1、第三單元 熱現(xiàn)象及應(yīng)用,第一章 分子動(dòng)理論,一、分子動(dòng)理論,1.物質(zhì)是由大量分子組成的 如圖3-2所示的是用掃描隧道顯微鏡拍攝的溴原子的照片。12個(gè)溴原子(橙色)排列成一個(gè)環(huán)狀結(jié)構(gòu)的分子。由圖可知，分子有一定的大小，分子間存在空隙，分子的排列有特定的結(jié)構(gòu)。,一、分子動(dòng)理論,由表3-1可知，除一些有機(jī)大分子外，一般物質(zhì)分子直徑的數(shù)量級(jí)為10-10m。,一、分子動(dòng)理論,2.分子永不停息地做無規(guī)則運(yùn)動(dòng) 不同物質(zhì)相互接觸時(shí)，彼此進(jìn)入對(duì)方的現(xiàn)象叫做擴(kuò)散。 八月桂花香、醫(yī)院里彌漫著消毒液的味道、一杯清水因滴入一滴墨水而變色、堆過煤的墻壁表層厚厚的煤黑這些都是擴(kuò)散引起的。不論是氣體分子、液體分子還是固體分子

2、，所有的物質(zhì)分子都是在不停地做無規(guī)則運(yùn)動(dòng)。 擴(kuò)散現(xiàn)象在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上有許多用途。,一、分子動(dòng)理論,3.分子間存在著相互作用力 兩鉛塊間一定存在著某種引力。我們把這種力稱為分子力。 同時(shí)，分子間是有空隙的，而且在壓縮液體或固體時(shí)需要用很大的力。這說明分子之間還存在著斥力。,一、分子動(dòng)理論,分子間同時(shí)存在著引力和斥力。如圖3-7所示的是分子力與分子間距的關(guān)系。 圖中，線1和線3表示分子斥力和分子引力隨間距的變化關(guān)系，線2表示它們的合力隨間距的變化關(guān)系。,一、分子動(dòng)理論,由圖可見： 當(dāng)分子間的距離等于r0時(shí)，分子力為0； 當(dāng)分子間的距離大于r0時(shí)，分子力表現(xiàn)為引力； 當(dāng)分子間的距離小于r0時(shí)，分子力表

3、現(xiàn)為斥力； 當(dāng)分子間的距離超過直徑的10倍時(shí)，分子力接近0。,二、溫度,1.溫度 物質(zhì)由分子組成，溫度反映物體的冷熱程度。 墨水在溫度高的水中擴(kuò)散得快。擴(kuò)散得快表明分子做無規(guī)則運(yùn)動(dòng)劇烈，這說明分子的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)與溫度有關(guān)。通常把分子的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)稱為熱運(yùn)動(dòng)。,二、溫度,做熱運(yùn)動(dòng)的分子也具有動(dòng)能。在熱現(xiàn)象的研究中，關(guān)注的是分子動(dòng)能的平均值，即分子的平均動(dòng)能。 研究表明，溫度升高，分子的熱運(yùn)動(dòng)加劇，分子的平均動(dòng)能增加；溫度降低，分子熱運(yùn)動(dòng)變慢，分子的平均動(dòng)能減小。 溫度是大量分子做無規(guī)則運(yùn)動(dòng)的分子平均動(dòng)能的標(biāo)志。這就是溫度的微觀意義。,二、溫度,2.溫標(biāo) 溫標(biāo)是為量度物體溫度的高低而對(duì)測溫標(biāo)尺的零點(diǎn)和

4、分度法所作的規(guī)定。只有采用相同的溫標(biāo)，才能用數(shù)值來比較不同物體的溫度。 常用的是3種溫標(biāo)，即攝氏溫標(biāo)、華氏溫標(biāo)和熱力學(xué)溫標(biāo)。,二、溫度,在日常生活中，一般用攝氏溫標(biāo)，用t表示，單位是攝氏度()； 在科學(xué)研究中，常使用熱力學(xué)溫標(biāo)，用T表示，單位是開爾文(K)。熱力學(xué)溫標(biāo)與攝氏溫標(biāo)之間的換算關(guān)系為：,二、溫度,3.溫度計(jì) 溫度計(jì)是測溫儀器的總稱。常用的液體溫度計(jì)一般有3種：酒精溫度計(jì)、水銀溫度計(jì)和煤油溫度計(jì)。它們都是利用熱脹冷縮的原理制成的。 酒精溫度計(jì) 它的工作物質(zhì)是酒精。在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，酒精凝固點(diǎn)是-114，所以在北方寒冷的季節(jié)通常會(huì)使用酒精溫度計(jì)來測量溫度。水銀的凝固點(diǎn)是-39，在寒冷地區(qū)會(huì)

