物態(tài)變化及應用

6-2物態(tài)變化及應用一、教學目標1、了解固體、液體、氣體三種不同物質狀態(tài)下，分子運動的特點及液晶的特性。2、了解熔化熱和汽化熱的物理意義及熔化、凝固和蒸發(fā)現(xiàn)象中能量的變化情況；3、了解熔化和凝固、汽化和液化過程中的潛熱的計算；4、會用分子運動理論、能量守恒定律說明物態(tài)變化過程中的微觀機理。5、培養(yǎng)學生從能量角度解釋常見物理現(xiàn)象的能力。二、教學重點難點重點：熔化熱和汽化熱的概念。難點：從能量角度說明物態(tài)變化時存在潛熱的現(xiàn)象。（應從分子力做功的角度來引導學生分析這一現(xiàn)象并說明變化過程中的微觀機理。）三、教學器材光盤。四、教學建議教法建議討論、講解法。教學設計方案（一）引入新課同學們我們知道，分子間的引力、斥力和分子熱運動的對立統(tǒng)一，使物質有了固體、液體、氣體等各種不同的形態(tài)，而正是這些物質微觀結構的不同才使它們呈現(xiàn)出不同的狀態(tài)和性質。在一定條件下，這三種狀態(tài)可以相互轉化，即發(fā)生物態(tài)變化。物質的各種狀態(tài)之間怎樣相互變化，物態(tài)變化遵循哪些規(guī)律，物態(tài)變化有哪些應用，就是本節(jié)要研究的問題。請同學們回憶一種現(xiàn)象：在晶體熔化或液體汽化時，物質需要從外界吸收熱量，但它們的溫度并不升高。這是為什么？在物態(tài)變化時，物體與外界交換的熱量好像潛藏在物質內部，因此，這部分熱量叫做潛熱。下面我們先來了解固體、液體、氣體三種不同物質狀態(tài)下，分子運動的特點及液晶的特性，然后討論、學習熔化和汽化現(xiàn)象中為什么會存在潛熱，并給出潛熱的計算方法。（二）引出課程內容１．固、液、氣體的基本性質固體具有一定的形狀和體積。固體可分為晶體、非晶體和準晶體。常見的晶體有雪花(冰)、食鹽、石英、云母、明礬等，非晶體有玻璃、塑料、橡膠、蜂蠟、瀝青等。晶體和非晶體在外觀和物理性質上有很大的區(qū)別。準晶體是l984年才發(fā)現(xiàn)的它是金屬的互化物具外形是規(guī)則的凸多面體原子排列不像非晶體那樣完全無序但又不具有晶體所具有的平移周期性某些準晶體的特殊性質已被開發(fā)應用準晶體組成與結構的規(guī)律還有待于進一步研究。晶體具有規(guī)則的天然外形，如雪花是六角形，食鹽的晶體呈立方體等，非晶體沒有規(guī)則的幾何形狀。在物理性質上，晶體有一定熔點，非晶體沒有確定的熔點。晶體在不同方向上的導熱性、導電性、機械強度等都不相同，即晶體的各向異性，非晶體沒有這些差別，是各向同性的。例如，在石英片上均勻地涂上一層石蠟，用熾熱的金屬球去接觸石英片的反面，則石蠟沿著以接觸點為中心，向四周熔化成橢圓，這表明晶體石英在各個方向上的導熱性不同。如果用玻璃代替石英重做上述實驗，發(fā)現(xiàn)熔化了的石蠟在玻璃上總呈圓形，這表示非晶體玻璃在各個方向上的導熱性相同。（1）固體、液體、氣體的特點固體的特點：具有一定的形狀和體積。晶體（雪花、食鹽、石英、云母、明礬等）晶體的物理性質：①有規(guī)則的天然外形②有一定熔點③有各向異性（在不同方向上的導熱性、導電性、機械強度等都不相同）固體分為兩大類非晶體（玻璃、塑料、橡膠、蜂蠟、瀝青等）非晶體的物理性質：①沒有規(guī)則的幾何形狀②沒有確定的熔點蒸發(fā)的結果會使液體的溫度降低，為了維持液體的溫度不變，外界必須給液體一定的熱量。例如：在炎熱的夏天，給地面灑上一些水，人會感覺涼快就是因為蒸發(fā)使環(huán)境溫度降低了。提問：為什么液體汽化時需要吸收熱量呢？在學生回答后總結：因為液體汽化時，它的分子要從液態(tài)的分子熱運動狀態(tài)轉變成氣態(tài)分子的熱運動狀態(tài)。由于物質的氣態(tài)分子要比同溫度的液態(tài)分子間的距離大得多，因此，由液態(tài)變成氣態(tài)，分子要克服液體分子的引力做功，增加分子的勢能；又因氣體所占的體積遠大于形成氣體的同質量的液體的體積，在汽化的同時，還要反抗外部壓強做功。