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第3章
热现象及能量守恒
本章导读自然界中与物体冷热程度有关的现象称为热现象，热学就是研究热现象规律及其应用的科学。热学包括分子物理学和热力学两个部分。其中，分子物理学是从物质的微观结构出发，研究分子的结构、物理性质和分子间相互作用的物理学分支，并在物质微观结构的基础上研究气体、液体和固体的物理性质；热力学是从宏观的角度出发，研究热现象中的物质状态转化与能量转换规律的物理学分支。本章将分别介绍从微观角度和宏观角度描述物质热性质的分子动理论和能量守恒定律。学习目标
了解分子动理论的基本内容，认识气体状态参量，理解热力学能的概念。
掌握热力学第一定律与能量守恒定律。
目录 Contents
3.1 分子动理论
3.2 能量守恒定律及其应用
3.1 分子动理论
3.1 分子动理论
3.1.1 分子动理论的基本内容
分子动理论又称分子运动论，它的主要思想包括三点：宏观物体是由大量分子组成的；分子在永不停息地做无规则运动；分子间存在相互作用的引力和斥力。
（1）宏观物体是由大量分子组成的。
宏观物体是由大量分子组成的，分子是构成物质并保持物质化学性质的最小粒子。大量实验表明，除了一些有机物大分子外，一般分子直径的数量级为 ；分子的质量也很小，一般分子质量的数量级为 。
分子很小，且构成物质的分子之间是有间隙的。例如，气体很容易被压缩、水和酒精混合后总体积减小就是因为分子之间有间隙。
3.1 分子动理论
为什么酒精与水混合后总体积会减小？为什么切洋葱时会流泪？为什么固体难以被压缩，也不会散开？
3.1 分子动理论
（2）分子在永不停息地做无规则运动。
演示实验3-1 观察墨汁在水中的运动
在玻璃杯中倒入半杯清水，然后用滴管往杯中滴入几滴黑色墨汁。一段时间后观察墨汁的状态，会发现墨汁逐渐扩散到水中。
3.1 分子动理论
除了上述实验，生活中还有很多这样的现象。这些现象都是由于分子扩散而产生的，统称为扩散现象。扩散现象是指不同物质彼此进入对方的现象。
1827年，英国植物学家布朗在显微镜下观察悬浮在水中的花粉，发现花粉颗粒在不停地做无规则运动，由此说明水分子在永不停息地做无规则运动。为了纪念布朗发现微观分子的这一特性，我们把悬浮在液体或气体中的微粒所做的永不停息的无规则运动叫作布朗运动（见下图）。
布朗运动实质上是由运动着的液体或气体分子不断撞击微粒引起的，所以它间接证明了分子在永不停息地做无规则运动。
3.1 分子动理论
分子的无规则运动与温度有关，温度越高，分子运动越剧烈，分子的平均动能也越大。我们通常把分子的无规则运动称为热运动。
3.1 分子动理论
（3）分子间存在相互作用的引力和斥力。
扩散现象和布朗运动都说明分子在永不停息地做无规则运动，那么为什么固体能够保持一定的形状而不飞散开呢？这是因为物体分子之间存在着引力。而固体与液体相对于气体更难被压缩，这说明分子之间存在着斥力。综上所述，分子间同时存在相互作用的引力和斥力。
3.1 分子动理论
3.1.2 气体的状态参量
物理量温度、压强、体积都能用来描述气体的状态，被称为气体的状态参量。接下来主要介绍温度和压强的相关知识。
1．温度
温度是表示物体冷热程度的物理量。温度数值的表示方法叫作温标。常用的温标有摄氏温标和热力学温标，热力学温标也叫作绝对温标。在比较两个物体的温度时，只有采用同一种温标才能比较。
3.1 分子动理论
日常生活中，我们常用摄氏温标来表示温度。摄氏温标是瑞典天文学家摄尔修斯创立的，其物理量符号为t，单位是摄氏度，写作℃。摄氏温标规定，在一个标准大气压下，水的冰点和沸点分别为0℃和100℃。
科学研究中，一般使用热力学温标。热力学温标是由英国物理学家开尔文创立的，其物理量符号为T，单位是开尔文，写作K。热力学温标把最低温度定义为0 K，称为绝对零度。
热力学温标和摄氏温标之间的数值关系为
即绝对零度对应的状态用摄氏温标表示为 。
3.1 分子动理论
用来测定温度的仪器叫作温度计。温度计有很多种形式，除了日常生活中常见的水银温度计、酒精温度计，还有测低温的半导体温度计，测600℃以上高温的热电温度计和光学温度计，测星球表面温度的光度计等。
