高考物理一轮复习 13.1 分子动理论热力学定律与能量守恒同步课件.ppt

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1、第第1 1讲分子分子动理理论热力学定律与力学定律与能量守恒能量守恒2021/8/11 星期三1一、宏观量与微观量及相互关系一、宏观量与微观量及相互关系1微观量：微观量：分子体积分子体积V0、分子直径、分子直径d、分子质量、分子质量m0.2宏观量：宏观量：物体的体积物体的体积V、摩尔体积、摩尔体积Vm，物体的质量，物体的质量m、摩尔质量摩尔质量M，物体的密度，物体的密度.2021/8/11 星期三23关系关系(1)分子的质量：分子的质量：m0(2)分子的体积：分子的体积：V0(3)物体所含的分子数：物体所含的分子数：或或2021/8/11 星期三34分子的大小分子的大小(1)两种模型两种模型球体

2、模型直径为球体模型直径为d立方体模型边长为立方体模型边长为d(2)熟记熟记分子直径的数量级是分子直径的数量级是1010m.分子质量的数量级是分子质量的数量级是1026kg.2021/8/11 星期三4(1)固体和液体分子都可看成是紧密堆集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在一起的分子的体积V0，仅适用于固体和液体，仅适用于固体和液体，对气体不适用对气体不适用(2)对于气体分子，对于气体分子，d的值并非气体分子的大小，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而是两个相邻的气体分子之间的平均距离2021/8/11 星期三5特点特点永不停息、无规则运动；永不停息、

3、无规则运动；颗粒越小，运动越剧烈；颗粒越小，运动越剧烈；温度越高，运动越剧烈；温度越高，运动越剧烈；运动轨迹不确定运动轨迹不确定.二、分子的热运动二、分子的热运动1扩散现象和布朗运动扩散现象和布朗运动扩散现象和布朗运动都说明分子做无规则运动扩散现象和布朗运动都说明分子做无规则运动(1)扩散现象：不同物质相互接触时彼此进入对方的扩散现象：不同物质相互接触时彼此进入对方的现象温度越高，扩散越快现象温度越高，扩散越快(2)布朗运动布朗运动定义：悬浮微粒做的无规则运动定义：悬浮微粒做的无规则运动2021/8/11 星期三6产生的原因：由各个方向的液体分子对微粒碰撞的不平产生的原因：由各个方向的液体分子

4、对微粒碰撞的不平衡引起的衡引起的布朗颗粒：布朗颗粒用肉眼直接看不到，但在显微镜下布朗颗粒：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运动布朗颗粒大小约为106m(包含约包含约1021个分子个分子)，而分，而分子直径约为子直径约为1010m布朗颗粒的运动是分子热运动的间接布朗颗粒的运动是分子热运动的间接反映反映2021/8/11 星期三72热运动热运动(1)定义：分子永不停息的无规则运动定义：分子永不停息的无规则运动(2)特点：温度越高，分子的热运动越激烈特点：温度越高，分子的热运

5、动越激烈2021/8/11 星期三8(1)布朗运动是分子永不停息地做无规则热运布朗运动是分子永不停息地做无规则热运动的间接反映，是微观分子热运动造成的宏观现象动的间接反映，是微观分子热运动造成的宏观现象(2)布朗运动只能发生在气体、液体中，而扩散现象在气体、布朗运动只能发生在气体、液体中，而扩散现象在气体、液体、固体之间均可发生液体、固体之间均可发生2021/8/11 星期三9三、分子间的作用力、内能三、分子间的作用力、内能1分子间的相互作用力分子间的相互作用力分子力是引力与斥力的合力分子力是引力与斥力的合力分子间的引力和斥力都随分分子间的引力和斥力都随分子间距离的增大而减小、随子间距离的增大

6、而减小、随分子间距离的减小而增大，分子间距离的减小而增大，但总是斥力变化得较快，如图但总是斥力变化得较快，如图1111所示所示(1)当当rr0时，时，F引引F斥斥，F0；2021/8/11 星期三10(2)当当rr0时，时，F引引和和F斥斥都随距离的减小而增大，但都随距离的减小而增大，但F斥斥比比F引引增增大得更快，大得更快，F表现为斥力；表现为斥力；(3)当当rr0时，时，F引引和和F斥斥都随距离的增大而减小，但都随距离的增大而减小，但F斥斥比比F引引减减小得更快，小得更快，F表现为引力；表现为引力；(4)当当r10r0(109m)时，时，F引引和和F斥斥都已经十分微弱，可以认都已经十分微弱

