基礎(chǔ)理論．提問：高中熱學(xué)的基礎(chǔ)理論的主要內(nèi)容是什么？請簡明扼要地回答．學(xué)生活動回答：高中熱學(xué)的基礎(chǔ)理論包括兩部分：一是分子動理論．其要點是：1．物質(zhì)是由大量分子組成的．2．分子總處在永不停息的無規(guī)則運動中，稱之為分子熱運動．3．分子間同時存在著相互作用的斥力和引力．分子動理論提供了從微觀角度研究熱學(xué)問題的理論基礎(chǔ)．二是能量轉(zhuǎn)化和守恒定律．具體應(yīng)用到熱學(xué)問題的是包括物體內(nèi)能的熱力學(xué)第一定律，提供了從宏觀角度研究熱學(xué)問題的理論基礎(chǔ)．它表明，從分子動理論出發(fā)可以得到對應(yīng)于分子運動存在著一種新形式的能，即物體的內(nèi)能．物體的內(nèi)能改變，可以通過做功和熱傳遞來實現(xiàn)，并遵守?zé)崃W(xué)第一定律．小結(jié)：高中熱學(xué)的基礎(chǔ)理論有兩部分：一是分子動理論的要點，二是能量轉(zhuǎn)化和守恒定律．它們分別提供了從微觀角度和宏觀角度認識熱現(xiàn)象的理論根據(jù)．但是，它們?nèi)匀皇且詫嶒灪陀^察為基礎(chǔ)的．二、以實驗為基礎(chǔ)，建立物理模型進行推理認識微觀結(jié)構(gòu)的方法，是物理的重要方法．由于實驗儀器的限制，至今人們借助最先進的電子顯微鏡等觀測儀器，也只能直接觀察到大個的分子，更何況過去．所以，對物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認識，往往是通過宏觀的物理實驗，提出科學(xué)假說和模型，進行分析推理得出的．一個典型的事例就是布朗運動的分析和解釋．提問：請簡要說明布朗運動的產(chǎn)生過程．回答：顯微鏡下連續(xù)的液體，實際上是由大量的分子組成的，這些做無規(guī)則熱運動的分子，對懸浮在液體中的固體微粒不斷地碰撞，使固體微粒受到各方向液體分子的沖力．在某一瞬間，由于固體微粒的體積很小，各方向受到的液體分子的沖力不平衡，其合力產(chǎn)生加速度．而不同時刻沖力的合力方向朝向什么方向具有偶然性，且不斷變化，這樣，就使固體微粒產(chǎn)生了無規(guī)則運動，稱之為布朗運動．小結(jié)：對布朗運動產(chǎn)生過程的分析有如下特點應(yīng)加以注意．（1）在排除了外界影響后，從流體內(nèi)部找原因．（2）提出了“液體分子”這個物理模型，并認為分子總處于永不停息的無規(guī)則運動中．同時，要把液體分子視做彈性小球，在跟固體微粒碰撞的過程中動能守恒．（3）認為大量分子碰撞固體微粒時，某一瞬間，固體微粒各方向所受液體分子的沖力，對于體積小的固體微粒表現(xiàn)出明顯的不平衡性．正是這種不平衡性，產(chǎn)生了布朗運動．

在這里，提出科學(xué)假說，建立物理模型，通過宏觀實驗，進行分析推理以得出微觀結(jié)構(gòu)及其運動特點的方法，對于得出正確結(jié)論是重要的．同時，大量分子對固體微粒碰撞的沖力的不平衡性，沖力合力的方向的不確定性，還體現(xiàn)出新的規(guī)律性．這種反映大量分子永不停息的無規(guī)則運動的整體規(guī)律，稱之為統(tǒng)計規(guī)律．三、注意理解熱運動中的統(tǒng)計規(guī)律如前述，布朗運動是跟固體微粒的體積有關(guān)的．當微粒較大時，液體分子對固體微粒的碰撞產(chǎn)生的沖力，在每一瞬間都是平衡的．只有微粒足夠小時，這種撞擊作用的不平衡才得以表現(xiàn)出來．這就是統(tǒng)計規(guī)律的表現(xiàn)．同樣，在描述大量分子整體特征的宏觀物理量中，也表現(xiàn)出這種特點．提問：請舉出熱學(xué)中屬于描述大量分子整體特征的宏觀量．回答：1．溫度．物體的溫度是物體內(nèi)部分子熱運動的平均動能的標志，它是一個宏觀量．因此，溫度是大量分子熱運動的集體表現(xiàn)．