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(shè)置簽到時(shí)間，學(xué)生通過“文旌課堂APP”掃描“簽到二維碼”進(jìn)行簽到。。本章導(dǎo)讀3自然界中與物體冷熱程度有關(guān)的現(xiàn)象稱為熱現(xiàn)象，熱學(xué)就是研究熱現(xiàn)象規(guī)律及其應(yīng)用的科學(xué)。熱學(xué)包括分子物理學(xué)和熱力學(xué)兩個(gè)部分。其中，分子物理學(xué)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(xué)分支，并在物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上研究氣體、液體和固體的物理性質(zhì)；熱力學(xué)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(xué)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(dòng)理論和能量守恒定律。學(xué)習(xí)目標(biāo) 了解分子動(dòng)理論的基本內(nèi)容，認(rèn)識(shí)氣體狀態(tài)參量，理解熱力學(xué)能的概念。 掌握熱力學(xué)第一定律與能量守恒定律。目錄Contents3.1分子動(dòng)理論3.2能量守恒定律及其應(yīng)用3.1分子動(dòng)理論3.1分子動(dòng)理論3.1.1分子動(dòng)理論的基本內(nèi)容分子動(dòng)理論又稱分子運(yùn)動(dòng)論，它的主要思想包括三點(diǎn)：宏觀物體是由大量分子組成的；分子在永不停息地做無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)；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(xué)性質(zhì)的最小粒子。大量實(shí)驗(yàn)表明，除了一些有機(jī)物大分子外，一般分子直徑的數(shù)量級(jí)為；分子的質(zhì)量也很小，一般分子質(zhì)量的數(shù)量級(jí)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?yàn)榉肿又g有間隙。3.1分子動(dòng)理論為什么酒精與水混合后總體積會(huì)減??？為什么切洋蔥時(shí)會(huì)流淚？為什么固體難以被壓縮，也不會(huì)散開？3.1分子動(dòng)理論（2）分子在永不停息地做無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)。演示實(shí)驗(yàn)3-1觀察墨汁在水中的運(yùn)動(dòng)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(shí)間后觀察墨汁的狀態(tài)，會(huì)發(fā)現(xiàn)墨汁逐漸擴(kuò)散到水中。3.1分子動(dòng)理論除了上述實(shí)驗(yàn)，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(kuò)散而產(chǎn)生的，統(tǒng)稱為擴(kuò)散現(xiàn)象。擴(kuò)散現(xiàn)象是指不同物質(zhì)彼此進(jìn)入對(duì)方的現(xiàn)象。1827年，英國(guó)植物學(xué)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(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，由此說明水分子在永不停息地做無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)。為了紀(jì)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(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)叫作布朗運(yùn)動(dòng)（見下圖）。布朗運(yùn)動(dòng)實(shí)質(zhì)上是由運(yùn)動(dòng)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(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)。3.1分子動(dòng)理論分子的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)與溫度有關(guān)，溫度越高，分子運(yùn)動(dòng)越劇烈，分子的平均動(dòng)能也越大。我們通常把分子的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)稱為熱運(yùn)動(dòng)。3.1分子動(dòng)理論（3）分子間存在相互作用的引力和斥力。擴(kuò)散現(xiàn)象和布朗運(yùn)動(dòng)都說明分子在永不停息地做無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，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?yàn)槲矬w分子之間存在著引力。而固體與液體相對(duì)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(shí)存在相互作用的引力和斥力。3.1分子動(dòng)理論3.1.2氣體的狀態(tài)參量物理量溫度、壓強(qiáng)、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(qiáng)的相關(guān)知識(shí)。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(biāo)。常用的溫標(biāo)有攝氏溫標(biāo)和熱力學(xué)溫標(biāo)，熱力學(xué)溫標(biāo)也叫作絕對(duì)溫標(biāo)。在比較兩個(gè)物體的溫度時(shí)，只有采用同一種溫標(biāo)才能比較。