7、，可以认为分子间没有相互作用力为分子间没有相互作用力(F0)2021/8/11 星期三112分子动能分子动能(1)定义：做热运动的分子具有的动能叫分子动能定义：做热运动的分子具有的动能叫分子动能(2)分子的平均动能：组成系统的所有分子的动能的平均分子的平均动能：组成系统的所有分子的动能的平均值叫做分子热运动的平均动能值叫做分子热运动的平均动能(3)温度是分子热运动的平均动能的标志，温度越高，分温度是分子热运动的平均动能的标志，温度越高，分子热运动的平均动能越大子热运动的平均动能越大2021/8/11 星期三123分子势能分子势能分子势能是由分子间相对位置而决定的势能，它随着物体分子势能是由分子

8、间相对位置而决定的势能，它随着物体体积的变化而变化，与分子间距离的关系为：体积的变化而变化，与分子间距离的关系为：(1)当当rr0时，分子力表现为引力，随着时，分子力表现为引力，随着r的增大，分子引的增大，分子引力做负功，分子势能增大；力做负功，分子势能增大；(2)当当rr0时，分子力表现为斥力，随着时，分子力表现为斥力，随着r的减小，分子斥力的减小，分子斥力做负功，分子势能增大；做负功，分子势能增大；2021/8/11 星期三13(3)当当rr0时，分子势能最小，时，分子势能最小，但不为零，为负值，因为选但不为零，为负值，因为选两分子相距无穷远时分子势能为零两分子相距无穷远时分子势能为零(4

9、)分子势能曲线如图分子势能曲线如图1112所示所示2021/8/11 星期三144物体的内能物体的内能(1)定义：物体中所有分子的热运动动能和分子势能的定义：物体中所有分子的热运动动能和分子势能的总和总和(2)决定内能的因素决定内能的因素微观上：分子动能、分子势能、分子个数微观上：分子动能、分子势能、分子个数宏观上：温度、体积、物质的量宏观上：温度、体积、物质的量(摩尔数摩尔数)2021/8/11 星期三15(3)改变物体的内能的两种方式改变物体的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，物体的内能就增加多少；物

10、体对外界做了多体做了多少功，物体的内能就增加多少；物体对外界做了多少功，物体的内能就减少多少少功，物体的内能就减少多少热传递：热传递可以改变物体的内能，用热量量度物热传递：热传递可以改变物体的内能，用热量量度物体吸收了多少热量，物体的内能就增加多少；反之物体的内体吸收了多少热量，物体的内能就增加多少；反之物体的内能就减少多少能就减少多少2021/8/11 星期三16(1)任何物体都具有内能任何物体都具有内能(2)温度相同的任意两个物体的分子的平均动能相同，如温度相同的任意两个物体的分子的平均动能相同，如温度相同的氢气和氧气的分子的平均动能相同，但由于氢温度相同的氢气和氧气的分子的平均动能相同，

11、但由于氢气分子质量小于氧气分子质量，故氢气分子的平均速率大气分子质量小于氧气分子质量，故氢气分子的平均速率大于氧气分子的平均速率于氧气分子的平均速率(3)做功和热传递在改变物体的内能上是等效的但它们做功和热传递在改变物体的内能上是等效的但它们的本质不同，做功是内能与其他形式的能发生转化，热传的本质不同，做功是内能与其他形式的能发生转化，热传递是不同物体之间内能的转移递是不同物体之间内能的转移2021/8/11 星期三17(4)物体的体积越大，分子势能不一定就越大，如物体的体积越大，分子势能不一定就越大，如0的水的水结成结成0的冰后体积变大，但分子势能却减小了的冰后体积变大，但分子势能却减小了(

12、5)理想气体分子间相互作用力为零，故分子势能忽略不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的内能只与温度有关计一定质量的理想气体的内能只与温度有关2021/8/11 星期三18四、温度和温标四、温度和温标1温度温度(1)温度在宏观上表示物体的冷热程度，在微观上表示分子温度在宏观上表示物体的冷热程度，在微观上表示分子的平均动能的平均动能(2)温度是决定一个系统与另一个系统是否达到热平衡状态温度是决定一个系统与另一个系统是否达到热平衡状态的物理量，一切达到热平衡的系统都具有相同的温度的物理量，一切达到热平衡的系统都具有相同的温度2021/8/11 星期三192两种温标两种