是含有統(tǒng)計意義的．首先，物體內(nèi)部分子熱運動的速率并不是相同的．其中速率特別大的和速率特別小的分子數(shù)目很少，而多數(shù)分子的速率處于中間一個范圍內(nèi)．只有它們的平均速率，以及由此決定的平均動能與溫度有確定的關(guān)系．因此，對個別分子談溫度的高低是沒有意義的．溫度只對大量分子有意義．2．物體的內(nèi)能，分子動能和分子勢能．所謂“分子動能”是指物體內(nèi)所有分子由于熱運動決定的分子的動能的總和．“分子勢能”是指物體內(nèi)所有分子由于分子間相互作用的分子力和相對位置決定的勢能的總和．而“物體的內(nèi)能”則是這二者之和．顯然，對個別分子談內(nèi)能是沒有意義的．3．氣體的體積和壓強．氣體的體積是指氣體內(nèi)所有分子所占有的空間的總和．它應(yīng)等于所有氣體分子本身占有的空間和它們的間隙的總和．通常氣體的體積是指氣體所充滿的容器的容積．而氣體分子間空隙往往比氣體分子本身占有的空間大得多．理想氣體的體積就是在忽略分子本身占有的體積的情況下得到的．顯然，談個別氣體分子的體積對于研究氣體的性質(zhì)是沒有意義的．而氣體的壓強是大量氣體分子碰撞器壁的宏觀表現(xiàn)．談個別分子對器壁的壓強是沒有意義的．小結(jié)：對于描述大量分子熱運動特征的宏觀量，應(yīng)理解其所表現(xiàn)的統(tǒng)計意義．四、理解分子間相互作用力和分子間的勢能變化的規(guī)律在前述的宏觀量中，變化規(guī)律特殊的是分子力及分子勢能．提問：請簡要說明分子力和分子勢能是如何隨分子間距變化的．回答：關(guān)于分子力的變化規(guī)律：1．分子間同時存在著相互作用的引力和斥力．2．分子間的引力和斥力都隨分子間距的增大而減小，隨分子間距的減小而增大．但斥力比引力變化得快．3．分子間相互作用的引力和斥力的合力稱為分子力．分子力為零的位置稱為平衡位置，r0=10-10m．當分子間距大于平衡位置時，分子力表現(xiàn)為引力，直至間距超過10-9m減小到零為止．當分子間距小于平衡位置直至不能再小時，分子力表現(xiàn)為斥力．分子勢能的變化規(guī)律：1．當分子力表現(xiàn)為引力時，分子勢能隨分子間距的增大而增大；當分子力表現(xiàn)為斥力時，分子勢能隨分子間距的增大而減少．2．分子勢能存在一個最低點，即在平衡位置處．小結(jié)：分子力的特殊變化規(guī)律決定了分子勢能的特殊變化規(guī)律．這可以跟彈簧的彈力和彈性勢能的變化進行類比．只是需注意：1．分子力實質(zhì)上是一種電磁作用．可以借助于原子的靜電模型加以粗略說明，在兩個原子接近時，其原子核之間、電子云之間的靜電力表現(xiàn)為斥力；而原子核和電子云之間的靜電力則表現(xiàn)為引力．它們大小的變化導(dǎo)致了合力的變化．2．如果取平衡位置為分子勢能的零點．則分子勢能是非負值．即使是分子間距大于10-9m，分子力為零時，分子勢能也大于零．這是因為，比較兩個位置分子勢能高低的基本方法是：看分子力做功．如果從某一位置移到另一位置分子力做正功，則分子勢能減少；若分子力做負功，則分子勢能增加．顯然，從平衡位置出發(fā)，無論間距增大還是減少．分子力都做負功，分子勢能都變大．3．由分子勢能產(chǎn)生的條件可以看出：分子勢能跟重力勢能和彈性勢能相比，是不同性質(zhì)的能，它不屬于機械能的范疇．那么，分子動能和物體的內(nèi)能跟機械能屬于同一范疇嗎？五、理解物體內(nèi)能的概念和改變物體內(nèi)能的兩種物理過程提問：物體的內(nèi)能和機械能之間的區(qū)別是什么？它們之間可否互相轉(zhuǎn)化？從機械能向內(nèi)能轉(zhuǎn)化的物理過程是什么？回答：（一）物體的內(nèi)能和機械能之間主要區(qū)別有如下幾點：1．對應(yīng)著不同的研究對象和物理運動形式．機械能對應(yīng)于宏觀物體的機械運動，而物體的內(nèi)能對應(yīng)于大量分子的熱運動，是大量分子的集體表現(xiàn)，是統(tǒng)計平均的結(jié)果．