3.1分子動(dòng)理論日常生活中，我們常用攝氏溫標(biāo)來表示溫度。攝氏溫標(biāo)是瑞典天文學(xué)家攝爾修斯創(chuàng)立的，其物理量符號(hào)為t，單位是攝氏度，寫作℃。攝氏溫標(biāo)規(guī)定，在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，水的冰點(diǎn)和沸點(diǎn)分別為0℃和100℃。科學(xué)研究中，一般使用熱力學(xué)溫標(biāo)。熱力學(xué)溫標(biāo)是由英國(guó)物理學(xué)家開爾文創(chuàng)立的，其物理量符號(hào)為T，單位是開爾文，寫作K。熱力學(xué)溫標(biāo)把最低溫度定義為0K，稱為絕對(duì)零度。熱力學(xué)溫標(biāo)和攝氏溫標(biāo)之間的數(shù)值關(guān)系為即絕對(duì)零度對(duì)應(yīng)的狀態(tài)用攝氏溫標(biāo)表示為。3.1分子動(dòng)理論用來測(cè)定溫度的儀器叫作溫度計(jì)。溫度計(jì)有很多種形式，除了日常生活中常見的水銀溫度計(jì)、酒精溫度計(jì)，還有測(cè)低溫的半導(dǎo)體溫度計(jì)，測(cè)600℃以上高溫的熱電溫度計(jì)和光學(xué)溫度計(jì)，測(cè)星球表面溫度的光度計(jì)等。在生活中使用溫度計(jì)測(cè)定液體溫度時(shí)要注意以下幾點(diǎn)：（1）在使用前需觀察溫度計(jì)的量程和分度值。（2）使用時(shí)，溫度計(jì)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(jì)示數(shù)穩(wěn)定后再讀數(shù)。（4）讀數(shù)時(shí)玻璃泡要繼續(xù)留在被測(cè)液體中，視線要與溫度計(jì)中液柱上表面相平。3.1分子動(dòng)理論2．壓強(qiáng)由分子動(dòng)理論可知，分子在永不停息地運(yùn)動(dòng)，這會(huì)導(dǎo)致分子不斷撞擊容器壁，進(jìn)而產(chǎn)生持續(xù)的壓力。氣體的壓強(qiáng)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(dāng)溫度上升時(shí)，氣體分子的熱運(yùn)動(dòng)加劇，因此分子撞擊器壁的作用力變大，氣體的壓強(qiáng)增大。壓強(qiáng)的單位是帕斯卡，簡(jiǎn)稱帕，用符號(hào)Pa來表示。氣體的壓強(qiáng)可以用氣壓計(jì)來測(cè)定，常見的氣壓計(jì)有水銀氣壓計(jì)、金屬盒氣壓計(jì)和電子氣壓計(jì)等。在實(shí)驗(yàn)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(jì)來測(cè)定氣體壓強(qiáng)。3.1分子動(dòng)理論“馬德堡半球”實(shí)驗(yàn)是1654年，當(dāng)時(shí)的馬德堡市市長(zhǎng)奧托·馮·居里克在羅馬帝國(guó)的雷根斯堡（今德國(guó)雷根斯堡）進(jìn)行的一項(xiàng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)，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(gè)黃銅的半球殼邊緣墊上橡皮圈，然后把兩個(gè)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(shí)，周圍的大氣把兩個(gè)半球緊緊地壓在一起。物理故事3.1分子動(dòng)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(gè)半球拉開。這個(gè)實(shí)驗(yàn)說明了真空的存在，也說明了大氣壓的存在。3.1分子動(dòng)理論3.1.3熱力學(xué)能1．熱力學(xué)能的定義我們把因?yàn)槲矬w內(nèi)部分子做無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)時(shí)所具有的動(dòng)能以及分子間勢(shì)能的總和叫作物體的熱力學(xué)能。2．熱力學(xué)能的改變方法所有物體都具有熱力學(xué)能，熱力學(xué)能與物體的溫度和體積有關(guān)。當(dāng)物體溫度升高時(shí)，分子動(dòng)能增加，物體的熱力學(xué)能也隨之增加，反之亦然；同樣，當(dāng)物體的體積改變時(shí)，分子的勢(shì)能發(fā)生了改變，物體的熱力學(xué)能也隨之改變。3.1分子動(dòng)理論改變物體的熱力學(xué)能有兩種方法：一種是做功；另一種是熱傳遞。對(duì)物體做功例如，劃火柴時(shí)，火柴克服摩擦力做功，這使火柴的熱力學(xué)能增加，導(dǎo)致火柴溫度升高達(dá)到紅磷的燃點(diǎn)，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(huì)降低，其熱力學(xué)能減小；暖氣可以使它周圍的物體溫度升高，物體熱力學(xué)能增加。3.1分子動(dòng)理論綜上所述，當(dāng)外界對(duì)物體做功時(shí)，物體的熱力學(xué)能增加；當(dāng)物體對(duì)外界做功時(shí)，物體的熱力學(xué)能減少。當(dāng)外界向物體傳遞熱量時(shí)，物體的熱力學(xué)能增加；當(dāng)物體向外界傳遞熱量時(shí)，物體的熱力學(xué)能減少。做功和熱傳遞雖然都能改變物體的熱力學(xué)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(xué)能，本質(zhì)是其他形式的能與熱力學(xué)能之間的互相轉(zhuǎn)化；而熱傳遞改變物體的熱力學(xué)能，則是物體之間熱力學(xué)能的轉(zhuǎn)移。3.1分子動(dòng)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(dòng)理論課后實(shí)踐摩擦焊接作為一種焊接技術(shù)，具有以下優(yōu)點(diǎn)：（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(shí)，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(huì)產(chǎn)生火花、弧光、有害氣體，也無(wú)震動(dòng)、噪聲等。