第34讲分子动理论内能

第34讲分子动理论内能[记一记]一、分子动理论1．物体是由大量分子组成的(1)分子的大小①分子的直径(视为球模型)：数量级为10－10m。②分子的质量：数量级为10－26kg。(2)阿伏加德罗常数①1mol的任何物质都含有相同的粒子数。通常可取NA＝6.02×1023mol－1。②阿伏加德罗常数是联系宏观物理量和微观物理量的桥梁。2．分子永不停息地做无规则运动(1)扩散现象①定义：不同物质能够彼此进入对方的现象叫做扩散。②实质：扩散现象并不是外界作用引起的，也不是化学反应的结果，而是由物质分子的无规则运动产生的。(2)布朗运动①定义：悬浮在液体中的小颗粒的永不停息地无规则运动叫做布朗运动。②特点：永不停息，无规则；颗粒越小，温度越高，布朗运动越显著。③布朗运动是由成千上万个分子组成的“分子集团”即固体颗粒的运动，布朗运动的无规则性是液体(气体)分子运动无规则性的反映。(3)热运动分子的无规则运动和温度有关，温度越高，分子运动越激烈。分子永不停息地无规则运动叫做热运动。3．分子间同时存在引力和斥力(1)物质分子间存在空隙，分子间的引力和斥力是同时存在的，实际表现出的分子力是引力和斥力的合力。(2)分子力随分子间距离变化的关系：分子间的引力和斥力都随分子间距离的增大而减小，随分子间距离的减小而增大，但斥力比引力变化的快。(3)分子力与分子间距离关系图线由分子间的作用力与分子间距离关系图线(如图所示)可知：当r＝r0时，F引＝F斥，分子力为0；当rr0时，F引F斥，分子力表现为引力。当rr0时，F引F斥，分子力表现为斥力。当分子间距离大于10r0(约为10－9m)时，分子力很弱，可以忽略不计。4．统计规律由于物体是由数量极多的分子组成的，这些分子并没有统一的运动步调，单独来看，各个分子的运动都是不规则的、带有偶然性的，但从总体来看，大量分子的运动却有一定的规律，这种规律叫做统计规律。大量分子的集体行为受到统计规律的支配。5．气体压强大量做无规则热运动的分子对器壁频繁、持续地碰撞，虽然单个分子撞击器壁产生的力是短暂的、不连续的，但是大量分子频繁地碰撞器壁，就对器壁产生持续、均匀的压力。所以从分子动理论的观点来看，气体的压强就是大量气体分子作用在器壁单位面积上的平均作用力。二、温度是分子平均动能的标志、内能1．温度一切达到热平衡的系统都具有相同的温度。2．两种温标摄氏温标和热力学温标。关系：T＝t＋273.15K。3．分子的动能(1)分子动能是分子热运动所具有的动能；(2)分子热运动的平均动能是所有分子热运动的动能的平均值，温度是分子热运动的平均动能的标志；(3)分子热运动的总动能是物体内所有分子热运动动能的总和。4．分子的势能(1)意义：由于分子间存在着引力和斥力，所以分子具有由它们的相对位置决定的势能。(2)分子势能的决定因素微观上——决定于分子间距离和分子排列情况；宏观上——决定于体积和状态。5．物体的内能(1)等于物体中所有分子热运动的动能与分子势能的总和，是状态量。(2)对于给定的物体，其内能大小由物体的温度和体积决定。(3)物体的内能与物体的位置高低、运动速度大小无关。三、热力学定律与能量守恒1．热力学第一定律(1)改变物体内能的两种方式①做功；②热传递。(2)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热量与外界对它所做的功的和。②表达式：ΔU＝Q＋W。2．能量守恒定律(1)能量守恒定律2015届高考物理教学案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另一种形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变。(2)能源的利用①存在能量耗散和品质下降。②重视利用能源时对环境的影响。③要开发新能源(如太阳能、生物质能、风能、水流能等)。考点一宏观量与微观量的相互关系1.一个分子的质量：m0＝MNA＝ρVmNA。