5、因?yàn)闅鉁靥投顾y凝固，無法進(jìn)行正常的溫度測量。,二、溫度,水銀溫度計(jì) 醫(yī)用體溫計(jì)的工作物質(zhì)是水銀。由于人體溫度的變化在3542，所以體溫計(jì)的刻度通常是3542，每度的范圍又分成10份，因此體溫計(jì)可精確到01。一般的水銀溫度計(jì)可以測到300以上的高溫。 煤油溫度計(jì) 它的工作物質(zhì)是煤油。煤油的沸點(diǎn)一般高于150，凝固點(diǎn)低于-30。煤油溫度計(jì)可比酒精溫度計(jì)測更高的溫度。,三、氣體的壓強(qiáng),從分子動(dòng)理論的觀點(diǎn)看來，氣體的壓強(qiáng)就是大量氣體分子作用在器壁單位面積上的平均作用力。 氣體分子的平均動(dòng)能越大，氣體分子越密，對(duì)單位面積器壁產(chǎn)生的壓力就越大，氣體的壓強(qiáng)就越大。 在國際單位制中，壓強(qiáng)的單位是帕斯卡，

6、簡稱帕，符號(hào)Pa。,三、氣體的壓強(qiáng),氣體的壓強(qiáng)用氣壓計(jì)來測量，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。 水銀氣壓計(jì)是利用托里拆利原理來測定大氣壓的一種裝置。水銀氣壓計(jì)準(zhǔn)確性高，但體積偏大，易破損，攜帶不方便，一般適用于氣象、教學(xué)、科研。,三、氣體的壓強(qiáng),如圖所示的金屬盒（無液）氣壓計(jì)體積小巧、攜帶方便，但準(zhǔn)確性略差，一般用在一些只需要顯示氣壓的設(shè)備上，如醫(yī)用氧氣瓶、大煤氣罐、空氣壓縮機(jī)、爆米花機(jī)和鍋爐等。,三、氣體的壓強(qiáng),目前，一般用電子氣壓計(jì)（如圖所示）替代原有的指針式氣壓計(jì)。電子氣壓計(jì)采用氣壓傳感器和低功耗的電子芯片以及高精密電子器件組成，它的顯著優(yōu)點(diǎn)是操作簡便。,四、熱力學(xué)

7、能,1.分子動(dòng)能和勢(shì)能 做熱運(yùn)動(dòng)的分子具有的動(dòng)能叫做分子動(dòng)能。通過前面的擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)可知，溫度越高，分子熱運(yùn)動(dòng)越劇烈，分子平均動(dòng)能越大。 與此相類似，分子之間存在著分子力，分子之間也有勢(shì)能，這種勢(shì)能稱為分子勢(shì)能。分子勢(shì)能的大小與分子間的距離有關(guān)。,四、熱力學(xué)能,2.熱力學(xué)能 物體內(nèi)所有的分子動(dòng)能和分子勢(shì)能的總和，叫做物體的熱力學(xué)能。 一切物體都是由永不停息地做無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)并且相互作用的分子組成的，因此任何物體都具有熱力學(xué)能。,第二章 能量守恒定律,一、熱力學(xué)第一定律,1.做功與熱力學(xué)能 如圖3-14所示的是空氣壓縮引火儀，里面預(yù)先放一小塊浸了乙醚的棉花，用手掌迅速地拍打活塞柄，推動(dòng)活塞快速向下，可

8、以觀察到棉花燃燒起來了。,一、熱力學(xué)第一定律,夏天，手持殺蟲氣霧劑罐噴灑時(shí)，能感覺到氣罐變涼。這是因?yàn)闅夤迌?nèi)的壓縮氣體在噴出過程中膨脹對(duì)外做功，氣體的熱力學(xué)能減少、溫度降低。 結(jié)論，做功可以改變物體的熱力學(xué)能。外界對(duì)物體做功可以使物體的熱力學(xué)能增加，物體對(duì)外界做功可以使其熱力學(xué)能減少。 柴油機(jī)正是利用這個(gè)原理工作的。,一、熱力學(xué)第一定律,如圖3-15所示，在壓縮沖程中，活塞向上運(yùn)動(dòng)壓縮汽缸中的柴油和空氣的混合氣體，使得溫度升高達(dá)到混合氣體燃點(diǎn)而發(fā)生燃燒；在做功沖程中，燃燒的氣體溫度急劇升高而膨脹，推動(dòng)活塞向下運(yùn)動(dòng)對(duì)外做功。,一、熱力學(xué)第一定律,一、熱力學(xué)第一定律,2.熱傳遞與熱力學(xué)能 熱傳遞的

