高中物理竞赛讲义热学讲义提纲.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,1,热 学,2,热力学,热物理的宏观理论。从对热现象的大量观察和实验测量中总结出规律性的性质。,统计物理,从微观出发,运用统计方法，认为宏观性质是大量微观粒子热运动的统计平均值决定的。,热力学和统计物理学，在对热现象的研究中，相辅相成。前者对热现象给出普遍而可靠的结果，可以用来验证后者的正确性，后者则可深入研究热现象的本质，使得热力学的理论具有更深刻的意义。,什么是热学,?,3,去粗取精，去伪存真,抓住主要矛盾,模型,锁定目标，抓住重点内容,4,高中物理竞赛内容,1,、分子动理论,原子和分子的数量级,分子的热运动 布朗运动,气体分子速率分布律,（定性）温度的微观意义,分子力,分子的动能和分子间的势能 物体的内能,5,2,、气体的性质,热力学温标 气体实验定律,理想气体状态方程 普适气体恒量,理想气体状态方程的微观解释（定性）,3,、热力学第一定律,理想气体的内能,热力学第一定律在理想气体等容、等压、等温过程中的应用 定容热容量和定压热容量 等温过程中的功（不推导）绝热方程（不推导）,热机及效率 制冷机和制冷系数,6,4,、,热力学第二定律,热力学第二定律的定性表述 可逆过程与不可逆过程 宏观过程的不可逆性 理想气体的自由膨胀 热力学第二定律的统计意义,5,、液体的性质,液体分子运动的特点,表面张力系数,球形液面下的附加压强,浸润现象和毛细现象（定性）,7,6,、固体的性质,晶体和非晶体 空间点阵,固体分子运动的特点,7,、物态变化,熔化和凝固 熔点 熔化热,蒸发和凝结 饱和气压 沸腾和沸点 汽化热 临界温度,固体的升华,空气的湿度和湿度计 露点,8,8,、热传递的方式,传导,导热系数,对流 辐射,黑体辐射 斯特潘定律,9,、热膨胀,热膨胀和膨胀系数,9,常见热学物理量及单位,温度,T,单位,K,压强,p,，,Pa,或,N/m,2,其它,atm,mmHg,体积,V,，,m,3,质量,m,，,kg,摩尔质量,M,状态量、过程量,10,热学中常用的常量,普适气体常量：,玻尔兹曼常数：,阿佛加得罗常数：,满足：,R=N,A,k,11,12,状态方程 重点,四个定律,第,O,定律,温度,第一定律,能量守恒与转化，重点,第二定律,热学过程的方向,第三定律,内能,分子动理论,小知识点：相变、附加压强，等等,13,13,2025/1/24 周五,热力学系统,或,热力学体系,.,热力学系统的分类,状态参量,特点：,有边界,(,可以是实的,也可以是虚的,),；,大量微观粒子；环境；,系统和环境间有作用,能量传递,(,传热,作功,),物质交换,物质交换,能量传递,系统,一、分子动理论,1,热力学系统,及分类,14,14,2025/1/24 周五,2.1,热力学第零定律（,热平衡定律,),2.2 温度,2.3 温标,2.3.1,经验温标,2.3.2,热力学温标,2.3.3,国际实用温标,2 热力学第零定律,与温度，温标,15,3 气体平衡态的分子动理论基本概念,3.1,布朗运动,3.2,分子间的碰撞,平均自由程和碰撞频率,分子碰撞,(,散射,),截面,气体分子按自由程的分布,3.3 分子按速度分布及按速率分布的统计描述,速度空间,速度分布函数,速率分布函数,3.4分子间的相互作用力,16,气体的,分子参数,(,标况下）,1,、分子密度（,1mol,）,2,、分子平均距离,L,3,、,估计水分子的大小,气体分子模型,17,温度的微观解释,理想气体状态方程,:,理想气体压强公式,:,分子热运动的平均平动能,:,上式表明，温度高低是物体内部大量分子无规则热运动剧烈程度的标志。,18,18,内能,=,分子动能,+,相互作用势能,+,电子能,+,核能,+,对气体,:,理想气体的内能,19,19,2025/1/24 周五,玻意耳,马略特定律,盖,吕萨克定律,查理定律,阿伏伽德罗定律,1 理想气体状态方程,二、气体的性质,20,20,2025/1/24 周五,21,例,1,一容器储有氧气，压强为,p=1.0atm,温度为,27,摄氏度，求,1,）单位体积的分子数,2,）氧气密度,3,）氧分子质量,4,）分子间平均距离,5,）分子平均平动能,22,例,2,质量为,50.0g,、温度为,18.0,0,C,的氦气装在容积为,10.0L,的封闭容器内，容器以,v=200m/s,的速率做匀速直线运动。