由熱力學第一定律可以看出，液體汽化時所吸收的熱量一部分用來增加氣體的內能(因溫度不變，增加的是分子的勢能)，另一部分用來反抗外部壓強做功。由于不同液體的分子力不同，所以，相同質量的不同液體、在相同壓強和相同溫度下汽化時吸收的熱量也不同。為了表明液體物質的這種性質，物理上引人汽化熱的概念：單位質量的某種液體變成同溫度的蒸汽所吸收的熱量叫做該種液體的汽化熱。（2）汽化熱：單位質量的某種液體變成同溫度的蒸汽所吸收的熱量叫做該種液體的汽化熱。如果用表示汽化熱，表示液體汽化的質量，表示汽化時液體由外界吸收的熱量，那么汽化熱的單位：焦耳每千克，符號是J/kg。實驗證明，在相同條件下，單位質量的氣體凝結成液體時放出的熱量等于它的氣化熱。提問：液體汽化的溫度是多少？液體汽化沒有一定的溫度，汽化在任何溫度下都可發(fā)生。同種液體在不同溫度下汽化時，所需的汽化熱也不同。其主要原因是，溫度升高，液體的體積膨脹，分子間距離增大，分子間引力變小，所以，液體分子脫離液體汽化時需要做的功也減小，汽化熱隨溫度的升高而減小。液體的汽化熱除與物質的性質有關外，還與外部壓強有關。表6-2給出了在101325Pa壓強下幾種物質的沸點和汽化熱。（教師介紹講解）表6-3給出了水在101325Pa壓強下幾種不同溫度時汽化熱。（教師介紹講解）３．液晶（教師適當介紹液晶的特點及應用）早在1888年，德國物理學家列曼和奧地利植物學家萊尼茨就已經發(fā)現(xiàn)了某些有機化合物被加熱時，在一定的溫度范圍內，出現(xiàn)了一種介于固態(tài)與液態(tài)之間特殊的過渡性物質狀態(tài)。實驗結果發(fā)現(xiàn)，在這種狀態(tài)下，它既具有流體的流動性又具有晶體的各向異性等特點，這種過渡狀態(tài)的特殊物質稱為液態(tài)晶體，簡稱為液晶。液晶對外界因素如聲、光、熱、力、電磁以及化學試劑等極為敏感，只需很小的能量就能使它的排列發(fā)生明顯的變化，因而被廣泛應用于電子、航空、生命科學等現(xiàn)代科學技術中。例如，利用液晶具有優(yōu)異的光電效應而將其作為一種新型的顯示材料，在數(shù)字與圖像顯示技術上開創(chuàng)了新的方法。目前，我們使用的電子手表，電子計算器，筆記本電腦等儀器中，均采用了液晶顯示。液晶顯示具有耗能少、體積小、視覺明顯等優(yōu)點。因而大大拓寬了電子顯示技術的應用范圍。20世紀80年代開發(fā)的液晶電視，現(xiàn)已能像畫匾一樣方便地掛在墻壁上收看了，而液晶立體電視也已獲得了極大的成功。又如，利用液晶靈敏的溫度效應制作的溫度探測器，在醫(yī)學上可用來檢查腫瘤，腫瘤部分溫度與正常組織溫度的差別通過液晶溫度探測器可以清楚地顯示出來?？茖W家們還發(fā)現(xiàn)，生命過程中的很多生物反應都是在液晶環(huán)境中進行的，因此對生物系統(tǒng)中液晶態(tài)的研究將使與生命有關的許多奇妙而又復雜的問題得到更深刻的了解。4．例題講解例題在地球大氣層上垂直于太陽光的平面上，每平方米每秒可接收到1.35×103J的太陽能。這些能量平均大約只有15%能到達地球表面。已知地球表面水域占全球面積的71%，設平均氣化熱，試求每秒進入大氣的平均水蒸發(fā)量m。解地球大氣層垂直于太陽光的每平方米面積上每秒接收的太陽能，稱為太陽常層垂直于太陽光的面積約為數(shù)，地球大氣。地球表面水域每秒吸收的太陽能約為因此，每秒平均蒸發(fā)量為（三）小結1.固體分類：晶體（單晶體、多晶體）、非晶體、準晶體。晶體與非晶體的區(qū)別源于內部結構的根本不同，構成晶體的微粒在空間排列有序，導致單晶體各向異性，有規(guī)則的幾何外形，有確定的熔點。所以表現(xiàn)在熔化過程中有無固定的熔化溫度。2.液體、其微觀結構比較接近于固體，與非晶體很相似。具有一定的體積，不易被壓縮。分子間距很小，相互作用較大。3.氣體、分子間距比液體增加很多，分子間作用力幾乎為零，分子間熱運動起決定性作用。沒有一定的體積和形狀。4.從能量的角度表述：物態(tài)變化的物理概念及物理量。