资源简介

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主题三
热现象及能量守恒
物理
盛夏时节，山间潺潺流淌的小溪会给人带来丝丝清凉，溪流旁各种各样竞相开放的野花会散发出阵阵花香；寒冷的冬天，在室内生起炉火，可以使人感到暖和……
上述这些与温度有关的现象被称为热现象。人类生活在季节交替、气候变化的自然界中，热现象是人们最早观察和认识的自然现象之一。研究热现象的规律及其应用的学科称为热学，与热学有关的知识在生产生活中有着重要的应用。
第一节
　分子动理论
暮春时节，金黄的油菜花铺满了田间（图 3-1），微风拂过，飘来阵阵花香。我们能够闻到这沁人心脾的香味，是花粉分子运动的结果。你知道分子是怎样运动的吗？
一、分子动理论概述
分子动理论的基本内容是：物体是由大量分子组成的；分子永不停息地做无规则运动；分子之间存在着相互作用的引力和斥力。
分子的热运动和分子之间的相互作用决定了物体的热学性质。
（一）分子的大小
物体是由大量分子组成的，就是我们肉眼能看到的最小尘粒中包含的分子数也数以万亿。怎样才能知道分子的大小呢？
一种粗略测定分子大小的方法叫作油膜法，就是把一滴油酸滴在水面上，油酸在水面上散开形成单分子油膜。如果把分子看成球形，单分子油膜的厚度就可以被认为等于油酸分子的直径 d，如图 3-2 所示。确定一滴油酸的体积，测出油膜的面积，就可以算出油酸分子的直径。
测量结果表明，油酸分子直径的数量级是 10-10 m。可见，分子是很小的，除了一些有机物质的大分子外，一般分子直径的数量级均为 10-10 m。例如，水分子的直径约为 4×10-10 m。我们用肉眼是不能直接看到分子的，就是用光学显微镜也看不到它们。现在有了能放大几亿倍的扫描隧道显微镜，用它能观察到物质表面的分子。图 3-3 所示为扫描隧道显微镜下的碳原子影像，图中的每个亮斑就是一个碳原子。
1 mol 的任何物质都含有相同的分子数，这个数量可以用阿伏伽德罗常量来表示。
阿伏伽德罗常量
意大利化学家阿伏伽德罗（图 3-4）出生于意大利都灵，他家是当地的望族。阿伏伽德罗 30 岁时，对研究物理产生了兴趣，在 1811 年陆续发表了阿伏伽德罗假说、阿伏伽德罗定律。为了纪念他，人们将 NA 称为阿伏伽德罗常量。
扩展阅读
为了得到更精确的阿伏伽德罗常量的数值，科学工作者不断用各种方法进行测量。1986 年用 X 射线法测得的阿伏伽德罗常量是
NA=6.022 136 7×1023 mol-1
通常可取
NA=6.02×1023 mol-1
学习提示：阿伏伽德罗常量是一个重要常数，定量研究热现象时经常要用到它。它是联系微观世界和宏观世界的桥梁。
（二）分子的运动
一切物质的分子都在永不停息地做无规则运动，这个结论也是在实验事实的基础上得到的。我们先来观察下面的实验。
实践活动
将装有空气的瓶子和装有二氧化氮的瓶子口对口对接，中间用玻璃板隔开。抽掉中间的玻璃板后会发现，虽然二氧化氮的密度比空气大，但是却能运动到上面的瓶子里去，同时，空气又能运动到下面的瓶子里去。分子运动实验如图 3-5所示。
这说明，气体分子是运动的。像这样，不同的物质互相接触时彼此进入对方的现象叫作扩散。
不仅气体分子在不停地运动着，液体分子、固体分子也在运动着。液体运动实验如图 3-6 所示。扩散现象在固体之间和液体之间也会发生。利用分子的扩散，在真空、高温条件下，通过往半导体材料中掺入一些其他元素来制造各种元件。
取出一滴用水稀释后的墨汁放在显微镜下观察，可以看到悬浮在液体中的小碳粒在不停地做无规则运动，如图 3-7 所示。而且碳粒越小，这种运动越明显。
如果在显微镜下追踪一个小碳粒的运动，每隔 30 s 把观察到的碳粒的位置记录下来。然后用直线把这些位置依次连接起来，就可以得到如图 3-8 所示的碳粒运动位置的连线。可以看出，碳粒的运动是无规则的。实际上，就是在短短的 30 s内，碳粒的运动也是极不规则的。
实践探究
悬浮微粒不停地做无规则运动的现象，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。后来把悬浮微粒的这种运动叫作布朗运动。不只是花粉和小碳粒，对于液体中各种不同的悬浮微粒，都可以观察到布朗运动。
