分子动理论热力学定律与能量守恒.ppt

选修3 3第一章热学 一 分子的大小1 直径数量级 m 2 油膜法测分子直径 d V是油滴的体积 S是水面上形成的的面积 3 分子质量的数量级为kg 10 10 单分子油膜 10 26 第1讲分子动理论热力学定律与能量守恒 4 分子的两种模型 1 球体模型直径d 2 立方体模型边长为d 二 宏观量与微观量及相互关系1 微观量 分子体积V0 分子直径d 分子质量m0 2 宏观量 物体的体积V 摩尔体积Vm 物体的质量m 摩尔质量M 物体的密度 3 关系 1 分子的质量 m0 2 分子的体积 V0 3 物体所含的分子数 n 或n 1 固体和液体分子都可看成是紧密堆集在一起的 分子的体积V0 仅适用于固体和液体 对气体不适用 2 对于气体分子 d 的值并非气体分子的大小 而是两个相邻的气体分子之间的平均距离 1 铜的摩尔质量为M 密度为 若用NA表示阿伏加德罗常数 则下列说法正确的是 A 1个铜原子的质量为B 1个铜原子占有的体积为C 1m3铜所含原子的数目为D 1kg铜所含原子的数目为 解析 1个铜原子的质量为 1个铜原子占有的体积为由1个铜原子的体积大小即可计算1m3铜所含原子的数目为1kg铜所含原子的数目为答案 CD 扩散现象和布朗运动都说明分子做无规则运动 一 扩散现象 相互接触的物体彼此进入对方的现象 温度越高 扩散越快 二 布朗运动1 产生的原因 是各个方向的液体分子对微粒碰撞的引起的 2 特点 1 永不停息 无规则运动 2 颗粒越小 运动越 3 温度越高 运动越 4 运动轨迹不确定 不平衡性 剧烈 剧烈 3 布朗颗粒 布朗颗粒用肉眼直接看不到 但在显微镜下能看到 因此用肉眼看到的颗粒所做的运动 不能叫做布朗运动 布朗颗粒大小约为10 6m 包含约1021个分子 而分子直径约为10 10m 布朗颗粒的运动是分子热运动的 宏观表现 1 布朗运动不是固体分子的运动 也不是液体分子的运动 而是小颗粒的运动 是液体分子无规则运动的反映 2 布朗运动中的颗粒很小 肉眼看不见 需用显微镜才能观察到 2 下列关于布朗运动的说法 正确的是 A 布朗运动是液体分子的无规则运动B 布朗运动是指悬浮在液体中的固体分子的无规则运动C 布朗运动说明了液体分子与悬浮颗粒之间存在着相互作用力D 观察布朗运动会看到 悬浮的颗粒越小 温度越高 布朗运动越剧烈 解析 布朗运动是悬浮在液体中的固体小颗粒的无规则运动 小颗粒由许多分子组成 所以布朗运动不是分子的无规则运动 也不是指悬浮颗粒内固体分子的无规则运动 故A B选项错误 布朗运动虽然是由液体分子与悬浮颗粒间相互作用引起的 但其重要意义是反映了液体分子的无规则运动 而不是反映了分子间的相互作用 故C选项错误 观察布朗运动会看到固体颗粒越小 温度越高 布朗运动越明显 故D选项正确 答案 D 一 分子力1 分子间同时存在着相互作用的 分子力为它们的 2 分子力的特点 1 分子间的引力和斥力都随分子间距离的增大而 随分子间距离的减小而增大 但斥力比引力变化快 引力和斥力 合力 减小 r r0时 r0的数量级为10 10m F引 F斥 分子力F 0 rr0时 F引 F斥 分子力F表现为 r 10r0时 F引 F斥迅速减为零 分子力F 0 2 分子力随分子间距离的变化图线如图1 1 1所示 3 分子力的作用使分子聚集在一起 而分子的无规则运动使它们趋于分散 正是这两个因素决定了物体的气 液 固三种不同的状态 斥力 引力 二 分子的平均动能和势能1 分子的平均动能 1 定义 物体内所有分子动能的 2 决定因素 仅与物体的有关 而与其他任何量无关系 2 分子势能 1 概念 由分子间的相互作用和决定的能量 2 分子势能大小的相关因素 微观上 