第九章熱學
考綱要求
1、物質是由大量分子組成的，分子的熱運動、布朗運動，分子間的相互作用力 ⅰ
2、分子熱運動的動能。溫度是物體分子熱運動平均動能的標誌，物體分子間的相互作用勢能，物體的內能
3、做功和熱傳遞是改變物體內能的兩種方式，熱量，能量守恆定律 ⅰ
4、熱力學第一定律 ⅰ
5、熱力學第二定律 ⅰ
6、永動機不可能 ⅰ
7、絕對零度不可達到 ⅰ
8、能原的開發和利用。能源的利用與環境保護 ⅰ
9、氣體的狀態和狀態參量。熱力學溫度
10、氣體的體積、溫度、壓強之間的關係
11、氣體分子運動的特點
12、氣體壓強的微觀意義
知識網路：
單元切塊：
按照考綱的要求，本章內容均為ⅰ級要求，在複習過程中，不再細分為幾個單元。本章重點是分子動理論、熱和功、物體的內能。難點是對熱力學第一定律、第二定律的理解。
教學目標：
1、透徹理解分子運動論的三要素。
2、掌握阿伏加德羅常數na=6.02×1023mo1-1的含義，並能應用na將物質的巨集觀量和微觀量聯絡起來。
3、熟練掌握熱力學第一定律△e=q+w及其應用。這要求深刻理解分子動能、分子勢能、物體內能等基本概念及影響它們的因素。
4、知道熱力學第二定律，能夠對一些簡單的熱現象作出判斷
5、知道氣體的體積、溫度、壓強之間的關係，知道氣體分子運動的特點和氣體壓強的微觀意義
教學重點、難點：
從能量角度分析具體熱學問題，熟練掌握熱力學第一定律△e=q+w及其應用。這要求深刻理解分子動能、分子勢能、物體內能等基本概念及影響它們的因素。
教學過程
一、分子動理論
熱學是物理學的乙個組成部分，它研究的是熱現象的規律。描述熱現象的乙個基本概念是溫度。凡是跟溫度有關的現象都叫做熱現象。
分子動理論是從物質微觀結構的觀點來研究熱現象的理論。它的基本內容是：物體是由大量分子組成的；分子永不停息地做無規則運動；分子間存在著相互作用力。
1．物體是由大量分子組成的
這裡的分子是指構成物質的單元，可以是原子、離子，也可以是分子。在熱運動中它們遵從相同的規律，所以統稱為分子。
（1）這裡建立了乙個理想化模型：把分子看作是小球，所以求出的資料只在數量級上是有意義的。一般認為分子直徑大小的數量級為10-10m。
（2）固體、液體被理想化地認為各分子是乙個挨乙個緊密排列的，每個分子的體積就是每個分子平均占有的空間。分子體積=物體體積÷分子個數。
（3）氣體分子仍視為小球，但分子間距離較大，不能看作乙個挨乙個緊密排列，所以氣體分子的體積遠小於每個分子平均占有的空間。每個氣體分子平均占有的空間看作以相鄰分子間距離為邊長的正立方體。
（4）阿伏加德羅常數na=6.02×1023mol-1，是聯絡微觀世界和巨集觀世界的橋梁。它把物質的摩爾質量、摩爾體積這些巨集觀物理量和分子質量、分子體積這些微觀物理量聯絡起來了。
【例1】 根據水的密度為ρ=1.0×103kg/m3和水的摩爾質量m=1.8×10-2kg,，利用阿伏加德羅常數，估算水分子的質量和水分子的直徑。
解析：每個水分子的質量m=m/na=1.8×10-2÷6.