9、方法有3種：傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射。 (1) 熱從物體溫度較高的一部分沿著物體傳到溫度較低的部分的方式叫做熱傳導(dǎo)。 例如： 廚房用的炒鍋是利用熱傳導(dǎo)加熱食物的。因?yàn)榻饘偈菬岬牧紝?dǎo)體，而非金屬是熱的不良導(dǎo)體。炒鍋的手柄用橡膠制成就是為了阻止熱傳導(dǎo)。,一、熱力學(xué)第一定律,（2）靠氣體或液體的流動(dòng)來傳遞熱量的方式叫做對(duì)流。 對(duì)流是由于溫度不均勻而引起的，一般發(fā)生在氣體、液體這些流體中。地球周圍的大氣，靠近地面的溫度高，高空處溫度低。于是熱空氣上升、冷空氣下降，產(chǎn)生的大氣流動(dòng)，使得低層大氣與高層大氣發(fā)生了熱量交換，如果引起水汽凝結(jié)就可能形成降雨。,一、熱力學(xué)第一定律,（3）物體直接向外發(fā)射電磁波形成熱量傳遞

10、的現(xiàn)象叫做熱輻射。 輻射式取暖器，是人們利用加熱燈管的熱輻射來取暖的。太陽的能量是通過輻射傳遞到地球的。太陽能熱水器就是吸收了太陽輻射的熱量。輻射不需要媒介物質(zhì)，可以在真空中傳遞熱量，而傳導(dǎo)和對(duì)流都需要介質(zhì)才能傳熱。,一、熱力學(xué)第一定律,3.焦耳的實(shí)驗(yàn) 英國物理學(xué)家焦耳從1840年開始用了近40年的時(shí)間研究做功和熱傳遞對(duì)物體熱力學(xué)能的影響。 焦耳經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)計(jì)算出重物下降過程中所做的機(jī)械功和水溫升高所吸收的熱量，確定了做功和熱傳遞這兩種改變物體熱力學(xué)能的方法是等價(jià)的，并測出功與熱量在數(shù)量上的對(duì)應(yīng)關(guān)系。,一、熱力學(xué)第一定律,4.熱力學(xué)第一定律 既然做功和熱傳遞在改變物體熱力學(xué)能方面是等價(jià)的，那么

11、當(dāng)外界既對(duì)物體做功，又對(duì)物體傳熱時(shí)，熱力學(xué)能的增加就應(yīng)該是這兩種方式對(duì)熱力學(xué)能改變的累加。如果用U表示物體熱力學(xué)能的增加量、用Q表示外界對(duì)物體熱傳遞的熱量、用W表示外界對(duì)物體所做的功，則,一、熱力學(xué)第一定律,熱力學(xué)第一定律 物體的熱力學(xué)能變化量等于外界向它傳遞的熱量與外界對(duì)它所做功的和。 在熱力學(xué)第一定律中，如果外界向物體傳遞熱量或?qū)λ龉?，則Q為正或W為正；如果物體向外界傳遞熱量或?qū)ν庾龉?，則Q為負(fù)或W為負(fù)。不論Q和W是正還是負(fù)，其變化量總是等于二者之和。,一、熱力學(xué)第一定律,【例題3-1】 西藏旅游景區(qū)門口會(huì)供應(yīng)袋裝氧氣，這些氧氣是從高壓氧氣罐中分裝的。如果分裝時(shí)氧氣體積膨脹做功30J，同

12、時(shí)從周圍空氣中吸收熱量5J，氧氣的熱力學(xué)能改變了多少?,二、能量守恒定律,1.能量及相互轉(zhuǎn)化 自然界存在各種不同形式的能，如圖3-18所示。,二、能量守恒定律,不同的能量形式與不同的運(yùn)動(dòng)形式相對(duì)應(yīng)，如物體運(yùn)動(dòng)具有機(jī)械能、分子運(yùn)動(dòng)具有熱力學(xué)能、電荷運(yùn)動(dòng)具有電能等。 不同形式的能量之間可以相互轉(zhuǎn)化，摩擦生熱是通過克服摩擦做功將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱力學(xué)能；水壺中的水沸騰時(shí)水蒸氣頂起壺蓋對(duì)外做功，是熱力學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能；電流通過電熱絲做功是將電能轉(zhuǎn)化為熱力學(xué)能；等等。,二、能量守恒定律,2.能量守恒定律 能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生，也不會(huì)憑空消失，只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式或從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程中，能量的總量保持不變，這就是能量守恒定律。,二、能量守恒定律,能量守恒定律是自然界中最基本、最普遍的規(guī)律之一。例如，機(jī)械能守恒定律是動(dòng)能與勢(shì)能發(fā)生轉(zhuǎn)化時(shí)的能量守恒；熱力學(xué)第一定律是熱力學(xué)能與其他能量發(fā)生轉(zhuǎn)化時(shí)的能