分子势能的大小与有关 当分子间距离改变时 分子力做功 分子势能也相应变化 宏观上 与物体的有关 大多数物体是越大 分子势能越大 也有少数物体 如冰 铸铁等 变大 分子势能反而变小 平均值 温度 相对位置 分子间距 体积 体积 体积 3 物体的内能 1 定义 物体内所有分子的和的总和 2 决定因素 微观上 分子动能 分子势能 宏观上 物质的量 摩尔数 动能 势能 分子数 温度 体积 4 物体内能的变化 1 改变内能的两种方式 做功 当做功使物体的内能发生改变的时候 外界对物体做了多少功 物体内能就多少 物体对外界做了多少功 物体内能就多少 增加 减少 热传递 当热传递使物体的内能发生改变的时候 物体吸收了多少热量 物体内能就多少 物体放出了多少热量 物体内能就多少 2 两种改变方式间的关系 两者在上是等效的 两者的本质区别 做功是其他形式的能和内能的相互 热传递是内能的 增加 减少 内能改变 转化 转移 物体的内能和机械能的比较 比较 名称 1 物体的体积越大 分子势能不一定就越大 如0 的水结成0 的冰后体积变大 但分子势能却减小了 2 理想气体分子间相互作用力为零 故分子势能忽略不计 一定质量的理想气体内能只与温度有关 3 机械能和内能都是对宏观物体而言的 不存在某个分子的内能 机械能的说法 温度 内能 热量 功之间的关系温度和内能是状态量 热量和功则是过程量 热传递的前提条件是存在温差 传递的是热量而不是温度 实质上是内能的转移 3 如图1 1 2所示 纵坐标表示两个分子间引力 斥力的大小 横坐标表示两个分子间的距离 图中两条曲线分别表示两分子间引力 斥力的大小随分子间距离的变化关系 e为两曲线的交点 则下列说法正确的是 A ab为斥力曲线 cd为引力曲线 e点横坐标的数量级为10 10mB ab为引力曲线 cd为斥力曲线 e点横坐标的数量级为10 10mC 若两个分子间距离大于e点的横坐标 则分子间作用力的合力表现为斥力D 若两个分子间距离越来越大 则分子势能亦越来越大 解析 e点横坐标等于分子平衡距离r0 其数量级应为10 10m 因平衡距离之内 分子斥力大于分子引力 分子力表现为斥力 则ab为引力曲线 cd为斥力曲线 B对 两分子间距离大于e点的横坐标 即r r0时 作用力的合力表现为引力 C错 若r r0时 当两分子间距离增大时 合力做正功 分子势能减小 D错 答案 B 4 分子间的势能与体积的关系 正确的是 A 物体的体积增大 分子间的势能增大B 气体分子间距离增大 分子间的势能减小C 物体的体积增大 分子间的势能有可能增大D 物体体积减小 分子间的势能增大 解析 分子间距离r r0的时候 分子间势能最小 对A 若在rr0内 分子间距离增大 分子势能增大 故B错C对 对D 若在r r0内体积减小 分子势能减小 故D不对 答案 C 一 能量守恒定律内容 能量既不会凭空产生 也不会凭空消失 它只能从一种形式转化为另一种形式 或者从一个物体转移到另一个物体 在能的转化或转移过程中其总量不变 二 热力学第一定律1 内容 一般情况下 如果物体跟外界同时发生做功和热传递的过程 外界对物体做的功W与物体从外界吸收的热量Q之和等于物体的内能的增加量 U 2 表达式 U 3 对公式 U Q W符号的规定 W Q 三 热力学第二定律两种表述 1 不可能使热量由低温物体传递到高温物体 而 2 不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来对外做功 而不引起其他变化 不引起其他变化 1 两类永动机的比较2 热力学第一定律 1 在应用热力学第一定律时 应特别分清W Q的正负号 以便准确地判断 U的正 负 2 容易出错的几种特殊情况 若是绝热过程 则Q 0 W