2．對應(yīng)著不同的相互作用力．機械能對應(yīng)于萬有引力和彈簧彈力；而物體的內(nèi)能對應(yīng)于靜電力．3．數(shù)值的確定依據(jù)和方法不同．（二）內(nèi)能和機械能是可以互相轉(zhuǎn)化的．例如：熱機都是創(chuàng)造條件，將內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能的裝置．而通過克服滑動摩擦力做功，可以將機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能．小結(jié)：可以將上述結(jié)論加以擴展，其實1．每種不同的運動形式都對應(yīng)著不同形式的能．物理中除機械能、內(nèi)能之外，還有電場能、磁場能、光能、核能等．2．不同形式的能在一定條件下均可以互相轉(zhuǎn)化．3．能量的變化可以用功來量度．提問：內(nèi)能改變的物理過程有哪些？都發(fā)生了什么形式的能之間的轉(zhuǎn)化？轉(zhuǎn)化遵循什么規(guī)律？回答：1．物體內(nèi)能的改變可以通過做功和熱傳遞來實現(xiàn)．做功是其他形式的能跟物體內(nèi)能相互轉(zhuǎn)化的過程；而熱傳遞只是內(nèi)能的轉(zhuǎn)移，沒有能量形式的轉(zhuǎn)化．2．物體內(nèi)能的改變遵循能量守恒定律．具體形式由熱力學(xué)第一定律表示為△E=W+Q．其中△E表示內(nèi)能的改變量，W表示做的功，Q表示傳遞的熱量．熱力學(xué)第一定律把內(nèi)能的變化和改變它的兩種物理過程定量化，為我們分析問題和解決問題提供了定量關(guān)系．小結(jié)：到此，我們已將有關(guān)熱學(xué)研究的兩個理論基礎(chǔ)的要點復(fù)習(xí)完了．下面就其應(yīng)用中應(yīng)注意的問題提出幾點加以討論．（一）關(guān)于應(yīng)用阿伏伽德羅常數(shù)進行估算的問題．[例1]已知阿伏伽德羅常數(shù)，物質(zhì)的摩爾質(zhì)量和摩爾體積，可以計算下列哪組數(shù)值？A．固態(tài)物質(zhì)分子的大小和質(zhì)量B．液態(tài)物質(zhì)分子的大小和質(zhì)量C．氣態(tài)物質(zhì)分子的大小和質(zhì)量D．氣態(tài)物質(zhì)分子的質(zhì)量回答：1．根據(jù)阿伏伽德羅常數(shù)的概念可知：無論物質(zhì)處于何種狀態(tài)，分子的質(zhì)量m0均等于物質(zhì)的摩爾質(zhì)量M除以阿伏伽德羅常數(shù)NA，即m0=M/NA．2．由于物質(zhì)的三種狀態(tài)中，固態(tài)和液態(tài)均可視為分子緊密排列，但氣態(tài)分子間距遠大于分子本身的體積．所以，只有固態(tài)和液態(tài)分子的大小V0，可由其摩爾體積VM除以NA得出，即V0=VM/NA．故應(yīng)選A、B、D．小結(jié)：應(yīng)注意物質(zhì)三態(tài)分子排列的不同特點．[例2]試估算標準狀況下，水蒸氣分子的平均間距．（保留1位有效數(shù)字）回答：1．標準狀況下1mol的理想氣體體積均為22.4L，據(jù)此可得出一個水蒸氣分子占有的空間V0為V0=VM/NA．2．取氣體分子模型為小立方體，則分子間距就等于立方體的邊長l0，=3×10-9（m）小結(jié)：估算中需要利用已知的恒量，這是不言而喻的．同時，采用適當?shù)哪Ｐ褪侵匾模话阌嬎惴肿诱加锌臻g大小的問題中，以取立方體為宜，特別是固體．但無論取球或立方體模型，計算結(jié)果的數(shù)量級相同．此題若取球模型，在保留1位有效數(shù)字時，結(jié)果的數(shù)量級是相同的，只是有效數(shù)字為4．[例3]如果取兩個分子相距無窮遠時的分子勢能為零，下面說法中正確的有A．當兩分子間距在r0和10r0之間時，分子勢能一定為負值B．