高中物理强基计划特训-第12部分-热学

高中物理强基计划-第12部分-热学 我国古代传说，燧人氏钻木取火以化腥臊，奉为千古圣皇；古希腊神话，普罗米修斯盗天火开罪 于主神而泽惠天下，崇为世间英雄。在古代各民族的语言里，“火”与“热”几乎是同义词。热学这门 科学起源于人类对于热与冷现象本质的追求，由于史前人类已经发明了火，我们可以想象到，追求热 与冷现象的本质可能是人类最初对自然界法则的追求之一。在这个模块中，我们来研究一些热学现象。 1、分子动理论 费曼在他的物理学讲义中写道：“假如由于某种大灾难，所有的科学知识都丢失了，只有一句话传 给下一代，那么怎样才能用最少的词汇来表达最多的信息呢?我相信这句话是原子的假设：所有的物 体都是由原子构成的，这些原子是一些小小的粒子，它们一直不停地运动着。当彼此略微离开时相互 吸引，当彼此过于挤紧时又相互排斥。”这一句话中包含了大量的有关世界的信息，实际上就是我们下 面要讲述的分子动理论的主要内容。 1. 物体是由大量分子组成的 (1)用油膜法估测分子的大小 把很小一滴油酸滴在水面上，水面上会形成一块油酸薄膜，薄膜是由单层油酸分子组成的。在 估算时我们忽略油酸分子的形状，把它简化为球形。测出一滴液体中油酸所占的体积V, 油膜 的面积S, 就能估算出油酸的分子直径 o 因此，估测油酸分子的直径，要解决两个问题：①获得很小一滴油酸并测得它的体积；②测 量这滴油酸在水面上形成的油膜面积。 ①首先，配置一定浓度的油酸酒精溶液，例如可以向1mL 油酸中加酒精，直至总量达到500mL。 用注射器吸取这样的油酸溶液，把它一滴一滴地滴入小量筒中，记下液滴的总滴数和它们的 总体积，这样便知道1 滴溶液的体积了。例如，100滴溶液的体积是1mL,1 滴的体积就是 353 学科网（北京）股份有限公司 10²mL 。 根据这些数据就可以计算出一滴溶液中所含纯油酸的体积。例如，上述数据中，1 滴溶液含油酸2×10-⁵mL 。 如果把1滴这样的溶液滴在水面，溶液中的酒精将溶于水并很快 挥发，液面上的油膜便是纯油酸形成的。 ②先在浅盘里倒入约2cm 深的水，然后将痱子粉或细石膏粉均匀地洒在水面上。用注射器往水 面上滴1滴油酸酒精溶液，油酸立即在水面散开，形成一块薄膜。薄膜上没有痒子粉，可以 清楚地看出它的轮廓。待油酸薄膜形状稳定后，将事先准备好的玻璃板放在浅盘上，在玻璃 板上描下油酸膜的形状。将画有油酸膜轮廓的玻璃板放在坐标纸上，计算轮廓范围内的正方 形个数，不足半个的舍去，多于半个的算一个。把正方形的个数乘以单个正方形的面积就得 到油膜的面积。 (2)分子的大小：除了一些有机物质的大分子外，多数分子尺寸的数量级为10-1 m。 (3)阿伏加德罗常数： 我们在化学课中学过，1mol 的任何物质都含有相同的粒子数，这个数量可以用阿伏加德罗常数 来表示。1986年用X 射线测得的阿伏加德罗常数是N=6.02×10²mol'。 阿伏加德罗常数是一个重要的常数，它把摩尔质量、摩尔体积这些宏观物理量与分子质量、分 子大小等微观物理量联系起来，物理学中定量研究热现象时经常用到它。 ①固体、液体分子微观量的估算 分子数： (Mmu 为分子的摩尔质量， Vm₁ 为分子的摩尔体积) 每个分子的质量： 每个分子体积(分子所占空间): ,其中p 为固体或液体的密度 分子直径的估算：把固体、液体分子看成球形，则分子直径d=√6V/π; 把固体、液体分子看成立方体，则d= 。 ②气体分子微观量的估算方法 物质的,V 为气体在标况下的体积 分子间距的估算：设想气体分子的分布均匀，每个分子平均占有一定的体积，假设为立方体， 则分子间距r=3/V/N 2. 分子永不停息地做无规则热运动 初中我们学习过，物体里的分子永不停息地做无规则运动，这种运动跟温度有关，所以通常把分子 的这种运动叫做热运动。温度越高，分子热运动越剧烈。 但是分子很小，物体中包含着大量的 分子，不可能利用研究机械运动的方法研 究分子运动，那么如何观察分子的运动 呢? (1)扩散现象 从实验和生活现象中我们都会发现，不同物质能够彼此进入对方，物理学把这类现象叫做扩散。 (2)布朗运动 19世纪初， 一些人观察到，悬浮在液体中的小颗粒总在不停的运动。1827年，英国植物学家布 354 学科网（北京）股份有限公司 朗首先在显微镜下研究了这种运动。下面我们来做类似的实验。 把墨汁用水稀释后取出一滴放在高倍显微镜下观察，可以看到悬浮在液体中的小碳粒在不停地 做无规则运动，追踪一个小碳粒的运动，每隔30s把碳粒的位置记录下来，然后用直线把这些位 置按时间顺序依次连接起来，就得到类似下图所示的微粒运动的位置连线。可以看出，微粒的 运动是无规则的。实际上，就是在短短的30s 内，微粒的运动也是极不规则