13、温标(1)摄氏温标和热力学温标的比较：两种温标温度的零摄氏温标和热力学温标的比较：两种温标温度的零点不同，同一温度两种温标表示的数值不同，但它们表点不同，同一温度两种温标表示的数值不同，但它们表示的温度间隔是相同的，即每一度的大小相同，示的温度间隔是相同的，即每一度的大小相同，tT.(2)关系：关系：Tt273.15K.2021/8/11 星期三20(1)热力学温度的零值是低温极限，永远达不热力学温度的零值是低温极限，永远达不到，即热力学温度无负值到，即热力学温度无负值(2)温度是大量分子热运动的集体行为，对个别分子来说温度是大量分子热运动的集体行为，对个别分子来说温度没有意义温度没有意义20

14、21/8/11 星期三21概念概念温度温度内能内能热热量量功功含含义义表示物体的冷表示物体的冷热热程度，是物程度，是物体分子平均体分子平均动动能大小的能大小的标标志，它志，它是大量分子是大量分子热热运运动动的集体表的集体表现现，对对个个别别分子来分子来说说，温度，温度没有意没有意义义物体内所有分子物体内所有分子热热运运动动动动能能和和势势能的能的总总和，和，它是由大量分子它是由大量分子的的热热运运动动和分子和分子的相互位置所决的相互位置所决定的能定的能热热量表示量表示热传递过热传递过程中内能程中内能的改的改变变量，量，用来量度用来量度热传递过热传递过程中内能程中内能转转移的多移的多少少做功做功

15、过过程程是机械能是机械能或其他形或其他形式的能和式的能和内能之内能之间间的的转转化化过过程程五、温度、内能、热量、功的比较五、温度、内能、热量、功的比较2021/8/11 星期三22概念概念温度温度内能内能热热量量功功关系关系温度和内能是状温度和内能是状态态量，量，热热量和功量和功则则是是过过程量程量发发生生热传递热传递的前提条件是存在温差，的前提条件是存在温差，传递传递的是的是热热量而不是温度，量而不是温度，实质实质上是内能的上是内能的转转移移2021/8/11 星期三23(1)温度、内能、热量和功是热学中相互关温度、内能、热量和功是热学中相互关联的四个物理量当物体的内能改变时，温度不一定改

16、联的四个物理量当物体的内能改变时，温度不一定改变，只有当通过热传递改变物体的内能时才会有热量传变，只有当通过热传递改变物体的内能时才会有热量传递，但能的形式没有发生变化递，但能的形式没有发生变化2021/8/11 星期三24(2)热量是热传递过程中的特征物理量，离开过程谈热量毫热量是热传递过程中的特征物理量，离开过程谈热量毫无意义，就某一状态而言，只有无意义，就某一状态而言，只有“内能内能”，根本不存在，根本不存在“热量热量”和和“功功”，因此不能说一个系统中含有，因此不能说一个系统中含有“多少热量多少热量”或或“多少功多少功”(3)物体的内能大，并不意味着物体一定会对外做功或向外物体的内能大

17、，并不意味着物体一定会对外做功或向外传递热量，或者做的功多，传递的热量多只有物体内能传递热量，或者做的功多，传递的热量多只有物体内能的变化大时，过程中做的功或传递的热量才会多的变化大时，过程中做的功或传递的热量才会多2021/8/11 星期三25六、热力学定律六、热力学定律1热力学第一定律热力学第一定律(1)内容：一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的内容：一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的和热量与外界对它所做的功的和(2)表达式：表达式：UWQ.2021/8/11 星期三26(3)符号规定符号规定符号符号WQU外界外界对对物体做功物体做功物体吸收物体吸收热

18、热量量内能增加内能增加物体物体对对外界做功外界做功物体放出物体放出热热量量内能减少内能减少2021/8/11 星期三27(4)几种特殊情况几种特殊情况若过程是绝热的，则若过程是绝热的，则Q0，WU，外界对物体做的，外界对物体做的功等于物体内能的增加功等于物体内能的增加若过程中不做功，即若过程中不做功，即W0，则，则QU，物体吸收的热，物体吸收的热量等于物体内能的增加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，即若过程的始、末状态物体的内能不变，即U0，则，则WQ0或或WQ，外界对物体做的功等于物体放出的，外界对物体做的功等于物体放出的热量热量2021/8/11 星期三28(1)应用热

19、力学第一定律时要明确研究的对象应用热力学第一定律时要明确研究的对象是哪个物体或者是哪个热力学系统是哪个物体或者是哪个热力学系统(2)应用热力学第一定律计算时，要依照符号规定代入数应用热力学第一定律计算时，要依照符号规定代入数据对结果的正、负也同样依照规定来解释其意义据对结果的正、负也同样依照规定来解释其意义2021/8/11 星期三292热力学第二定律热力学第二定律(1)两种表述两种表述热量不能自发地从低温物体传到高温物体热量不能自发地从低温物体传到高温物体不可能从单一热库吸收热量，使之完全变成功，而不可能从单一热库吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响不产生其他影响2021/8/11 星

