中職物理 第3章

第3章熱現(xiàn)象及能量守恒簽到掃碼下載文旌課堂APP掃碼簽到（2022.3.2515:00至2022.3.2515:10）簽到方式教師通過“文旌課堂APP”生成簽到二維碼，并設置簽到時間，學生通過“文旌課堂APP”掃描“簽到二維碼”進行簽到。。本章導讀3自然界中與物體冷熱程度有關的現(xiàn)象稱為熱現(xiàn)象，熱學就是研究熱現(xiàn)象規(guī)律及其應用的科學。熱學包括分子物理學和熱力學兩個部分。其中，分子物理學是從物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)出發(fā)，研究分子的結(jié)構(gòu)、物理性質(zhì)和分子間相互作用的物理學分支，并在物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的基礎上研究氣體、液體和固體的物理性質(zhì)；熱力學是從宏觀的角度出發(fā)，研究熱現(xiàn)象中的物質(zhì)狀態(tài)轉(zhuǎn)化與能量轉(zhuǎn)換規(guī)律的物理學分支。本章將分別介紹從微觀角度和宏觀角度描述物質(zhì)熱性質(zhì)的分子動理論和能量守恒定律。學習目標 了解分子動理論的基本內(nèi)容，認識氣體狀態(tài)參量，理解熱力學能的概念。 掌握熱力學第一定律與能量守恒定律。目錄Contents3.1分子動理論3.2能量守恒定律及其應用3.1分子動理論3.1分子動理論3.1.1分子動理論的基本內(nèi)容分子動理論又稱分子運動論，它的主要思想包括三點：宏觀物體是由大量分子組成的；分子在永不停息地做無規(guī)則運動；分子間存在相互作用的引力和斥力。（1）宏觀物體是由大量分子組成的。宏觀物體是由大量分子組成的，分子是構(gòu)成物質(zhì)并保持物質(zhì)化學性質(zhì)的最小粒子。大量實驗表明，除了一些有機物大分子外，一般分子直徑的數(shù)量級為；分子的質(zhì)量也很小，一般分子質(zhì)量的數(shù)量級為。分子很小，且構(gòu)成物質(zhì)的分子之間是有間隙的。例如，氣體很容易被壓縮、水和酒精混合后總體積減小就是因為分子之間有間隙。3.1分子動理論為什么酒精與水混合后總體積會減?。繛槭裁辞醒笫[時會流淚？為什么固體難以被壓縮，也不會散開？3.1分子動理論（2）分子在永不停息地做無規(guī)則運動。演示實驗3-1觀察墨汁在水中的運動在玻璃杯中倒入半杯清水，然后用滴管往杯中滴入幾滴黑色墨汁。一段時間后觀察墨汁的狀態(tài)，會發(fā)現(xiàn)墨汁逐漸擴散到水中。3.1分子動理論除了上述實驗，生活中還有很多這樣的現(xiàn)象。這些現(xiàn)象都是由于分子擴散而產(chǎn)生的，統(tǒng)稱為擴散現(xiàn)象。擴散現(xiàn)象是指不同物質(zhì)彼此進入對方的現(xiàn)象。1827年，英國植物學家布朗在顯微鏡下觀察懸浮在水中的花粉，發(fā)現(xiàn)花粉顆粒在不停地做無規(guī)則運動，由此說明水分子在永不停息地做無規(guī)則運動。為了紀念布朗發(fā)現(xiàn)微觀分子的這一特性，我們把懸浮在液體或氣體中的微粒所做的永不停息的無規(guī)則運動叫作布朗運動（見下圖）。布朗運動實質(zhì)上是由運動著的液體或氣體分子不斷撞擊微粒引起的，所以它間接證明了分子在永不停息地做無規(guī)則運動。3.1分子動理論分子的無規(guī)則運動與溫度有關，溫度越高，分子運動越劇烈，分子的平均動能也越大。