在生活中使用温度计测定液体温度时要注意以下几点：
3.1 分子动理论
2．压强
由分子动理论可知，分子在永不停息地运动，这会导致分子不断撞击容器壁，进而产生持续的压力。气体的压强就是用来描述气体分子垂直作用在容器壁单位面积上的压力。
一定质量的气体，当温度上升时，气体分子的热运动加剧，因此分子撞击器壁的作用力变大，气体的压强增大。
压强的单位是帕斯卡，简称帕，用符号Pa来表示。
气体的压强可以用气压计来测定，常见的气压计有水银气压计、金属盒气压计和电子气压计等。在实验室中，常在两端开口的U形管内装入水银制成水银气压计来测定气体压强。
3.1 分子动理论
“马德堡半球”实验是1654年，当时的马德堡市市长奥托·冯·居里克在罗马帝国的雷根斯堡（今德国雷根斯堡）进行的一项科学实验，它的目的是为了证明真空的存在。
如下图所示，居里克和他的助手首先在两个黄铜的半球壳边缘垫上橡皮圈，然后把两个半球壳灌满水后合在一起；接下来把水全部抽出，使球内形成真空；最后，把气嘴上的龙头拧紧封闭。这时，周围的大气把两个半球紧紧地压在一起。
物理故事
3.1 分子动理论
接着，他们把马拴在球的两边，使马向相反的方向奔跑，以便拉开压在一起的半球。结果他们足足用了16匹马才成功把两个半球拉开。这个实验说明了真空的存在，也说明了大气压的存在。
3.1 分子动理论
3.1.3 热力学能
1．热力学能的定义
我们把因为物体内部分子做无规则运动时所具有的动能以及分子间势能的总和叫作物体的热力学能。
2．热力学能的改变方法
所有物体都具有热力学能，热力学能与物体的温度和体积有关。当物体温度升高时，分子动能增加，物体的热力学能也随之增加，反之亦然；同样，当物体的体积改变时，分子的势能发生了改变，物体的热力学能也随之改变。
3.1 分子动理论
改变物体的热力学能有两种方法：一种是做功；另一种是热传递。
对物体做功
例如，划火柴时，火柴克服摩擦力做功，这使火柴的热力学能增加，导致火柴温度升高达到红磷的燃点，火柴就燃烧起来了。
热传递
例如，我们把一盘热腾腾的食物放在餐桌上，食物的温度会降低，其热力学能减小；暖气可以使它周围的物体温度升高，物体热力学能增加。
3.1 分子动理论
综上所述，当外界对物体做功时，物体的热力学能增加；当物体对外界做功时，物体的热力学能减少。当外界向物体传递热量时，物体的热力学能增加；当物体向外界传递热量时，物体的热力学能减少。
做功和热传递虽然都能改变物体的热力学能，但是二者之间有着本质的区别。做功改变物体的热力学能，本质是其他形式的能与热力学能之间的互相转化；而热传递改变物体的热力学能，则是物体之间热力学能的转移。
3.1 分子动理论
用气球专用打气筒给气球打气，用手触摸打气筒的外表面，感受其在打气前后温度的变化。
3.1 分子动理论
课后实践
摩擦焊接作为一种焊接技术，具有以下优点：
（1）焊接接头的质量高且稳定。
（2）具有比较广泛的可焊性。它不仅可用来焊接相同的金属材料，而且特别适用于性能相差较大的异种金属的焊接。
（3）焊件精度高。
（4）能降低制造成本。摩擦焊接时，焊件的焊接余量小，焊口的装配要求不高，焊接功率小。
（5）工作条件好。摩擦焊接不会产生火花、弧光、有害气体，也无震动、噪声等。
（6）容易实现全自动化。
请同学在课后查阅资料，了解摩擦焊接的工作原理及焊接过程，撰写研究小报告，并与同学们分享交流。
3.2 能量守恒定律及其应用
3.2 能量守恒定律及其应用
3.2.1 热力学第一定律
热力学第一定律是热力学的基础，它反映了热现象中不同形式的能量在转化与转移过程中的守恒现象。热力学第一定律是能量守恒定律在热现象领域内所具有的特殊形式。下面将分别介绍热力学第一定律和能量守恒定律，它们都可以从宏观的角度来描述物质的热性质。
做功和热传递都能改变物体的热力学能，如果外界在对物体做功的同时又对其传递热量，那么物体热力学能的增加就等于用这两种方式使物体热力学能增加的总和。如果将物体从外界吸收的热量表示为Q，外界对物体做的功表示为W，物体热力学能的增加表示为 ，则有