20、期三30(2)在热力学第二定律的表述中，在热力学第二定律的表述中，“自发地自发地”、“不产生其不产生其他影响他影响”的涵义的涵义“自发地自发地”指明了热传递等热力学宏观现象的方向性，不指明了热传递等热力学宏观现象的方向性，不需要借助外界提供能量的帮助需要借助外界提供能量的帮助“不产生其他影响不产生其他影响”的涵义的涵义是发生的热力学宏观过程只在是发生的热力学宏观过程只在本系统内完成，对周围环境不产生热力学方面的影响，如吸本系统内完成，对周围环境不产生热力学方面的影响，如吸热、放热、做功等热、放热、做功等2021/8/11 星期三31(3)热力学第二定律的实质热力学第二定律的实质热力学第二定律的

21、每一种表述，都揭示了大量分子参与宏观过热力学第二定律的每一种表述，都揭示了大量分子参与宏观过程的方向性，进而使人们认识到自然界中进行的涉及热现象的程的方向性，进而使人们认识到自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性宏观过程都具有方向性(4)热力学第二定律的微观意义：一切自然过程总是沿着分子热力学第二定律的微观意义：一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行热运动的无序性增大的方向进行2021/8/11 星期三323热力学过程方向性实例热力学过程方向性实例(1)高温物体高温物体低温物体低温物体(2)功功热热(3)气体体积气体体积V1气体体积气体体积V2(较大较大)(4)不同气体不

22、同气体A和和B 混合气体混合气体AB2021/8/11 星期三33热量不可能自发地从低温物体传到高温物体，热量不可能自发地从低温物体传到高温物体，但在有外界影响的条件下，热量可以从低温物体传到高温但在有外界影响的条件下，热量可以从低温物体传到高温物体，如电冰箱；在引起其他变化的条件下内能可以全部物体，如电冰箱；在引起其他变化的条件下内能可以全部转化为机械能，如气体的等温膨胀过程转化为机械能，如气体的等温膨胀过程2021/8/11 星期三34七、对能量守恒定律的理解七、对能量守恒定律的理解1自然界中能量的存在形式：物体运动具有动能、分子运动自然界中能量的存在形式：物体运动具有动能、分子运动具有分

23、子动能、电荷具有电能、原子内部的运动具有原子具有分子动能、电荷具有电能、原子内部的运动具有原子能等，可见，在自然界中不同的能量形式与不同的运动形能等，可见，在自然界中不同的能量形式与不同的运动形式相对应式相对应2不同形式的能量之间可以相互转化，且这一转化过程是通不同形式的能量之间可以相互转化，且这一转化过程是通过做功来完成的过做功来完成的2021/8/11 星期三353某种形式的能减少，一定有其他形式的能增加，且减少量某种形式的能减少，一定有其他形式的能增加，且减少量和增加量一定相等和增加量一定相等4某个物体的能量减少，一定存在其他物体的能量增加，且某个物体的能量减少，一定存在其他物体的能量增

24、加，且减少量和增加量一定相等减少量和增加量一定相等5两类永动机均不能制成两类永动机均不能制成.2021/8/11 星期三36第一第一类类永永动动机机第二第二类类永永动动机机不需要任何不需要任何动动力或燃料，却力或燃料，却能不断地能不断地对对外做功的机器外做功的机器从从单单一一热库热库吸收吸收热热量，使之量，使之完全完全变变成功，而不成功，而不产产生其他生其他影响的机器影响的机器违违背能量守恒，不可能制成背能量守恒，不可能制成不不违违背能量守恒，背能量守恒，违违背背热热力力学第二定律，不可能制成学第二定律，不可能制成2021/8/11 星期三37(1)虽然功与能具有相同的单位，但两者是虽然功与能

25、具有相同的单位，但两者是完全不同的两个概念，在能量守恒定律的表达式中只存在完全不同的两个概念，在能量守恒定律的表达式中只存在能量，不存在功能量，不存在功(2)能量守恒定律是自然界中普遍存在的一种规律，是无能量守恒定律是自然界中普遍存在的一种规律，是无条件的，而机械能守恒定律是有条件的条件的，而机械能守恒定律是有条件的2021/8/11 星期三38(2011青岛青岛模拟模拟)已知汞的摩尔质量为已知汞的摩尔质量为M200.5103kg/mol，密度为，密度为13.6103kg/m3，阿伏加德罗，阿伏加德罗常数常数NA6.01023mol1.求：求：(1)一个汞原子的质量一个汞原子的质量(用相应的字