02×1023=3.0×10-26kg；水的摩爾體積v=m/ρ，把水分子看作乙個挨乙個緊密排列的小球，則每個分子的體積為v=v/na,而根據球體積的計算公式，用d表示水分子直徑，v=4πr3/3=πd3/6，得d=4×10-10 m
【例2】 利用阿伏加德羅常數，估算在標準狀態下相鄰氣體分子間的平均距離d。
解析：在標準狀態下， 1mol任何氣體的體積都是v=22.4l，除以阿伏加德羅常數就得每個氣體分子平均占有的空間，該空間的大小是相鄰氣體分子間平均距離d的立方。
，這個數值大約是分子直徑的10倍。因此水氣化後的體積大約是液體體積的1000倍。
2．分子的熱運動
物體裡的分子永不停息地做無規則運動，這種運動跟溫度有關，所以通常把分子的這種運動叫做熱運動。
（1）擴散現象和布朗運動都可以很好地證明分子的熱運動。
（2）布朗運動是指懸浮在液體中的固體微粒的無規則運動。關於布朗運動，要注意以下幾點：①形成條件是：
只要微粒足夠小。②溫度越高，布朗運動越激烈。③觀察到的是固體微粒（不是液體，不是固體分子）的無規則運動，反映的是液體分子運動的無規則性。
④實驗中描繪出的是某固體微粒每隔30秒的位置的連線，不是該微粒的運動軌跡。
（3）為什麼微粒越小，布朗運動越明顯？可以這樣分析：在任何乙個選定的方向上，同一時刻撞擊固體微粒的液體分子個數與微粒的橫截面積成正比，即與微粒的線度r的平方成正比，從而對微粒的撞擊力的合力f與微粒的線度r的平方成正比；而固體微粒的質量m與微粒的體積成正比，即與微粒的線度r的立方成正比，因此其加速度a=f/m∝r –1，即加速度與微粒線度r成反比。
所以微粒越小，運動狀態的改變越快，布朗運動越明顯。
3．分子間的相互作用力
（1）分子力有如下幾個特點：①分子間同時存在引力和斥力；②引力和斥力都隨著距離的增大而減小；③斥力比引力變化得快。
（2）引導同學們跟老師一起自己動手畫f-r圖象。先從橫座標r=r0開始（r0是處於平衡狀態時相鄰分子間的距離），分別畫斥力（設為正）和引力（設為負）；然後向右移，對應的斥力比引力減小得快；向左移，對應的斥力比引力增大得快，畫出斥力、引力隨r而變的圖線，最後再畫出合力（即分子間作用力）隨r 而變的圖線。
（3）分子間作用力（指引力和斥力的合力）隨分子間距離而變的規律是：①rr0時表現為引力；④r>10r0以後，分子力變得十分微弱，可以忽略不計。記住這些規律對理解分子勢能有很大的幫助。
（4）從本質上來說，分子力是電場力的表現。因為分子是由原子組成的，原子內有帶正電的原子核和帶負電的電子，分子間複雜的作用力就是由這些帶電粒子間的相互作用而引起的。（也就是說分子力的本質是四種基本基本相互作用中的電磁相互作用）。
【例3】 下面關於分子力的說法中正確的有：
a.鐵絲很難被拉長，這一事實說明鐵絲分子間存在引力
b.水很難被壓縮，這一事實說明水分子間存在斥力
c.將打氣管的出口端封住，向下壓活塞，當空氣被壓縮到一定程度後很難再壓縮，這一事實說明這時空氣分子間表現為斥力
d.磁鐵可以吸引鐵屑，這一事實說明分子間存在引力
解析：a、b正確。無論怎樣壓縮，氣體分子間距離一定大於r0，所以氣體分子間一定表現為引力。
空氣壓縮到一定程度很難再壓縮不是因為分子斥力的作用，而是氣體分子頻繁撞擊活塞產生壓強的結果，應該用壓強增大解釋，所以c不正確。磁鐵吸引鐵屑是磁場力的作用，不是分子力的作用，所以d也不正確。
4．物體的內能
（1）做熱運動的分子具有的動能叫分子動能。溫度是物體分子熱運動的平均動能的標誌。溫度越高，分子做熱運動的平均動能越大。
（2）由分子間相對位置決定的勢能叫分子勢能。分子力做正功時分子勢能減小；分子力作負功時分子勢能增大。（所有勢能都有同樣結論：重力做正功重力勢能減小、電場力做正功電勢能減小。）