那么，布朗运动是怎样产生的呢？
在显微镜下看起来连成一片的液体，实际上是由许许多多分子组成的。液体分子不停地做无规则运动，不断地撞击微粒，如图 3-9 所示。当悬浮的微粒足够小时，其受到的来自各个方向的液体分子的撞击作用是不平衡的。在某一瞬间，微粒在某个方向上受到的撞击作用强，致使微粒向该方向运动；在下一瞬间，微粒在另一方向上受到的撞击作用强，致使微粒又向其他方向运动。这样，就引起了微粒的无规则的布朗运动。
可见，液体分子永不停息的无规则运动是产生布朗运动的原因。微粒的布朗运动是液体分子无规则运动的反映。
扩散现象和布朗运动都随着温度的升高而愈加剧烈，表明分子的无规则运动与温度有关系，温度越高，分子的无规则运动就越剧烈。因此，分子的无规则运动也叫作热运动。
（三）分子力
大量分子聚集在一起靠的是分子之间的吸引力。用力拉伸物体，物体内要产生反抗拉伸的弹力，这是因为分子间存在着引力。
如图 3-10 所示，把两块纯净的铅柱压紧，由于分子间的引力，两块铅柱会合在一起，甚至在其下面吊一个重物也不能把它们分开。把两块光学玻璃的表面磨得既光滑又相吻合，并把表面处理干净，然后对其施加一定的压力，它们就可以黏合在一起，这也是利用了分子间的引力。
分子间有引力，但分子并没有紧紧地吸在一起，而是留有空隙，这说明分子间还存在着斥力。用力压缩物体，物体内要产生反抗压缩的弹力，这就是物体内大量分子间的斥力的宏观表现。
研究表明，分子间同时存在着引力和斥力，它们的大小都与分子间的距离有关。
图 3-11 中的两条虚线分别表示分子间的引力和斥力随距离变化的情形。实线表示引力和斥力的合力，即实际表现出来的分子间的作用力随距离变化的情形。
我们看到，分子间的引力和斥力随着分子间距离（r）的增大而减小。当 r=r0 时，分子间的引力和斥力相互平衡，分子间的作用力为零（F=0），r0 的数量级约为 10-10 m。
当 rr0 时，分子间的作用力表现为引力；当 r 的数量级大于 10-9 m 时，分子力已经变得十分微弱，可以忽略不计，这时物质的分子处于游离状态。
二、温度及其测量
从宏观上看，温度是表示物体冷热程度的物理量。从分子动理论的观点来看，温度标志着物体内部分子无规则运动的剧烈程度。
我们在初中学过热力学温度和摄氏温度。在国际单位制中，用热力学温标表示的温度叫作热力学温度。热力学温度是国际单位制中七个基本量之一，用符号 T表示。它的单位是开尔文，简称开，符号是 K。摄氏温度的符号用 t 表示，它的单位是摄氏度，符号是℃。热力学温度和摄氏温度所表示的温度间隔是相同的，即温度升高（或降低）1 K 与升高（或降低）1 ℃相同。热力学温度与摄氏温度的数量关系是
T=t+273.15 K
温度测量仪表按测温方式可分为接触式和非接触式两大类。
（一）接触式测温仪表
接触式测温仪表测量温度比较简单、可靠，测量精度较高。接触式测温仪表除了体温表、液体温度计外，还有热电偶温度计（图 3-12）、热电阻温度计等。
热电偶温度计是工业上最常用的温度检测元件之一。如图 3-13 所示，将两种不同材料的导体（或半导体）A 和 B 的两端相互紧密地连接在一起，组成一个闭合回路。将置于被测对象之外的室温（T1）中的非焊接端，称为冷端；将置于被测温度（T2）中的焊接起来的一端，称为热端。当热端温度和冷端温度不相等，即T2 ≠ T1 时，回路中有电流流过。这种现象称为热电效应或塞贝克效应。对于同种装置，温差越大，则电流越大。热电偶就是利用这一效应来工作的。
热电阻温度计是中低温区最常用的一种温度检测器。它是基于金属导体的电阻值随温度的升高而增大这一特性来进行温度测量的。
因为测温元件与被测介质需要进行充分的热交换，所以用接触式测温仪表来测温存在延迟现象，同时受耐高温材料的限制。
（二）非接触式测温仪表
非接触式测温仪表是基于热辐射原理来测量温度的，测温元件不需要与被测介质接触，测温范围广，不受测温上限的限制，也不会破坏被测物体的温度场，反应速度一般也比较快。“非典”时期，这种测温仪表得到了广泛的推广。
但非接触式测温仪表易受物体的发射率、测量距离、烟尘和水汽等外界因素的影响。