若容器突然停止，定向运动的动能全部转化为分子的热运动的动能，则平衡后氦气的温度和压强各增大到多少？,23,23,2025/1/24 周五,例,3,一球形热气球，总质量,(,包括隔热很好的球皮以及吊篮等装置）为,kg,经加热后，气球膨胀到最大体积，其直径为,m,设球内外气体成分相同，球内气体压强稍高于大气压，,已,知大气温度为摄氏度，压强为,atm,，标准状态下空气的密度为.,kg/m,3,试问热气球刚能上升,时,，球内空气的温度应为多少？,24,24,2025/1/24 周五,道尔顿分压定律,Dalton Law,（,J.Dalton,，,1801,）：,“混合气体的总压强等于各组分气体的分压强之和”。,定义各组分的,体积百分比,：设想混合气体中所含的某种组分单独处在与混合气体,相同的压强及温度,的状态下，其体积占混合气体体积的百分比。,2 混合理想气体状态方程,Equation of state for mixed ideal gases,25,例,4,：空气是由,76%,的氮气、,23%,的氧气、,1%,的氩气组成（其余气体很少，忽略不计），求空气的平均相对分子质量及在标况下的密度,微观配容与宏观分布,26,例,5,，由摩尔质量为,m,的气体组成密度均匀大气层包围半径为,r,，质量为,M,的行星。求行星表面上大气温度。大气层厚度为,h r,例,6,，在圆筒活塞下盛有,20g,氦气，将它从,状态,1,（）缓慢地过渡到状态,2,（）。,如果压强与体积关系图像,是一条直线，求在这个过,程中达到的最高温度。,27,例,7,，用不导热材料制成圆筒容器，不导热隔板将容器分为两部分，其体积为,V,1,和,V,2,。第,1,部分内有温度,T,1,和压强,p,1,的气体，第,2,部分内有同种气体，但温度,T,2,和压强,p,2,。如果拿走隔板，则在容器内气体达到恒定时的温度为多少？,例,8,，在圆筒容器内的活塞下有温度,t=20C,的饱和水蒸气。当保持恒温缓慢推进活塞时，容器里释放热量,Q=84KJ,。求这时作用在活塞上的外力做多少功。,28,例,9,绝热圆筒容器立在桌上，,借助导热的轻活塞,A,和不导热,的重活塞,B,将容器分成长均,为,L=0.4,的两室，每室内,有,1mol,理想的单原子气体。,开始系统处于热平衡，缓慢加热气体，使它吸收热量,Q=200J,。当活塞,A,和容器壁之间的摩擦力为多大时，该活塞将保持不动？活塞,B,可以无摩擦地运动。,29,例,10,，据说在克尼菲勋爵档案,馆里发现一张有关理想气体循环过程图，由于年代久远，画已褪色且,p,（压强）和,V,（体积）坐标轴消失，仅保留两轴交点,O,。从对画的说明中可知，在,A,点气体温度最高，从,V,轴正方向看去沿逆时针向,p,轴正方向转角最小。试作图重建,p,和,V,轴的位置。,30,例,11,，在轻活塞下的容器内充氦气，活塞距容器底的高度为,H,，容器和,活塞绝热，活塞能无摩擦地移,动。从活塞上方某一高度无初,速度地释放弹性小球，为了在,系统稳定平衡（球落在活塞上）,时活塞位置不变，这个高度,h,是多少？,31,例,12,，面包圈形的容器,里放置两个面积为,S,的薄,活塞，用劲度系数为,k,的,轻弹簧连接如图所示,.,最,初容器内封闭了压强为,p,0,，温度为,T,的气体，弹簧不伸长，弹簧部分封闭的体积占全部容器体积,V,0,的,a,=1/10,。为了使它的体积扩大为两倍，应该对有弹簧部分间隔加热到温度为多少？容器其余部分温度不变，摩擦不计。,32,例,13,，容器内充满氦和氧的混合气，把混合气的温度从加热到，这样，有一半氦原子离开容器而剩余气体压强如前。求此过程混合气体密度变化了多少？