第二章气体固体和液体

第二章气体固体和液体1温度和温标一、状态参量与平衡态1．热力学系统和外界(1)热力学系统：由大量分子组成的研究对象叫作热力学系统，简称系统．(2)外界：系统之外与系统发生相互作用的其他物体统称外界．2．状态参量：用来描述系统状态的物理量．常用的状态参量有体积V、压强p、温度T等．3．平衡态：在没有外界影响的情况下，系统内各部分的状态参量达到的稳定状态．4．热力学系统的状态参量(1)体积V：系统的几何参量，它可以确定系统的空间范围．(2)压强p：系统的力学参量，它可以描述系统的力学性质．(3)温度T：系统的热学参量，它可以确定系统的冷热程度．5．平衡态的理解(1)热力学的平衡态与力学的平衡态的意义不同，热力学的平衡态是一种动态平衡，组成系统的分子仍在不停地做无规则运动，只是分子运动的平均效果不随时间变化，表现为系统不受外界的影响，状态参量(压强、体积和温度)不随时间变化．(2)平衡态是一种理想情况，因为任何系统完全不受外界影响是不可能的．二、热平衡与温度1．热平衡：两个相互接触的热力学系统，经过一段时间，各自的状态参量不再变化，说明两个系统达到了平衡，这种平衡叫作热平衡．2．热平衡定律：如果两个系统分别与第三个系统达到热平衡，那么这两个系统彼此之间也必定处于热平衡．3．温度：热平衡中，表征“共同的热学性质”的物理量．4．热平衡的性质：达到热平衡的系统都具有相同的温度．5．平衡态与热平衡的区别和联系平衡态热平衡区别研究对象一个系统两个接触的系统判断依据系统不受外界影响，状态参量不变两个系统的温度相同联系处于热平衡的两个系统都处于平衡态6.热平衡定律的意义决定两个系统是否达到了热平衡的最主要参量是温度，因为互为热平衡的物体具有相同的温度，所以在比较各物体的温度时，不需要将各物体直接接触，只需将温度计分别与各物体接触，即可比较温度的高低．7．热平衡与温度(1)对温度的理解①宏观上，表示物体的冷热程度．②微观上，反映分子热运动的剧烈程度．③一切达到热平衡的物体都具有相同的温度．(2)温度计的测温原理若物体与A处于热平衡，它同时也与B处于热平衡，则A的温度等于B的温度，这就是温度计用来测量温度的基本原理．三、温度计与温标1．确定一个温标的方法(1)选择一种测温物质．(2)了解测温物质用以测温的某种性质．(3)确定温度的零点和分度的方法．2．热力学温度T与摄氏温度t(1)摄氏温标：一种常用的表示温度的方法．规定标准大气压下冰的熔点为0℃，水的沸点为100℃，在0℃和100℃之间均匀分成100等份，每份算做1℃.(2)热力学温标：现代科学中常用的表示温度的方法．热力学温标表示的温度叫热力学温度．用符号T表示，单位是开尔文，符号为K.(3)摄氏温度与热力学温度的关系为T＝t＋273.15K.3．“温度”含义的两种说法(1)宏观角度：表示物体的冷热程度．(2)热平衡角度：两个处于热平衡的系统存在一个数值相等的物理量，这个物理量就是温度．4．常见温度计及其原理名称原理水银温度计根据水银热胀冷缩的性质来测量温度金属电阻温度计根据金属的电阻随温度的变化来测量温度气体温度计根据气体压强随温度的变化来测量温度热电偶温度计根据不同导体因温差产生电动势的大小来测量温度5.温度计测温原理一切互为热平衡的系统都具有相同的温度，温度计与待测物体接触，达到热平衡，其温度与待测物体相同．2气体的等温变化实验：探究气体等温变化的规律一、等温变化一定质量的气体，在温度不变的条件下，其压强与体积变化时的关系．二、实验思路在保证密闭注射器中气体的质量和温度不变的条件下，通过改变密闭注射器中气体的体积，由压力表读出对应气体的压强值，进而研究在恒温条件下气体的压强与体积的关系．三、实验器材带铁夹的铁架台、注射器、柱塞(与压力表密封连接)、压力表、橡胶套、刻度尺．四、物理量的测量1．如图1所示组装实验器材．图12．利用注射器选取一段空气柱为研究对象，注射器下端的开口有橡胶套，它和柱塞一起把一段空气柱封闭．3．把柱塞缓慢地向下压或向上拉，读取空气柱的长度与压强的几组数据，空气柱的长度l可以通过刻度尺读取，空气柱的长度l与横截面积S的乘积就是它的体积V，空气柱的压强p可以从与注射器内空气柱相连的压力表读取．五、数据分析1．作p－V图像以压强p为纵坐标，以体积V为横坐标，用采集的各组数据在坐标纸上描点，绘出等温曲线，如图2所示．