2.一个分子的体积：V0＝VmNA＝MρNA。(注：对气体V0为分子所占空间体积)3.物体所含的分子数n＝VVm·NA＝mρVm·NA或n＝mM·NA＝ρVM·NA。4.单位质量中所含的分子数：n′＝NAM。例1：空调在制冷过程中，室内空气中的水蒸气接触蒸发器(铜管)液化成水，经排水管排走，空气中水份越来越少，人会感觉干燥。某空调工作一段时间后，排出液化水的体积V＝1.0×103cm3。已知水的密度ρ＝1.0×103kg/m3、摩尔质量M＝1.8×10－2kg/mol，阿伏加德罗常数NA＝6.0×1023mol－1。试求：(结果均保留一位有效数字)(1)该液化水中含有水分子的总数N；(2)一个水分子的直径d。[解析](1)水的摩尔体积为Vm＝Mρ＝1.8×10－21.0×103m3/mol＝1.8×10－5m3/mol水分子数：N＝VNAVm＝1.0×103×10－6×6.0×10231.8×10－5≈3×1025个(2)建立水分子的球模型有VmNA＝16πd3得水分子直径d＝36VmπNA＝36×1.8×10－53.14×6.0×1023m＝4×10－10m[答案](1)3×1025个(2)4×10－10m考点二|分子力、分子势能与分子间距离的关系1．分子力与分子势能名称项目分子间的相互作用力F分子势能Ep与分子间距的关系图像随分子间距的变化情况rr0F引和F斥都随距离的增大而减小，随距离的减小而增大，F引F斥，F表现为斥力r增大，斥力做正功，分子势能减少r减小，斥力做负功，分子势能增加rr0F引和F斥都随距离的增大而减小，随距离的减小而增大，F引F斥，F表现为引力r增大，引力做负功，分子势能增加r减小，引力做正功，分子势能减少r＝r0F引＝F斥，F＝0分子势能最小，但不为零r10r0(10－9m)F引和F斥都已十分微弱，可以认为分子间没有相互作用力分子势能为零例2：两个相距较远的分子仅在分子力作用下由静止运动，直至不再靠近。在此过程中，下列说法正确的是________。A．分子力先增大，后一直减小B．分子力先做负功，后做正功C．分子动能先增大，后减小D．分子势能先增大，后减小[解析]选C两个分子相距较远时表现为引力，相互靠近时分子力先增大后减小，减小到零后分子力变为斥力，分子减速至不再靠近，因此分子力经历了增大、减小再反向增大的过程，故A错误。分子不断靠近，分子力先做正功后做负功，分子动能先增大后减小，B错误，C正确。分子力做正功分子势能减小，分子力做负功分子势能增大，故D错误。考点三|热力学定律的应用1.热力学第一定律的公式：ΔU＝Q＋W2.对公式ΔU＝Q＋W符号的规定符号WQΔU＋外界对物体做功物体吸收热量内能增加－物体对外界做功物体放出热量内能减少例3：如图所示，内壁光滑的汽缸水平放置，一定质量的理想气体被活塞密封在汽缸内，外界大气压强为p0。现对汽缸缓慢加热，气体吸收热量Q后，体积由V1增大为V2。则在此过程中，气体分子平均动能______(选填“增大”、“不变”或“减小”)，气体内能变化了______。解析：温度是分子热运动平均动能的标志，温度升高，气体分子平均动能增大。根据热力学第一定律得：ΔU＝Q＋W，而W＝－p0SΔL＝－p0ΔV＝－p0(V2－V1)，所以气体内能变化了ΔU＝Q－p0(V2－V1)。答案：增大Q－p0(V2－V1)[课后作业]班级姓名学号1．做布朗运动实验，得到某个观测记录如图所示。图中记录的是________。A．分子无规则运动的情况B．某个微粒做布朗运动的轨迹C．某个微粒做布朗运动的速度—时间图线D．按等时间间隔依次记录的某个运动微粒位置的连线解析：选D微粒在周围液体分子无规则碰撞作用下，做布朗运动，轨迹是无规则的，实际操作中不易描绘出微粒的实际轨迹；按等时间间隔依次记录的某个运动微粒位置的连线的无规则性，也能反映微粒做布朗运动的无规则性。记录描绘的正是按等时间间隔记录的某个运动微粒位置的连线，故D正确。2．夏天将密闭有空气的矿泉水瓶放进低温的冰箱中会变扁，此过程中瓶内空气(可看成理想气体)________。