由上面的分子力曲線可以得出：當r=r0即分子處於平衡位置時分子勢能最小。不論r從r0增大還是減小，分子勢能都將增大。
如果以分子間距離為無窮遠時分子勢能為零，則分子勢能隨分子間距離而變的圖象如右。可見分子勢能與物體的體積有關。體積變化，分子勢能也變化。
（3）物體中所有分子做熱運動的動能和分子勢能的總和叫做物體的內能。
物體的內能跟物體的溫度和體積都有關係：溫度公升高時物體內能增加；體積變化時，物體內能變化。
【例4】 下列說法中正確的是
a.物體自由下落時速度增大，所以物體內能也增大
b.物體的機械能為零時內能也為零
c.物體的體積減小溫度不變時，物體內能一定減小
d.氣體體積增大時氣體分子勢能一定增大
解析：物體的機械能和內能是兩個完全不同的概念。物體的動能由物體的巨集觀速率決定，而物體內分子的動能由分子熱運動的速率決定。
分子動能不可能為零（溫度不可能達到絕對零度），而物體的動能可能為零。所以a、b不正確。物體體積減小時，分子間距離減小，但分子勢能不一定減小，例如將處於原長的彈簧壓縮，分子勢能將增大，所以c也不正確。
由於氣體分子間距離一定大於r0，體積增大時分子間距離增大，分子力做負功，分子勢能增大，所以d正確。
5．熱力學第一定律
做功和熱傳遞都能改變物體的內能。也就是說，做功和熱傳遞對改變物體的內能是等效的。但從能量轉化和守恆的觀點看又是有區別的：
做功是其他能和內能之間的轉化，功是內能轉化的量度；而熱傳遞是內能間的轉移，熱量是內能轉移的量度。
外界對物體所做的功w加上物體從外界吸收的熱量q等於物體內能的增加δu，即δu=q+w 這在物理學中叫做熱力學第一定律。
在這個表示式中，當外界對物體做功時w取正，物體克服外力做功時w取負；當物體從外界吸熱時q取正，物體向外界放熱時q取負；δu為正表示物體內能增加，δu為負表示物體內能減小。
【例5】 下列說法中正確的是
a.物體吸熱後溫度一定公升高
b.物體溫度公升高一定是因為吸收了熱量
c.0℃的冰化為0℃的水的過程中內能不變
d.100℃的水變為100℃的水汽的過程中內能增大
解析：吸熱後物體溫度不一定公升高，例如冰融化為水或水沸騰時都需要吸熱，而溫度不變，這時吸熱後物體內能的增加表現為分子勢能的增加，所以a不正確。做功也可以使物體溫度公升高，例如用力多次來回彎曲鐵絲，彎曲點鐵絲的溫度會明顯公升高，這是做功增加了物體的內能，使溫度上公升，所以b不正確。
冰化為水時要吸熱，內能中的分子動能不變，但分子勢能增加，因此內能增加，所以c不正確。水沸騰時要吸熱，內能中的分子動能不變但分子勢能增加，所以內能增大，d正確。
6．能量守恆定律
能量守恆定律指出：能量即不會憑空產生，也不會憑空消失，它只能從一種形式轉化為別的形式，或者從乙個物體轉移到別的物體，在轉化或轉移的過程中其總量不變。
能量守恆定律是自然界普遍適用的規律之一，是研究自然科學的強有力的**之一。
【例6】 「奮進號」太空梭進行過一次太空飛行，其主要任務是給國際空間站安裝太陽能電池板。該太陽能電池板長l=73m，寬d=12m，將太陽能轉化為電能的轉化率為η=20%，已知太陽的輻射總功率為p0=3.83×1026w，地日距離為r0=1.
5×1011m，國際空間站離地面的高度為h=370km，它繞地球做勻速圓周運動約有一半時間在地球的陰影內，所以在它能發電的時間內將把所發電的一部分儲存在蓄電池內。由以上資料，估算這個太陽能電池板能對國際空間站提供的平均功率是多少？
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