观察p－V图像的特点看能否得出p、V的定量关系．图22．作p－eq\f(1,V)图像以压强p为纵坐标，以eq\f(1,V)为横坐标，在坐标纸上描点．如果p－eq\f(1,V)图像中的各点位于过原点的同一条直线上(图3)，就说明压强p跟eq\f(1,V)成正比，即压强与体积成反比．如果不在同一条直线上，我们再尝试其他关系．图33．实验结论：一定质量的某种气体，在温度不变的情况下，其压强与体积的倒数成正比．六、注意事项1．改变气体体积时，要缓慢进行．2．实验过程中，不要用手接触注射器的外壁．3．实验前要在柱塞上涂抹润滑油．4．读数时视线要与柱塞底面平行．5．作p－eq\f(1,V)图像时，应使尽可能多的点落在直线上，不在直线上的点应均匀分布于直线两侧，偏离太大的点应舍弃掉．气体的等温变化一、玻意耳定律1．内容一定质量的某种气体，在温度不变的情况下，压强p与体积V成反比．2．公式pV＝C或p1V1＝p2V2.3．条件气体的质量一定，温度不变．4．常量的意义p1V1＝p2V2＝C，该常量C与气体的种类、质量、温度有关，对一定质量的气体，温度越高，则常量C越大．5．应用玻意耳定律解题的一般步骤(1)确定研究对象，并判断是否满足玻意耳定律的条件．(2)确定初、末状态及状态参量(p1、V1；p2、V2)．(3)根据玻意耳定律列方程求解．(注意统一单位)(4)注意分析隐含条件，作出必要的判断和说明．特别提醒确定气体压强或体积时，只要初、末状态的单位统一即可，没有必要都转换成国际单位制．二、封闭气体压强的计算1．取等压面法同种液体在同一深度向各个方向的压强相等，在连通器中，灵活选取等压面，利用同一液面压强相等求解气体压强．如图甲所示，同一液面C、D两处压强相等，故pA＝p0＋ph；如图乙所示，M、N两处压强相等，从左侧管看有pB＝pA＋ph2，从右侧管看，有pB＝p0＋ph1.2．力平衡法选与求气体压强．说明：容器加速运动时，可由牛顿第二定律列方程求解．三、气体等温变化的p－V图像或p－eq\f(1,V)图像两种等温变化图像内容p－eq\f(1,V)图像p－V图像图像特点物理意义一定质量的某种气体，温度不变时，pV＝恒量，p与V成反比，p与eq\f(1,V)就成正比，在p－eq\f(1,V)图上的等温线应是过原点的倾斜直线一定质量的某种气体，在温度不变的情况下，p与V成反比，因此等温过程的p－V图像是双曲线的一支温度高低直线的斜率为p与V的乘积，斜率越大，pV乘积越大，温度就越高，图中T2>T1一定质量的某种气体，温度越高，气体压强与体积的乘积必然越大，在p－V图上的等温线就越高，图中T2>T13气体的等压变化和等容变化一、气体的等压变化1．等压变化：一定质量的某种气体，在压强不变时，体积随温度变化的过程．2．盖－吕萨克定律(1)内容：一定质量的某种气体，在压强不变的情况下，其体积V与热力学温度T成正比．(2)表达式：V＝CT或eq\f(V1,T1)＝eq\f(V2,T2).(3)适用条件：气体的质量和压强不变．(4)图像：如图1所示．图1V－T图像中的等压线是一条过原点的直线．3．盖－吕萨克定律及推论表示一定质量的某种气体从初状态(V、T)开始发生等压变化，其体积的变化量ΔV与热力学温度的变化量ΔT成正比．4．V－T图像和V－t图像一定质量的某种气体，在等压变化过程中(1)V－T图像：气体的体积V随热力学温度T变化的图线是过原点的倾斜直线，如图2甲所示，且p1<p2，即斜率越小，压强越大．图2(2)V－t图像：体积V与摄氏温度t是一次函数关系，不是简单的正比例关系，如图乙所示，等压线是一条延长线通过横轴上－273.15℃的倾斜直线，且斜率越大，压强越小，图像纵轴的截距V0是气体在0℃时的体积．特别提醒一定质量的气体，在压强不变时，其体积与热力学温度成正比，而不是与摄氏温度成正比．5．应用盖－吕萨克定律解题的一般步骤(1)确定研究对象，即被封闭的一定质量的气体．(2)分析被研究气体在状态变化时是否符合定律的适用条件：质量一定，压强不变．(3)确定初、末两个状态的温度、体积．(4)根据盖－吕萨克定律列式求解．(5)求解结果并分析、检验．二、气体的等容变化1．等容变化：一定质量的某种气体，在体积不变时，压强随温度变化的过程．2．查理定律(1)内容：一定质量的某种气体，在体积不变的情况下，压强p与热力学温度T成正比．