26、母表示即可用相应的字母表示即可)；(2)一个汞原子的体积一个汞原子的体积(结果保留一位有效数字结果保留一位有效数字)；(3)体积为体积为1cm3的汞中汞原子的个数的汞中汞原子的个数(结果保留一位有效结果保留一位有效数字数字)2021/8/11 星期三39解答本题时应注意两点：解答本题时应注意两点：(1)固体分子可忽略分子间的间隙；固体分子可忽略分子间的间隙；(2)用阿伏加德罗常数建立宏观量与微观量的联系用阿伏加德罗常数建立宏观量与微观量的联系2021/8/11 星期三40解题指导解题指导(1)一个汞原子的质量为一个汞原子的质量为m0(2)一个汞原子的体积为一个汞原子的体积为V0m321029m

27、3(3)1cm3的汞中含汞原子个数的汞中含汞原子个数n个个41022个个答案答案(1)(2)21029m3(3)41022个个2021/8/11 星期三41一定质量的气体，在从一个状态一定质量的气体，在从一个状态()变化到另一个变化到另一个状态状态()的过程中，吸收热量的过程中，吸收热量280J，并对外做功，并对外做功120J，试问：，试问：(1)这些气体的内能发生了怎样的变化？这些气体的内能发生了怎样的变化？(2)如果这些气体又返回原来的状态，并放出了如果这些气体又返回原来的状态，并放出了240J热量，热量，那么在返回的过程中是气体对外界做功，还是外界对气体做那么在返回的过程中是气体对外界做

28、功，还是外界对气体做功？做功多少？功？做功多少？2021/8/11 星期三42求解此题应把握以下两点：求解此题应把握以下两点：(1)用热力学第一定律求解内能变化时，注意热量用热力学第一定律求解内能变化时，注意热量Q、功、功W的正负的正负(2)气体从末态到初态与从初态到末态的气体从末态到初态与从初态到末态的U的大小的大小相同，结合热力学第一定律计算，并做出判断相同，结合热力学第一定律计算，并做出判断2021/8/11 星期三43解题指导解题指导(1)由热力学第一定律可得由热力学第一定律可得UWQ120J280J160J气体的内能增加了气体的内能增加了160J.(2)由于气体的内能仅与状态有关，所

29、以气体从由于气体的内能仅与状态有关，所以气体从状态回状态回到到状态的过程中内能的变化应等于从状态的过程中内能的变化应等于从状态到状态到状态的状态的过程中内能的变化，则从过程中内能的变化，则从状态到状态到状态的内能应减少状态的内能应减少160J2021/8/11 星期三44即即U160J，又，又Q240J，根据热力学第一定律，根据热力学第一定律得：得：UWQ，所以所以WUQ160J(240J)80J，即外界对，即外界对气体做功气体做功80J.答案答案(1)增加了增加了160J (2)外界对气体做功外界对气体做功80J2021/8/11 星期三45一辆汽车正在平直的公路上以速度一辆汽车正在平直的公

30、路上以速度v匀速行驶，此匀速行驶，此时汽车的功率为时汽车的功率为P，已知汽车的总效率为，已知汽车的总效率为，所使用的汽油的热，所使用的汽油的热值为值为q(每完全燃烧单位质量的燃料产生的热量叫热值每完全燃烧单位质量的燃料产生的热量叫热值)，现油，现油箱中还有质量为箱中还有质量为m的汽油，则汽车还能行驶多远？的汽油，则汽车还能行驶多远？(设汽车的设汽车的质量为质量为M，汽油消耗引起的汽车质量的减少忽略不计，汽油消耗引起的汽车质量的减少忽略不计)2021/8/11 星期三46先求出剩余汽油燃烧放出的能量，再求出汽车匀速先求出剩余汽油燃烧放出的能量，再求出汽车匀速运动的时间，便可求出还能匀速行驶的距离，再由运动的时间，便可求出还能匀速行驶的距离，再由动能定理求出减速的距离动能定理求出减速的距离.2021/8/11 星期三47解题指导解题指导汽油燃烧放出的能量汽油燃烧放出的能量Eqm设汽车匀速行驶设汽车匀速行驶x1，需要的能量，需要的能量EPt而而EE设汽油用完后汽车做匀减速运动的距离为设汽油用完后汽车做匀减速运动的距离为x2，则由动能定理知：则由动能定理知：Ffx22021/8/11 星期三48又又PFfv汽车行驶的距离汽车行驶的距离xx1x2以上各式联立解得：以上各式联立解得：x答案答案2021/8/11 星期三492021/8/11 星期三50