A．内能减小，外界对其做功B．内能减小，吸收热量C．内能增加，对外界做功D．内能增加，放出热量解析：选A瓶内空气温度降低，体积减小，内能减小，外界对其做功，放出热量，选项A正确。3．关于热力学定律和分子动理论，下列说法正确的是________。A．一定量气体吸收热量，其内能一定增大B．不可能使热量由低温物体传递到高温物体C．若两分子间距离增大，分子势能一定增大D．若两分子间距离减小，分子间引力和斥力都增大解析：选D根据热力学第一定律，气体内能变化与做功和热传递有关，选项A错误。根据热力学第二定律可知热量不可自发的由低温物体传到高温物体，但热量还是可以通过外界的方法由低温物体传到高温物体，选项B错误。分子内能与分子间的距离有关，当r＞r0时，分子间距离越大，分子势能越大，r＜r0时，分子间距离越大，分子势能越小，选项C错误。分子间的引力和斥力都随分子间距离的变化而变化，距离减小，引力和斥力都要增大，选项D正确。4．我国已开展空气中PM2.5浓度的监测工作。PM2.5是指空气中直径等于或小于2.5μm的悬浮颗粒物，其飘浮在空中做无规则运动，很难自然沉降到地面，吸入后对人体形成危害。矿物燃料燃烧的排放物是形成PM2.5的主要原因。下列关于PM2.5的说法中正确的是________。A．PM2.5的尺寸与空气中氧分子的尺寸的数量级相当B．PM2.5在空气中的运动属于分子热运动C．PM2.5的运动轨迹只是由大量空气分子对PM2.5无规则碰撞的不平衡决定的D．倡导低碳生活，减少煤和石油等燃料的使用，能有效减小PM2.5在空气中的浓度解析：选DPM2.5的尺寸比空气中氧分子的尺寸大得多，A错误；PM2.5在空气中的运动不属于分子热运动，B错误；PM2.5的运动轨迹是由大量空气分子对PM2.5无规则碰撞的不平衡和气流的运动决定的，C错误；倡导低碳生活，减少煤和石油等燃料的使用，能有效减小PM2.5在空气中的浓度，D正确。5．（多选）下列关于布朗运动的说法，正确的是________。A．布朗运动是液体分子的无规则运动B．液体温度越高，悬浮粒子越小，布朗运动越剧烈C．布朗运动是由于液体各个部分的温度不同而引起的D．布朗运动是由液体分子从各个方向对悬浮粒子撞击作用的不平衡引起的解析：选BD布朗运动是悬浮颗粒的无规则运动，A错误；温度越高，颗粒越小，布朗运动越剧烈，B正确；布朗运动是液体分子撞击的不平衡引起的，间接反映了液体分子的无规则运动，C错误，D正确。6．（多选）某气体的摩尔质量为Mmol，摩尔体积为Vmol，密度为ρ，每个分子的质量和体积分别为m和V0，则阿伏加德罗常数NA不可表示为()A．NA＝MmolmB．NA＝ρVmolmC．NA＝VmolV0D．NA＝MmolρV0解析：选CD阿伏加德罗常数NA＝Mmolm＝ρVmolm＝VmolV，其中V应为每个气体分子所占有的体积，而V0是气体分子的体积，故C错误。D中ρV0不是气体分子的质量，因而也是错误的。7．（多选）对于分子动理论和物体内能的理解，下列说法正确的是________。A．温度高的物体内能不一定大，但分子平均动能一定大B．外界对物体做功，物体内能一定增加C．温度越高，布朗运动越显著D．当分子间的距离增大时，分子间作用力就一直减小解析：选AC温度高的物体分子平均动能一定大，但是内能不一定大，选项A正确；外界对物体做功，若散热，物体内能不一定增加，选项B错误；温度越高，布朗运动越显著，选项C正确；当分子间的距离增大时，分子间作用力可能先增大后减小，选项D错误。8．两分子间的斥力和引力的合力F与分子间距离r的关系如图中曲线所示，曲线与r轴交点的横坐标为r0。相距很远的两分子在分子力作用下，由静止开始相互接近。若两分子相距无穷远时分子势能为零，下列说法正确的是________。A．在rr0阶段，F做正功，分子动能增加，势能减小B．在rr0阶段，F做负功，分子动能减小，势能也减小C．在r＝r0时，分子势能最小，动能最大D．在r＝r0时，分