(2)表达式：p＝CT或eq\f(p1,T1)＝eq\f(p2,T2).(3)适用条件：气体的质量和体积不变．(4)图像：如图3所示．图3①p－T图像中的等容线是一条过原点的直线．②p－t图像中的等容线不过原点，但反向延长线交t轴于－273.15℃.3．查理定律及推论表示一定质量的某种气体从初状态(p、T)开始发生等容变化，其压强的变化量Δp与热力学温度的变化量ΔT成正比．4．p－T图像和p－t图像一定质量的某种气体，在等容变化过程中(1)p－T图像：气体的压强p和热力学温度T的关系图线是过原点的倾斜直线，如图4甲所示，且V1<V2，即体积越大，斜率越小．图4(2)p－t图像：压强p与摄氏温度t是一次函数关系，不是简单的正比例关系，如图乙所示，等容线是一条延长线通过横轴上－273.15℃的倾斜直线，且斜率越大，体积越小．图像纵轴的截距p0是气体在0℃时的压强．特别提醒一定质量的某种气体，在体积不变的情况下，压强p跟热力学温度T成正比，而不是与摄氏温度t成正比．5．应用查理定律解题的一般步骤(1)确定研究对象，即被封闭的一定质量的气体．(2)分析被研究气体在状态变化时是否符合定律的适用条件：质量一定，体积不变．(3)确定初、末两个状态的温度、压强．(4)根据查理定律列式求解．(5)求解结果并分析、检验．三、p－T图像与V－T图像1．p－T图像与V－T图像的比较不同点图像纵坐标压强p体积V斜率意义斜率越大，体积越小，V4<V3<V2<V1斜率越大，压强越小，p4<p3<p2<p1相同点①都是一条通过原点的倾斜直线②横坐标都是热力学温度T③都是斜率越大，气体的另外一个状态参量越小(1)在根据图像判断气体的状态变化时，首先要确定横、纵坐标表示的物理量，其次根据图像的形状判断各物理量的变化规律．(2)不是热力学温度的先转换为热力学温度．(3)要将图像与实际情况相结合．四、理想气体1．理想气体：在任何温度、任何压强下都遵从气体实验定律的气体．2．理想气体与实际气体实际气体在温度不低于零下几十摄氏度、压强不超过大气压的几倍时，可以当成理想气体来处理．3．理想气体严格遵守气体实验定律及理想气体状态方程．4．理想气体分子本身的大小与分子间的距离相比可忽略不计，分子不占空间，可视为质点，它是对实际气体的一种科学抽象，是一种理想模型，实际并不存在．5．理想气体分子除碰撞外，无相互作用的引力和斥力．6．理想气体分子无分子势能的变化，内能等于所有分子热运动的动能之和，只和温度有关．五、理想气体的状态方程1．内容：一定质量的某种理想气体，在从一个状态(p1、V1、T1)变化到另一个状态(p2、V2、T2)时，压强p跟体积V的乘积与热力学温度T的比值保持不变．2．表达式：eq\f(pV,T)＝C.3．成立条件：一定质量的理想气体．4．对理想气体状态方程的理解(1)成立条件：一定质量的理想气体．(2)该方程表示的是气体三个状态参量的关系，与中间的变化过程无关．(3)公式中常量C仅由气体的种类和质量决定，与状态参量(p、V、T)无关．(4)方程中各量的单位：温度T必须是热力学温度，公式两边中压强p和体积V单位必须统一，但不一定是国际单位制中的单位．5．理想气体状态方程与气体实验定律eq\f(p1V1,T1)＝eq\f(p2V2,T2)⇒eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(T1＝T2时，p1V1＝p2V2玻意耳定律,V1＝V2时，\f(p1,T1)＝\f(p2,T2)查理定律,p1＝p2时，\f(V1,T1)＝\f(V2,T2)盖－吕萨克定律))六、气体实验定律的微观解释1．玻意耳定律的微观解释一定质量的某种理想气体，温度保持不变时，分子的平均动能是一定的．体积减小时，分子的数密度增大(填“增大”或“减小”)，单位时间内、单位面积上碰撞器壁的分子数就多，气体的压强就增大(填“增大”或“减小”)．(1)宏观表现：一定质量的某种理想气体，在温度保持不变时，体积减小，压强增大；体积增大，压强减小．(2)微观解释：温度不变，分子的平均动能不变，体积越小，分子的数密度增大，单位时间内撞到单位面积器壁上的分子数就越多，气体的压强就越大，如图5.图52．盖－吕萨克定律的微观解释一定质量的某种理想气体，温度升高时，分子的平均动能增大(填“增大”或“减小”)，只有气体的体积同时增大，使分子的数密度减小，才能保持压强不变(填“增大”“减小”或“不变”)．