當兩分子間距為r0時，分子勢能一定為零C．當兩分子間距為r0時，分子勢能最小且為負值D．當兩分子間距小于r0時，分子勢能可能為正值回答：若取兩分子相距無窮遠時分子勢能為零，則當兩分子間距在r0到10r0之間時，分子力表現(xiàn)為引力，分子勢能隨間距的減小而減?。ù藭r分子力做正功）．而當分子間距小于r0時，分子力表現(xiàn)為斥力，分子勢能隨間距的減小而增大（此時分子力做負功）．由此可知：選項A、C正確．在分子間距小于r0到一定值以后，將會出現(xiàn)分子勢能為正值的情況，因此，選項D也成立．故應(yīng)選A、C、D．小結(jié)：各位置分子勢能的大小關(guān)系是絕對的．但是，是正值還是負值卻跟零勢能點的規(guī)定有關(guān)．[例4]如圖2-3-1所示的容器中，A、B各有一個可自由移動的輕活塞，活塞下方是水，上方為空氣，大氣壓恒定．A、B底部由帶有閥門K的管道相連，整個裝置與外界絕熱．原先A中水面比B中高，打開閥門，使A中的水逐漸向B中流，最后達到平衡．在這個過程中，下面哪個說法正確？A．大氣壓力對水做功，水的內(nèi)能增加B．水克服大氣壓力做功，水的內(nèi)能減少C．大氣壓力對水不做功，水的內(nèi)能不變D．大氣壓力對水不做功，水的內(nèi)能增加回答：1．確定研究對象．本題中是連通器中的水（系統(tǒng)）．2．分析系統(tǒng)與外界環(huán)境的關(guān)系．由于涉及系統(tǒng)內(nèi)能是否變化，所以應(yīng)從熱傳遞和做功兩個方面進行．（1）由題中給出的條件可知：整個裝置與外界絕熱，所以不發(fā)生熱傳遞．（2）同時，連通器中的水應(yīng)受到連通器壁和器底的彈力，大氣通過活塞施加的大氣壓力，以及由于整個系統(tǒng)在地面而受到的重力．逐一判斷各力的做功情況可知：連通器對水的作用力，因無宏觀位移或位移與力的方向垂直而對水不做功．再看大氣壓力的功．打開閥門K后，根據(jù)連通器原理，最后A、B兩管中的水面相平．設(shè)A管的橫截面積為S1，水面下降的高度為h1，B管的橫截面積為S2，水面上升的高度為h2．如圖2-3-2所示．由于水的總體積保持不變，故有S1h1=S2h2．A管中的水受向下的大氣壓力下降，大氣壓力做正功為W1=p0S1h1．B管中的水受到向下的壓力，但水面上升，大氣壓力做負功為W2=-p0S2h2．則大氣壓力對水所做的總功W=W1+W2=0．即大氣壓力對水不做功．至于重力對水所做的功，如圖2-3-2可以看到：水從A管流到B管，最后水面相平，最終的效果是A管中高度為h1的水柱移到B管中成為高度為h2的水柱，其重心的高度下降，因此，在這個過程中水所受重力對水做正功．3．據(jù)熱力學(xué)第一定律：△E=W+Q可知：水所受各力的合功為正功，傳遞的熱量為零，所以，水的內(nèi)能應(yīng)增加．故應(yīng)選D．小結(jié)：對于有關(guān)系統(tǒng)內(nèi)能變化的問題，應(yīng)根據(jù)熱力學(xué)第一定律，仔細分析系統(tǒng)所受外力做功和熱傳遞的情況，綜合運用各方面的知識，有步驟地求解．同步練習(xí)一、選擇題1．關(guān)于下述物理現(xiàn)象及其說明，正確的有[]A．氣體在一定程度內(nèi)很容易被壓縮，說明氣體分子間沒有斥力B．給自行車胎打氣時要用力，說明氣體分子間存在著斥力C．懸浮在空氣中的灰塵，在陽光照射下不停地運動，也就是布朗運動D．用打氣筒打氣，筒壁發(fā)熱，說明外界對打氣筒內(nèi)的空氣做功，使其內(nèi)能增加2．如圖2-3-3所示，是每隔30s觀察到的一個固體微粒的布朗運動位置的連線．若從A點開始計時，這個微粒在第45s末的位置[]A．一定在BC的連線上B．一定不在BC的連線上C．可能在BC連線的中點上D．不可能在BC連線的中點上3．兩個分子相距為r1時，分子間相互作用力表現(xiàn)為引力；這兩分子相距為r2時，分子間相互作用力表現(xiàn)為斥力．則[]A．兩分子