第 7 章　热学知识

1、我们在初中已经学过，物体是由大量分子组成的。据估算，1 cm3的空气中有1022 1023 个分子，这可是一个惊人的数字。实验表明，若把分子看成球形，它的直径大约是10-10m。可见，分子是极其微小的。不但用肉眼无法直接看到它们，就是用高倍光学显微镜也看不到。实验表明，不同物质相互接触时，能够彼此进入对方。物理学中，把这种现象叫作扩散扩散。实验表明，悬浮微粒在不停地做无规则运动，这是1827 年英国植物学家布朗用显微镜观察悬浮在水中的花粉时发现的。于是，人们就把悬浮微粒的这种运动叫作布朗运动布朗运动。上述扩散现象和布朗运动实验表明，一切物质的分子都在一刻不停地做无规则运动，温度越高，运动越剧烈

2、。 我们把这种运动叫作热运动热运动。物体是由分子组成的，分子在永不停息地做无规则热运动，这说明分子间是有间隙的。研究表明，分子间同时存在吸引力和排斥力，它们的大小都与分子间的距离有关。当分子间距离较小时，排斥力大于吸引力，对外表现为斥力；当分子间距离较大时，吸引力大于排斥力，对外表现为引力；当分子间距离恰当时，吸引力等于排斥力，对外表现为分子力为零。分子不停地做无规则运动并发生相互作用，决定着物质的三种基本形态：固态、液态和气态。物体是由大量分子组成的，分子在做永不停息的无规则运动，分子之间存在引力和斥力。一、分子动能温度一、分子动能温度物体中分子运动速率有大有小，因此，各个分子的动能也不相同

3、。但是在热现象研究中，我们所关注的是物体里所有分子的动能平均值分子的动能平均值，这个平均值叫作分子的平均动能。温度越高，分子热运动越剧烈，分子的平均动能就越大。实际上，温度是物体分子热运动的平均动能的标志。要确定物体的温度高低，必须有一个标准，即温标。常见的温标有两种：摄氏温标和热力学温标。摄氏温度用t 表示，单位是（摄氏度）；热力学温度用T 表示，单位是K（开尔文），它是国际单位制中的七个基本量之一。热力学温度和摄氏温度之间的数量关系是T=t+273例如，摄氏温度为t=0，用热力学温度表示为T=273 K；热力学温度为T=0 K，用摄氏温度表示为t=-273。二、分子势能二、分子势能除了动能

4、，分子间也存在势能。分子间存在相互作用力，从而具有与其相对位置有关的能量，即分子势能分子势能。物体体积改变时，分子间距离改变，分子势能也发生改变。可见，分子势能与物体体积有关。三、内能三、内能分子具有动能和势能，我们把物体中所有分子的动能和势能的总和叫作物体的内能。一切物体都是由做无规则热运动且相互作用的分子组成，因此任何物体都具有内能。由于分子平均动能与温度有关，分子势能与体积有关，因此，物体内能与温度和体积都有关系。温度升高时，分子动能增加，物体内能也增加。体积变化时，分子势能发生变化，物体内能也发生变化。一、改变内能的两种方式一、改变内能的两种方式做功能够改变物体的内能。热传递是改变物体

5、内能的又一种方式。二、热力学第一定律二、热力学第一定律设外界对物体做功为W，外界传递给物体的热量为Q，物体内能的改变量为U，则U=Q+W上式可表述为：物体内能的改变量等于外界传递给物体的热量和外界对物体做功的和。这一关于做功、热量及内能三者关系的表述就是热力热力学第一定律学第一定律。若外界对物体做功，W0，W 取正号；物体对外界做功，W0，Q 取正号；物体向外界放热，Q0，U 取正号；物体内能减小，U0，U 取负号。三、能量守恒定律三、能量守恒定律热力学第一定律告诉我们，做功和热传递提供给物体多少能量，物体内能就增加多少，能量在转化过程中守恒。除了机械能，其他形式的能也可以与内能相互转化。例如

6、通电后导线发热，电能转化成热能。干电池供电时，化学能转化成电能，电能转化成热能等其他形式的能。大量事实证明，各种形式的能都可以相互转化，并且在转化过程中守恒。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别的形式，或者从一个物体转移到别的物体。在转化或转移过程中，其总量不变。这就是能量守恒定律能量守恒定律。一、晶体非晶体一、晶体非晶体固体可分为晶体和非晶体两类。常见的固态物质中，石英、云母、食盐、糖、味精等都是晶体，玻璃、松香、橡胶、沥青等都是非晶体。晶体具有规则的几何形状。如图所示，食盐晶体为立方体，石英晶体中部呈六棱柱，两头呈六棱锥，明矾晶体为正八面体。实验结果显示，熔化了的石

7、蜡在云母片上呈椭圆形，而在玻璃上呈圆形。上述实验现象表明，云母在不同方向上的导热性能各不相同，而玻璃在不同方向上的导热性能相同。应当明确地认识到，晶体的一些物理性质表现为各向异性，而非晶体的物理性质表现为各向同性。二、单晶体多晶体二、单晶体多晶体晶体可分为单晶体和多晶体两种。如果整个物体就是一个晶体的话，就叫作单晶体单晶体，如食盐小颗粒、天然水晶等。通常所说的晶体一般是指单晶体。单晶体是科学技术中的重要原材料，如制造晶体管所使用的单晶硅或单晶锗。如果整个物体是由许多杂乱无章排列着的小晶体组成的，这样的物体叫作多晶体多晶体，如常见的金属、许多小颗粒粘在一起的食盐块等。与非晶体一样，多晶体不显示各

8、向异性，但与晶体一样，有确定的熔点。三、液体三、液体液体不像固体那样具有一定的形状，而且液体能够流动。这说明液体分子间的相互作用力要比固体分子间的作用力小。由于液体分子的移动比固体分子的移动更容易，所以在温度相同的情况下，液体的扩散速度要比固体的扩散速度快。四、液晶四、液晶一些有机化合物在一定温度下呈现出介于固体和液体之间的中间状态。这种状态下的物质，一方面像液体，具有流动性；另一方面又像晶体，分子在特定方向排列整齐，显示各向异性。人们把这种物质的状态叫作液晶态，把处于这种状态下的物质叫作液晶液晶。如图所示为固态、液晶态、液态的分子排列示意图。液晶分子的排列是不稳定的，当外界电场、磁场、温度、压力等发生变化时，液晶分子的排列也会发生变化，从而改变液晶的某些性质。有一种液晶对电压很敏感。在很小的电压下，会由透明状态变为混浊状态，去掉电压，又恢复透明。常见的电子手表、电子计算器、计算机、电