(1)宏观表现：一定质量的某种理想气体，在体积保持不变时，温度升高，压强增大；温度降低，压强减小．(2)微观解释：体积不变，则分子数密度不变，温度升高，分子平均动能增大，分子撞击器壁的作用力变大，所以气体的压强增大，如图6.图63．查理定律的微观解释一定质量的某种理想气体，体积保持不变时，分子的数密度保持不变，温度升高时，分子的平均动能增大(填“增大”或“减小”)，气体的压强增大(填“增大”或“减小”)．(1)宏观表现：一定质量的某种理想气体，在压强不变时，温度升高，体积增大，温度降低，体积减小．(2)微观解释：温度升高，分子平均动能增大，撞击器壁的作用力变大，而要使压强不变，则需影响压强的另一个因素，即分子的数密度减小，所以气体的体积增大，如图7.图74固体一、晶体和非晶体1．固体可以分为晶体和非晶体两类．晶体又可以分为单晶体与多晶体．2．石英、云母、明矾、食盐、硫酸铜、味精等是晶体，玻璃、蜂蜡、松香、沥青、橡胶等是非晶体．3．非晶体(1)没有(填“有”或“没有”)规则的外形．(2)物理性质：a.没有(填“有”或“没有”)确定的熔化温度；b．导电、导热、光学等物理性质表现为各向同性(填“异性”或“同性”)．4．晶体(1)单晶体：①有(填“有”或“没有”)天然的规则的几何形状②a.有(填“有”或“没有”)确定的熔点；b．导电、导热、光学等某些物理性质表现为各向异性(填“异性”或“同性”)．(2)多晶体：①没有(填“有”或“没有”)规则的几何形状②a.有(填“有”或“没有”)确定的熔点；b．导电、导热、光学等物理性质表现为各向同性(填“异性”或“同性”)5．单晶体、多晶体及非晶体的异同比较分类微观结构宏观表现外形物理性质晶体单晶体组成晶体的物质微粒(原子、分子、离子)在空间按一定规则排列——空间点阵有天然、规则的几何形状各向异性有确定的熔点多晶体由无数的晶体微粒(小晶粒)无规则排列组成没有天然、规则的几何形状各向同性非晶体内部物质微粒是无规则排列的没有确定的熔化温度6.对单晶体的各向异性的理解(1)单晶体的各向异性是指单晶体在不同方向上的物理性质不同，也就是沿不同方向去测试单晶体的物理性能时，测试结果不同．通常所说的物理性质包括弹性、硬度、导热性能、导电性能、磁性等．(2)单晶体具有各向异性，并不是说每一种单晶体都能在各种物理性质上表现出各向异性，举例如下：①云母晶体在导热性能上表现出显著的各向异性——沿不同方向传热的快慢不同．②方铅矿石晶体在导电性能上表现出显著的各向异性——沿不同方向电阻率不同．③立方体形的铜晶体在弹性上表现出显著的各向异性——沿不同方向的弹性不同．④方解石晶体在光的折射上表现出各向异性——沿不同方向的折射率不同．二、晶体的微观结构1．在各种晶体中，原子(或分子、离子)都是按照一定的规则排列的，具有空间上的周期性．2．有的物质在不同条件下能够生成不同的晶体．那是因为组成它们的微粒能够按照不同规则在空间分布，例如碳原子按不同的空间分布排列可形成石墨和金刚石．3．同一种物质也可能以晶体和非晶体两种不同的形态出现．有些非晶体在一定条件下也可以转化为晶体．4．对晶体的微观解释(1)对单晶体各向异性的解释图4为在一个平面上单晶体物质微粒的排列情况．在沿不同方向所画的等长线段AB、AC、AD上物质微粒的数目不同．线段AB上物质微粒较多，线段AD上较少，线段AC上更少．因为在不同方向上物质微粒的排列情况不同，才引起单晶体在不同方向上物理性质的不同．(2)对晶体具有确定熔点的解释晶体加热到一定温度时，一部分微粒有足够的动能克服微粒间的作用力，离开平衡位置，使规则的排列被破坏，晶体开始熔化，熔化时晶体吸收的热量全部用来破坏规则的排列，温度不发生变化．5液体一、液体的表面张力1．表面层：液体表面跟气体接触的薄层．2．表面张力：(1)定义：在表面层，分子比较稀疏，分子间的作用力表现为引力，这种力使液体表面绷紧，叫作液体的表面张力．(2)方向：总是跟液体相切，且与分界面垂直．3．液体表面张力的成因分析液体表面层分子比较稀疏，分子间的作用力表现为引力，该引力使液面产生了表面张力，使液体表面形成一层绷紧的膜．4．表面张力及其作用(1)表面张力使液体表面具有收缩趋势，使液体表面积趋于最小．而在体积相同的