我們通常把分子的無規(guī)則運動稱為熱運動。3.1分子動理論（3）分子間存在相互作用的引力和斥力。擴散現(xiàn)象和布朗運動都說明分子在永不停息地做無規(guī)則運動，那么為什么固體能夠保持一定的形狀而不飛散開呢？這是因為物體分子之間存在著引力。而固體與液體相對于氣體更難被壓縮，這說明分子之間存在著斥力。綜上所述，分子間同時存在相互作用的引力和斥力。3.1分子動理論3.1.2氣體的狀態(tài)參量物理量溫度、壓強、體積都能用來描述氣體的狀態(tài)，被稱為氣體的狀態(tài)參量。接下來主要介紹溫度和壓強的相關知識。1．溫度溫度是表示物體冷熱程度的物理量。溫度數(shù)值的表示方法叫作溫標。常用的溫標有攝氏溫標和熱力學溫標，熱力學溫標也叫作絕對溫標。在比較兩個物體的溫度時，只有采用同一種溫標才能比較。3.1分子動理論日常生活中，我們常用攝氏溫標來表示溫度。攝氏溫標是瑞典天文學家攝爾修斯創(chuàng)立的，其物理量符號為t，單位是攝氏度，寫作℃。攝氏溫標規(guī)定，在一個標準大氣壓下，水的冰點和沸點分別為0℃和100℃?？茖W研究中，一般使用熱力學溫標。熱力學溫標是由英國物理學家開爾文創(chuàng)立的，其物理量符號為T，單位是開爾文，寫作K。熱力學溫標把最低溫度定義為0K，稱為絕對零度。熱力學溫標和攝氏溫標之間的數(shù)值關系為即絕對零度對應的狀態(tài)用攝氏溫標表示為。3.1分子動理論用來測定溫度的儀器叫作溫度計。溫度計有很多種形式，除了日常生活中常見的水銀溫度計、酒精溫度計，還有測低溫的半導體溫度計，測600℃以上高溫的熱電溫度計和光學溫度計，測星球表面溫度的光度計等。在生活中使用溫度計測定液體溫度時要注意以下幾點：（1）在使用前需觀察溫度計的量程和分度值。（2）使用時，溫度計的玻璃泡要完全浸入液體中，不能碰到容器壁或容器底部。（3）要等溫度計示數(shù)穩(wěn)定后再讀數(shù)。（4）讀數(shù)時玻璃泡要繼續(xù)留在被測液體中，視線要與溫度計中液柱上表面相平。3.1分子動理論2．壓強由分子動理論可知，分子在永不停息地運動，這會導致分子不斷撞擊容器壁，進而產(chǎn)生持續(xù)的壓力。氣體的壓強就是用來描述氣體分子垂直作用在容器壁單位面積上的壓力。一定質(zhì)量的氣體，當溫度上升時，氣體分子的熱運動加劇，因此分子撞擊器壁的作用力變大，氣體的壓強增大。壓強的單位是帕斯卡，簡稱帕，用符號Pa來表示。氣體的壓強可以用氣壓計來測定，常見的氣壓計有水銀氣壓計、金屬盒氣壓計和電子氣壓計等。在實驗室中，常在兩端開口的U形管內(nèi)裝入水銀制成水銀氣壓計來測定氣體壓強。3.1分子動理論“馬德堡半球”實驗是1654年，當時的馬德堡市市長奧托·馮·居里克在羅馬帝國的雷根斯堡（今德國雷根斯堡）進行的一項科學實驗，它的目的是為了證明真空的存在。如下圖所示，居里克和他的助手首先在兩個黃銅的半球殼邊緣墊上橡皮圈，然后把兩個半球殼灌滿水后合在一起；接下來把水全部抽出，使球內(nèi)形成真空；最后，把氣嘴上的龍頭擰緊封閉。這時，周圍的大氣把兩個半球緊緊地壓在一起。物理故事3.1分子動理論接著，他們把馬拴在球的兩邊，使馬向相反的方向奔跑，以便拉開壓在一起的半球。結(jié)果他們足足用了16匹馬才成功把兩個半球拉開。這個實驗說明了真空的存在，也說明了大氣壓的存在。3.1分子動理論3.1.3熱力學能1．熱力學能的定義我們把因為物體內(nèi)部分子做無規(guī)則運動時所具有的動能以及分子間勢能的總和叫作物體的熱力學能。2．熱力學能的改變方法所有物體都具有熱力學能，熱力學能與物體的溫度和體積有關。