红外线测温仪
随着现代科学技术的不断发展与日益完善，红外线测温仪（图 3-14）凭借其准确、快速、直观等特点，被广泛应用于各行业，在生产过程、产品质量控制和监测、设备在线故障诊断和安全保护以及节约能源等方面发挥着重要作用。近20 年来，非接触红外线测温仪在技术上得到迅速发展，性能不断完善，功能不断增强，品种不断增多，适用范围也不断扩大。非接触红外线测温仪分为便携式、在线式和扫描式三大系列，并备有各种选件和计算机软件，每一系列中又有各种型号及规格。
实践探究
实践探究
一切温度高于绝对零度的物体都在不停地向周围空间发出红外辐射能量。物体的红外辐射能量的大小及其按波长的分布与它的表面温度有着十分密切的关系。因此，通过对物体自身辐射的红外能量的测量，便能准确地测定它的表面温度。
红外线测温仪由光学系统、光电探测器、信号放大器、信号处理电路和显示输出等部分组成。光学系统汇集其视场内的目标红外能量，视场的大小由测温仪的光学零件及其位置决定。红外能量聚焦在光电探测器上并转变为相应的电信号，该信号经过信号放大器和信号处理电路后转变为被测目标的温度值。
实践探究
三、压强及其测量
我们知道，雨滴打在雨伞上而使伞面受到冲力。单个雨滴对伞面的冲力是短暂的，但是大量密集的雨滴连接不断地打在伞面上，就会对伞面形成一个持续、均匀的压力，如图 3-15 所示。同样，单个分子碰撞器壁的冲力是短暂的，但是大量分子频繁地碰撞器壁，就会对器壁产生持续、均匀的压力。气体垂直作用在器壁单位面积上的压力叫作气体的压强。
在国际单位制中，压强的单位是帕斯卡，符号是 Pa。在工程技术中，压强的常用单位还有标准大气压（atm）、毫米水银柱（mmHg）等。
1 Pa=1 N/m2
1 atm=1.013×105Pa≈1.0×105 Pa
1 atm=76 cmHg=760 mmHg
在现代生活和工业生产中，经常需要使用压强计对液体或气体的压强进行测量。压强计的种类很多，按工作原理可分为液柱式压强计、弹性压强计、电测式压强计和数字式压强计。
（一）液柱式压强计
液柱式压强计是根据液柱高度来确定被测压强的压强计，通过两侧液面的高度差将待测压强与另一侧的已知压强联系起来，其特点是结构简单，精度较高。液柱式压强计的基本形式有 U 形压强计、倒 U 形压强计和单管式压强计等。
U 形压强计如图 3-16 所示。倒 U 形压强计如图 3-17 所示。倒 U 形压强计的优点是不需要另加指示液，用待测流体指示压强关系，倒 U 形管的上部为空气。单管式压强计是 U 形压强计的一种变形，如图 3-18 所示。单管式压强计是将 U 形压强计的一根管用一只杯代替，由于杯的截面远大于玻璃管的截面，所以在读数时只要读取液柱一边的高度即可。水银血压计就属于此类。
（二）弹性压强计
弹性压强计（俗称压力表）利用各种形式的弹性元件作为敏感元件来感受压强，通过测量弹性元件的变形（位移）来测得压强的大小。弹性压强计中常用的弹性元件有弹簧管、膜片、膜盒、波纹管等。如图 3-19 所示的弹簧管压强计的测量范围宽，应用较广泛。
（三）电测式压强计和数字式压强计
电测式压强计是将被测压强转换为电信号输出的压强测量装置。以电测式压强传感器为感压元件，将电信号放大，再将模拟信号转换为数字信号，直接显示液体压强值的测压仪器称为数字式（数显式）压强计。随着技术的发展，数字式压强计的应用越来越广泛，如电子血压计（图 3-20）、潜水用液体深度压强计（图 3-21）。
1. 在一个封闭的教室里打开香水瓶盖，过一段时间后，在整个教室内都可以闻到香水味。此现象说明香水（ ）。
A. 分子之间有空隙　　　　　B. 分子之间有相互作用
C. 分子是无规则运动的　　　D. 分子运动速度与温度有关
2.（多选）关于布朗运动的下列说法中正确的是（　　）。
A. 布朗运动是指悬浮在液体中的固体微粒的永不停息的无规则运动
B. 布朗运动是指液体分子的无规则运动
C. 布朗运动说明固体微粒的分子在做永不停息的无规则运动
D. 布朗运动说明了液体分子在做永不停息的无规则运动
课后练习
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