氧的摩尔质量，氦的摩尔质量,33,33,功，内能，热量,功，广义功,内能定理,热量,热力学第一定律,准静态过程,可逆过程,体积功的计算,符号规则,三、热力学第一定律,34,34,热容量与热量的计算 焓,Heat Capacity and Enthalpy,等容过程中 热容量与内能的变化,等压过程中 热容量与内能的变化,定容热容量与定压热容量之间的关系,由热容量计算热量，焓,理想气体等容,、,等压,、,等温,、,绝热过程,理想气体多方过程,p,V,等容,Isometric,等温,Isothermal,绝热,adiabatic,等压,Isobaric,0,35,35,多方过程,5,0,0,绝热过程,4,0,A,等温过程,3,等压过程,2,0,等容过程,1,比热,C,内能,D,U,热量,Q,功,A,方程表示,热力学,过程,36,36,循环过程,Cycle Process,循环过程,热机循环及其效率,卡诺热机,内燃机循环及其效率,定体加热循环（奥托循环）,定压加热循环（笛塞尔循环）,制冷循环与制冷系数,卡诺逆循环制冷,斯特令逆循环,焦耳,-,汤姆逊效应,a,b,c,d,0,p,V,37,例题,1,0.020kg,的氦气由,17,0,C,升为,27,0,C,。若在升温过程中，（,1,）体积保持不变；（,2,）压强保持不变；（,3,）不与外界交换热量；试求气体内能的改变，吸收的热量，外界对气体做的功。设氦气可以看成理想气体，且,38,例,2,标况下，,0.016kg,氧气，经过绝热过程对外做功,80J,，求终态的压强、体积和温度,已知,例,3,标况下，,1mol,的单原子理想气体先经过绝热过程，再经过等温过程，最后压强和体积均为原来的,2,倍，求整个过程中系统吸收的热量。若先经过等温过程，再经过绝热过程，达到同样的状态，则结果是否相同？,39,例,4,某一特定条件下，水蒸气的焓是,2545kJ/kg,，水的焓是,100.59kJ/kg,。求此条件下的水蒸气的凝结热,例5,汽化潜热：P一定，同温度时，由液,汽，会吸热。,1.0110,5,Pa,100时，水与气的焓为,419.06,2767.3 KJ/Kg,，求吸热多少？,40,例,6,一个除底部为绝热的气筒，被一位置固定的导热板隔成相等的两部分,A,和,B,，其中各盛有,1mol,理想气体氮。今将,80.0cal,的热量缓缓地由底部供给气体，设活塞上的压强始终保持在,1.0atm,，求,A,和,B,部温度的改变以及各吸收的热量（导热板的热容可以忽略）,若将位置固定的导热隔板换成可以自由滑动的绝热隔板，重复上述讨论,41,例,7,如图，摩尔单原子理想气体,按,p-V,图中的图线发生循环过,程，循环由竖直（,1-2,）和水,平（,3-4,）部分以及“阶梯”,（,2-3,）组成，,n,个台阶中的每一个气体的压强与体积变化相同且均变化一次。压强的最大值和最小值的倍率为,k,，体积的最大值与最小值的倍率也为,k,。求按此循环工作的热机的效率。,42,例,8,图示为圆柱形气缸，汽缸壁绝热，气缸的右端有一小孔和大气相通，大气的压强为,p,0,。用一热容量可忽略的导热板,N,和一绝热活塞,M,将气缸分为,A,B,C,三室，隔板与气缸固连，活塞相对气缸可以无摩擦地移动但不漏气。气缸的左端,A,室中有一电加热器。已知在,A,B,室中均盛有,1,摩尔同种理想气体，电加热器加热前，系统处于平衡状态，,A,B,两室中气体的温度均为,T,0,，,A,B,C,三室的体积均为,V,0,。现通过电加热器对,A,室中气体缓慢加热，若提供的总热量为,Q,0,，试求,B,室中气体末态体积和,A,室中气体的末态温度。设,A,B,两室中,1,摩尔的内能为,2.5RT,，式中,R,为普适气体常量，,T,为绝对温度。,43,例,9,热机和热泵利用物质热力学循环实现相反功能：前者从高温处吸热，将部分热量转化为功对外输出，其余向低温处放出；后者依靠外界输入功，从低温处吸热，连同外界做功转化成的热量一起排向高温处，按热力学第二定律，无论热机还是热泵，若工作物质循环过程中只与温度为,T1,T2,的两个热源接触，则吸收的热量,Q1,，,Q2,满足不等式,Q1/T1+Q2/T2=0,其中热量可正可负，分别表示从热源吸热与向热源放热。