當物體溫度升高時，分子動能增加，物體的熱力學能也隨之增加，反之亦然；同樣，當物體的體積改變時，分子的勢能發(fā)生了改變，物體的熱力學能也隨之改變。3.1分子動理論改變物體的熱力學能有兩種方法：一種是做功；另一種是熱傳遞。對物體做功例如，劃火柴時，火柴克服摩擦力做功，這使火柴的熱力學能增加，導致火柴溫度升高達到紅磷的燃點，火柴就燃燒起來了。熱傳遞例如，我們把一盤熱騰騰的食物放在餐桌上，食物的溫度會降低，其熱力學能減??；暖氣可以使它周圍的物體溫度升高，物體熱力學能增加。3.1分子動理論綜上所述，當外界對物體做功時，物體的熱力學能增加；當物體對外界做功時，物體的熱力學能減少。當外界向物體傳遞熱量時，物體的熱力學能增加；當物體向外界傳遞熱量時，物體的熱力學能減少。做功和熱傳遞雖然都能改變物體的熱力學能，但是二者之間有著本質(zhì)的區(qū)別。做功改變物體的熱力學能，本質(zhì)是其他形式的能與熱力學能之間的互相轉(zhuǎn)化；而熱傳遞改變物體的熱力學能，則是物體之間熱力學能的轉(zhuǎn)移。3.1分子動理論用氣球?qū)Ｓ么驓馔步o氣球打氣，用手觸摸打氣筒的外表面，感受其在打氣前后溫度的變化。3.1分子動理論課后實踐摩擦焊接作為一種焊接技術，具有以下優(yōu)點：（1）焊接接頭的質(zhì)量高且穩(wěn)定。（2）具有比較廣泛的可焊性。它不僅可用來焊接相同的金屬材料，而且特別適用于性能相差較大的異種金屬的焊接。（3）焊件精度高。（4）能降低制造成本。摩擦焊接時，焊件的焊接余量小，焊口的裝配要求不高，焊接功率小。（5）工作條件好。摩擦焊接不會產(chǎn)生火花、弧光、有害氣體，也無震動、噪聲等。（6）容易實現(xiàn)全自動化。請同學在課后查閱資料，了解摩擦焊接的工作原理及焊接過程，撰寫研究小報告，并與同學們分享交流。3.2能量守恒定律及其應用3.2能量守恒定律及其應用3.2.1熱力學第一定律熱力學第一定律是熱力學的基礎，它反映了熱現(xiàn)象中不同形式的能量在轉(zhuǎn)化與轉(zhuǎn)移過程中的守恒現(xiàn)象。熱力學第一定律是能量守恒定律在熱現(xiàn)象領域內(nèi)所具有的特殊形式。下面將分別介紹熱力學第一定律和能量守恒定律，它們都可以從宏觀的角度來描述物質(zhì)的熱性質(zhì)。做功和熱傳遞都能改變物體的熱力學能，如果外界在對物體做功的同時又對其傳遞熱量，那么物體熱力學能的增加就等于用這兩種方式使物體熱力學能增加的總和。如果將物體從外界吸收的熱量表示為Q，外界對物體做的功表示為W，物體熱力學能的增加表示為，則有3.2能量守恒定律及其應用這個公式表明，物體熱力學能的增加量等于外界向它傳遞的熱量與外界對它做功的和，這就是熱力學第一定律。在熱力學第一定律中，如果外界向物體傳遞熱量，則Q為正；如果物體向外界傳遞熱量，則Q為負。如果外界對物體做功，則W為正；如果物體對外界做功，則W為負。物體的熱力學能增加，則；物體的熱力學能減少，則。在現(xiàn)代生活中，人們用電冰箱儲存食物，讓食物保鮮；在天熱時開啟空調(diào)，使室內(nèi)溫度降低。那么，電冰箱和空調(diào)的工作原理是什么呢？目前，世界上大多數(shù)的電冰箱都是壓縮式電冰箱。壓縮式電冰箱的制冷系統(tǒng)主要由壓縮機、冷凝器、干燥過濾器、毛細管和蒸發(fā)器五大部件組成。當電冰箱工作時，制冷劑在蒸發(fā)器中吸收電冰箱內(nèi)的熱量后蒸發(fā)汽化，變成低壓低溫氣體。低壓低溫氣體通過回氣管被吸入壓縮機壓縮成為高壓高溫的蒸氣，隨后排入冷凝器。