（6）容易實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化。請(qǐng)同學(xué)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(bào)告，并與同學(xué)們分享交流。3.2能量守恒定律及其應(yīng)用3.2能量守恒定律及其應(yīng)用3.2.1熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第一定律是熱力學(xué)的基礎(chǔ)，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(xué)第一定律是能量守恒定律在熱現(xiàn)象領(lǐng)域內(nèi)所具有的特殊形式。下面將分別介紹熱力學(xué)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(xué)能，如果外界在對(duì)物體做功的同時(shí)又對(duì)其傳遞熱量，那么物體熱力學(xué)能的增加就等于用這兩種方式使物體熱力學(xué)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(duì)物體做的功表示為W，物體熱力學(xué)能的增加表示為，則有3.2能量守恒定律及其應(yīng)用這個(gè)公式表明，物體熱力學(xué)能的增加量等于外界向它傳遞的熱量與外界對(duì)它做功的和，這就是熱力學(xué)第一定律。在熱力學(xué)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(fù)。如果外界對(duì)物體做功，則W為正；如果物體對(duì)外界做功，則W為負(fù)。物體的熱力學(xué)能增加，則；物體的熱力學(xué)能減少，則。在現(xiàn)代生活中，人們用電冰箱儲(chǔ)存食物，讓食物保鮮；在天熱時(shí)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(jī)、冷凝器、干燥過濾器、毛細(xì)管和蒸發(fā)器五大部件組成。當(dāng)電冰箱工作時(shí)，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(jī)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(xì)管節(jié)流、降壓成低壓常溫的液體重新進(jìn)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(dá)到人工制冷的目的。3.2能量守恒定律及其應(yīng)用知識(shí)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(jī)、冷凝器、毛細(xì)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(jī)工作時(shí)，制冷劑從室內(nèi)吸熱，向室外放熱，達(dá)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(duì)換。原來制冷時(shí)蒸發(fā)器的室內(nèi)盤管變成制熱時(shí)的冷凝器，這樣制冷系統(tǒng)從室外吸熱向室內(nèi)放熱，實(shí)現(xiàn)制熱的目的。3.2能量守恒定律及其應(yīng)用知識(shí)角3.2能量守恒定律及其應(yīng)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(jī)械運(yùn)動(dòng)時(shí)有動(dòng)能和勢(shì)能，熱運(yùn)動(dòng)有熱力學(xué)能，此外還有電能、光能、核能和化學(xué)能等。人們?cè)陂L(zhǎng)期的生活實(shí)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(yáng)能發(fā)電機(jī)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能；通過克服摩擦力做功將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱力學(xué)能；通過各種用電器將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能、熱力學(xué)能和光能等。1．能量的轉(zhuǎn)化3.2能量守恒定律及其應(yīng)用大量事實(shí)和科學(xué)研究表明，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)化為另一種形式，或者從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)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(diǎn)，都被實(shí)踐證明是錯(cuò)誤的。17—18世紀(jì)，很多人致力于生產(chǎn)一種不需要任何動(dòng)力和燃料就可以源源不斷做功的機(jī)器，這種機(jī)器被稱為永動(dòng)機(jī)。但是，隨著能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)，人們認(rèn)識(shí)到，任何一臺(tái)機(jī)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(dòng)機(jī)是不可能實(shí)現(xiàn)的。3.2能量守恒定律及其應(yīng)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(huì)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?yàn)榕c熱現(xiàn)象有關(guān)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