,原供暖设备原本以温度的锅炉释放的热量向房间直接供暖，使室内温度保持恒温，高于户外温度。为提高能源利用率，拟在利用原有能源的基础上采用上述机器改进供暖方案，与直接供暖相比，能耗下降的理论极限可达到多少？,44,44,所有的实际发生的热现象都是不可逆的,热现象进行的方向,各种不可逆过程是互相关联的,玻尔兹曼关系,熵是系统无序程度大小的度量,熵增原理,四、,热力学第二定律,45,45,孤立系统可逆过程的熵,:,孤立系统不可逆过程的熵,:,一个孤立系统的熵永不减少,.,热力学第二定律,数学表述：,46,46,对理想气体，则：,热力学基本方程,对于所有仅有体积功的纯物质的闭合系统，其可逆过程热力学基本上都是从上面两个式子出发讨论的。,47,热力学第二定律的经典表述,克劳修斯表述,开尔文表述,热力学第二定律与第零定律和第一定律之间的比较,热力学温标的建立,热力学第三定律,48,五、液体的性质,1,、液体的微观结构,液体分子的排列,液体分子的热运动,液体分子的定居时间,液晶,液晶的力学性质,液晶的分类：向列型、胆葘型、近晶型。,49,液体的彻体性质,液体的彻体性质介于固体与气体之间,热容,热膨胀,热传导,扩散,黏性,50,液体的表面性质,表面张力,表面张力系数,弯曲液面内外的压强差,液面与固体接触面的表面现象,毛细现象,51,例题,1,、,S=20km,2,的湖面上，下了使湖面升高,h=50mm,的雨，雨滴半径,r=1.0mm,。设温度不变，求释放出来的能量。,a,=7.3*10-2N/m,2,、质量,m=5.0*10-4kg,宽度,l=3.977*10-2m,、厚度,d=2.3*10-4m,的铜片放入液体中，慢慢提起铜片，使它大部分露出液面，此时测得提拉的力为,F=1.07*10-2N,。求液体的表面张力系数。,52,3,、在深为,h=2.0m,的水池底部产生的诸多直径为,d=5.0*10-5m,的气泡，当它们等温地上升到水面时，气泡的直径有多大？已知水的表面张力系数为,7.3*10-2N/m,4,、两块水平玻璃中间夹少量水银，问多大压力加在上面玻璃时，能使两玻璃间的水银厚度出处等于,1.0*10-4m,，并且每块玻璃和水银的接触面积都是,4.0*10-3m,2,设水银与玻璃的接触角是,135,53,5.,大肥皂泡里有一个小肥皂泡，大肥皂泡半径是小肥皂泡半径的,10,倍，从外面抽掉空气，此后大肥皂泡半径增大,1,倍。求内部肥皂泡半径增大到多少倍。温度恒定，重力可以忽略不计。,54,六、固体的性质,晶体,的宏观特性,单晶，多晶。,晶面，晶棱，顶点。,晶面角守恒定律,各向异性。,无论是单晶还是多晶，都具有确定的熔点，这是晶体与非晶体的本质区别。,55,晶体的微观结构,（,1,）、结点、点阵,（,2,）平移周期性,（,3,）原胞,（,4,）旋转对称性,（,5,）准晶,（,6,）晶体分类,56,晶体中粒子的结合力和结合能,结合力,化学键,离子键、共价键、范德瓦耳斯键、金属键、氢键,晶体中粒子的热运动,热振动、杜隆,-,珀蒂定律、热缺陷、扩散,晶体的范性形变和位错,范性形变、位错、滑移、孪生,57,七、物态变化,单元系一级相变的普遍特征,相：系统中物理性质均匀的部分称做一个“相”，不同“相”之间有明确的分界面隔离开来。,元：系统中化学成分不同的物质称为不同的“元”。,相变：在一定条件下（一定压强和一定温度下），不同相之间发生的转变叫相变,58,气液相变,汽化与凝结,饱和蒸汽,沸腾,等温相变,熔化与结晶,熔点,三相点,固液相变,空气的湿度和湿度计,相对湿度,露点,59,八、热传递的方式,热传导,(Heat conductivity),与,热传递或传热,(Heat transfer),并不等同：,传热,泛指一切由于温度差而引起的热量（能量）传递，常按不同机理将传热归纳为三种基本方式,热传导、对流、热辐射,傅里叶定律,牛顿冷却定律,60,九、热膨胀,热膨胀：热振动时粒子间的平均距离发生变化，温度越高，距离越大，这就是热膨胀。当温度改变不大时，固体单位长度的改变量近似地和温度改变量,Dt,成正比,