3.2 能量守恒定律及其应用
这个公式表明，物体热力学能的增加量等于外界向它传递的热量与外界对它做功的和，这就是热力学第一定律。
在热力学第一定律中，如果外界向物体传递热量，则Q为正；如果物体向外界传递热量，则Q为负。如果外界对物体做功，则W为正；如果物体对外界做功，则W为负。物体的热力学能增加，则 ；物体的热力学能减少，则 。
在现代生活中，人们用电冰箱储存食物，让食物保鲜；在天热时开启空调，使室内温度降低。那么，电冰箱和空调的工作原理是什么呢？
目前，世界上大多数的电冰箱都是压缩式电冰箱。压缩式电冰箱的制冷系统主要由压缩机、冷凝器、干燥过滤器、毛细管和蒸发器五大部件组成。
当电冰箱工作时，制冷剂在蒸发器中吸收电冰箱内的热量后蒸发汽化，变成低压低温气体。低压低温气体通过回气管被吸入压缩机压缩成为高压高温的蒸气，随后排入冷凝器。在压力不变的情况下，冷凝器将制冷剂蒸气的热量散发到空气中，制冷剂则凝结为接近环境温度的高压常温液体。通过干燥过滤器将高压常温液体中可能混有的污垢和水分清除后，经毛细管节流、降压成低压常温的液体重新进入蒸发器。这样再开始下一次“气态－液态－气态”的循环，从而使电冰箱内温度逐渐降低，达到人工制冷的目的。
3.2 能量守恒定律及其应用
知识角
空调的制冷原理与电冰箱基本一致，空调也是由压缩机、冷凝器、毛细管和蒸发器等组成的。空调位于室外的部分是冷凝器，蒸发器则在室内。像电冰箱一样，压缩机工作时，制冷剂从室内吸热，向室外放热，达到降低室内温度的目的。而空调制热是通过电磁换向，将制冷系统的吸、排气管位置对换。原来制冷时蒸发器的室内盘管变成制热时的冷凝器，这样制冷系统从室外吸热向室内放热，实现制热的目的。
3.2 能量守恒定律及其应用
知识角
3.2 能量守恒定律及其应用
3.2.2 能量守恒定律
自然界存在各种不同形式的能，物体机械运动时有动能和势能，热运动有热力学能，此外还有电能、光能、核能和化学能等。
人们在长期的生活实践中发现，不同形式的能之间可以相互转化。例如，通过太阳能发电机将太阳能转化为电能；通过克服摩擦力做功将机械能转化为热力学能；通过各种用电器将电能转化为机械能、热力学能和光能等。
1．能量的转化
3.2 能量守恒定律及其应用
大量事实和科学研究表明，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另一个物体。在能量转化和转移的过程中，其总量保持不变，这就是能量守恒定律。
2．能量守恒定律
能量守恒定律是自然界中最基本、最普遍的定律之一，也是各种自然现象都必须遵守的定律。任何违背能量守恒定律的观点，都被实践证明是错误的。
17—18 世纪，很多人致力于生产一种不需要任何动力和燃料就可以源源不断做功的机器，这种机器被称为永动机。但是，随着能量守恒定律的发现，人们认识到，任何一台机器只能使能量从一种形式转化为另一种形式，而不能创造能量，因此永动机是不可能实现的。
3.2 能量守恒定律及其应用
人类的生活离不开能量，通过能量守恒定律我们知道，能量不会凭空消失，那么为什么还要节约能量呢？
3．能源与可持续发展
我们可以在生活中观察到，燃料燃烧可以产生热量，但是我们不能轻易把热量重新收回到燃料中。这是因为与热现象有关的能量转化和转移的过程都是有方向性的。
生活中所需要的能量都是由能源物质提供的，目前我们使用的主要能源是煤、石油和天然气。这些常规能源是不可再生的。随着我国经济的迅速发展，能源的消耗也越来越大，因此，我们一定要积极开发新能源，并注重节约现有能源，尽可能使用再生能源，从而保障社会的可持续发展。
3.2 能量守恒定律及其应用
煤、石油、天然气等不可再生资源的过度开发对地球环境有何影响？有什么解决方案？
3.2 能量守恒定律及其应用
课后实践
请在课后查阅资料，了解人类在新能源开发方面的成就，选取其中一种新能源作为研究对象，调查它的优点、缺点以及开发现状，撰写成研究小报告，并与同学分享交流。

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