U 即外界对物体做的功等于物体内能的增加 若过程中不做功 即W 0 则Q U 物体吸收的热量等于物体内能的增加 若过程的始末状态物体的内能不变 即 U 0 则W Q 0或W Q 外界对物体做的功等于物体放出的热量 3 热力学过程方向性实例 1 高温物体低温物体 2 功热 3 气体体积V1气体体积V2 较大 4 不同气体A和B混合气体AB 4 热力学第一定律和热力学第二定律的关系热力学第一定律是和热现象有关的物理过程中能量守恒的特殊表达形式及热量与内能改变的定量关系 而第二定律指出了能量转化与守恒能否实现的条件和过程进行的方向 指出了一切变化过程的自然发展是不可逆的 除非靠外界影响 所以二者相互联系 又相互补充 5 2009 重庆 14 密闭有空气的薄塑料瓶因降温而变扁 此过程中瓶内空气 不计分子势能 A 内能增大 放出热量B 内能减小 吸收热量C 内能增大 对外界做功D 内能减小 外界对其做功解析 气体的温度降低 则内能减小 又外界对气体做了功 由热力学第一定律知 气体要向外放出热量 答案 D 6 2009 四川 16 关于热力学定律 下列说法正确的是 A 在一定条件下物体的温度可以降到0KB 物体从单一热源吸收的热量可全部用于做功C 吸收了热量的物体 其内能一定增加D 压缩气体总能使气体的温度升高 解析 0K是低温的极限 任何物体的温度只能接近而不能达到 所以A项错误 根据热力学第二定律 物体不可能从单一热源吸收热量全部用来对外做功而不产生其他影响 但在 产生其他影响的情况 下 也可以从单一热源吸收热量全部用来做功 所以B项正确 内能的改变与热传递和做功同时有关 所以C D错误 答案 B 7 下列说法中正确的有 A 第二类永动机和第一类永动机一样 都违背了能量守恒定律B 热机的效率从原理上讲可达100 C 因为能量守恒 所以 能源危机 是不可能的D 自然界中的能量尽管是守恒的 但有的能量便于利用 有的不便于利用 故要节约能源 解析 第二类永动机是指从单一热源吸收 全部用来对外做功而不引起其他变化的机器 它并不违背能量守恒定律 却违背了热力学第二定律 第一类永动机是不消耗能量却可以源源不断地对外做功的机器 它违背能量守恒定律 所以选项A错误 从热力学第二定律的表述可知 任何热机的效率都达不到100 因此B错 关于 能源危机 必须明确以下几点 1 能源是提供能量的资源 如煤 石油等 2 人们在消耗能源时 放出热量 部分转化为内能 部分转化为机械能 但最终基本上都转化成了内能 人们无法把这些内能全部收集起来重新利用 能量耗散 而可供利用的能源是有限的 因此 能源危机 并非说明能量不守恒 故C选项错误 D选项正确 答案 D 例1 已知汞的摩尔质量为M 200 5 10 3kg mol 密度为 13 6 103kg m3 阿伏加德罗常数NA 6 0 1023mol 1 求 1 一个汞原子的质量 用相应的字母表示即可 2 一个汞原子的体积 结果保留一位有效数字 3 体积为1cm3的汞中汞原子的个数 结果保留一位有效数字 解析 1 一个汞原子的质量为m0 2 一个汞原子的体积为v0 m3 2 10 29m3 3 1cm3的汞中含汞原子个数n 个 4 1022个 答案 1 2 2 10 29m3 3 4 1022个 微观量的估算问题的关键是 1 牢牢抓住阿伏加德罗常数 它是联系微观物理量和宏观物理量的桥梁 2 估算分子质量时 不论是液体 固体 还是气体 均可用m 3 估算分子大小和分子间距时 对固体 液体与气体 应建立不同的微观结构模型 1 1在标准状况下 有体积为V的水和体积为V的可认为是理想气体的水蒸气 已知水的密度为 设阿伏加德罗常数为NA 水的摩尔质量为MA 标准状况下水蒸气的摩尔体积为VA 求 1 