在壓力不變的情況下，冷凝器將制冷劑蒸氣的熱量散發(fā)到空氣中，制冷劑則凝結(jié)為接近環(huán)境溫度的高壓常溫液體。通過干燥過濾器將高壓常溫液體中可能混有的污垢和水分清除后，經(jīng)毛細管節(jié)流、降壓成低壓常溫的液體重新進入蒸發(fā)器。這樣再開始下一次“氣態(tài)－液態(tài)－氣態(tài)”的循環(huán)，從而使電冰箱內(nèi)溫度逐漸降低，達到人工制冷的目的。3.2能量守恒定律及其應用知識角空調(diào)的制冷原理與電冰箱基本一致，空調(diào)也是由壓縮機、冷凝器、毛細管和蒸發(fā)器等組成的?？照{(diào)位于室外的部分是冷凝器，蒸發(fā)器則在室內(nèi)。像電冰箱一樣，壓縮機工作時，制冷劑從室內(nèi)吸熱，向室外放熱，達到降低室內(nèi)溫度的目的。而空調(diào)制熱是通過電磁換向，將制冷系統(tǒng)的吸、排氣管位置對換。原來制冷時蒸發(fā)器的室內(nèi)盤管變成制熱時的冷凝器，這樣制冷系統(tǒng)從室外吸熱向室內(nèi)放熱，實現(xiàn)制熱的目的。3.2能量守恒定律及其應用知識角3.2能量守恒定律及其應用3.2.2能量守恒定律自然界存在各種不同形式的能，物體機械運動時有動能和勢能，熱運動有熱力學能，此外還有電能、光能、核能和化學能等。人們在長期的生活實踐中發(fā)現(xiàn)，不同形式的能之間可以相互轉(zhuǎn)化。例如，通過太陽能發(fā)電機將太陽能轉(zhuǎn)化為電能；通過克服摩擦力做功將機械能轉(zhuǎn)化為熱力學能；通過各種用電器將電能轉(zhuǎn)化為機械能、熱力學能和光能等。1．能量的轉(zhuǎn)化3.2能量守恒定律及其應用大量事實和科學研究表明，能量既不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或者從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體。在能量轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的過程中，其總量保持不變，這就是能量守恒定律。2．能量守恒定律能量守恒定律是自然界中最基本、最普遍的定律之一，也是各種自然現(xiàn)象都必須遵守的定律。任何違背能量守恒定律的觀點，都被實踐證明是錯誤的。17—18世紀，很多人致力于生產(chǎn)一種不需要任何動力和燃料就可以源源不斷做功的機器，這種機器被稱為永動機。但是，隨著能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)，人們認識到，任何一臺機器只能使能量從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，而不能創(chuàng)造能量，因此永動機是不可能實現(xiàn)的。3.2能量守恒定律及其應用人類的生活離不開能量，通過能量守恒定律我們知道，能量不會憑空消失，那么為什么還要節(jié)約能量呢？3．能源與可持續(xù)發(fā)展我們可以在生活中觀察到，燃料燃燒可以產(chǎn)生熱量，但是我們不能輕易把熱量重新收回到燃料中。這是因為與熱現(xiàn)象有關的能量轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的過程都是有方向性的。生活中所需要的能量都是由能源物質(zhì)提供的，目前我們使用的主要能源是煤、石油和天然氣。這些常規(guī)能源是