标准状况下水分子与水蒸气分子的平均动能的大小关系怎样 2 它们各含有多少水分子 3 它们中相邻两个水分子之间的平均距离是多大 解析 1 相等 2 体积为V的水 质量为M V 分子个数为N NA 由 得N NA 对体积为V的水蒸气 分子个数为N NA 3 设相邻的两个水分子之间的平均距离为d 将水分子视为球形 每个水分子的体积为v0 由 得 d 设相邻的水蒸气中两个水分子之间距离为d 将水分子点周围的空间视为正方体 v0 由 得d 答案 1 相等 2 3 例2 图1 1 3为电冰箱的工作原理示意图 压缩机工作时 强迫制冷剂在冰箱内外的管道中不断循环 在蒸发器中制冷剂汽化吸收箱体内的热量 经过冷凝器时制冷剂液化 放出热量到箱体外 图1 1 3 1 下列说法正确的是 A 热量可以自发地从冰箱内传到冰箱外B 电冰箱的制冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界 是因为其消耗了电能C 电冰箱的工作原理不违反热力学第一定律D 电冰箱的工作原理违反热力学第一定律 解析 热力学第一定律是热现象中内能与其他形式能的转化规律 是能的转化和守恒定律的具体表现 适用于所有的热学过程 故C正确 D错误 由热力学第二定律可知 热量不能自发地从低温物体传给高温物体 除非有外界的影响或帮助 电冰箱把热量从低温的内部传到高温的外部 需要压缩机的帮助并消耗电能 故应选B C 答案 BC 2 电冰箱的制冷系统从冰箱内吸收的热量与释放到外界的热量相比 有怎样的关系 答案 由热力学第一定律可知 电冰箱从冰箱内吸了热量 同时消耗了电能 释放到外界的热量比从冰箱内吸收的热量多 1 当做功和热传递两种过程同时发生时 内能的变化就是要用热力学第一定律进行综合分析 2 做功情况看气体的体积 体积增大 气体对外做功 W为负 体积缩小 外界对气体做功 W为正 若与外界绝热 则不发生热传递 此时Q 0 2 1一定质量的非理想气体 分子间的作用力不可忽略 从外界吸收了4 2 105J的热量 同时气体对外做了6 105J的功 则 1 气体的内能 填 增加 或 减少 其变化量的大小为 J 2 气体的分子势能 填 增加 或 减少 3 分子平均动能如何变化 解析 1 因气体从外界吸收热量 所以Q 4 2 105J 气体对外做功6 105J 则外界对气体做功W 6 105J 由热力学第一定律 U W Q 得 U 6 105J 4 2 105J 1 8 105J 所以物体内能减少了1 8 105J 2 因为气体对外做功 体积膨胀 分子间距离增大了 分子力做负功 气体的分子势能增加了 3 因为气体内能减少了 而分子势能增加了 所以分子平均动能必然减少了 且分子平均动能的减少量一定大于分子势能的增加量 答案 1 减少1 8 105J 2 增加 3 减少 2 2 1 第一类永动机不可能制成是因为其违反了 第二类永动机不可能制成是因为其违反了 2 在一个大气压下 水在沸腾时 1g水吸收2263 8J的热量后由液态变成同温度的气态 其体积由1 043cm3变成1676cm3 求 1g水所含的分子个数 体积膨胀时气体对外界做的功 气体的内能变化 大气压强p0 1 0 105Pa 水的摩尔质量为M 18g mol 阿伏加德罗常数NA 6 0 1023mol 1 解析 2 1g水所含的分子个数为n 1 18 6 1023 3 3 1022 个 气体体积膨胀时对外做的功为W p0 V 105 1676 1 043 10 6 167 5J 根据热力学第一定律有 U Q W 2263 8 167 5 J 2096 3J 答案 1 能量守恒定律热力学第二定律 2 3 3 1022 167 5J 增加2096 3J 点击此处进入作业手册