高中物理 第九章 固體、液體和物態(tài)變化 4 物態(tài)變化中的能量交換學(xué)案 新人教版選修3-3

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1、 4　物態(tài)變化中的能量交換 1．熔化與熔化熱 (1)熔化：物質(zhì)從固態(tài)變成液態(tài)的過(guò)程叫熔化；而從液態(tài)變成固態(tài)的過(guò)程叫凝固。 (2)熔化熱：某種晶體熔化過(guò)程中所需的能量(Q)與其質(zhì)量(m)之比叫做這種晶體的熔化熱。 用λ表示晶體的熔化熱，則λ＝Q/m ，在國(guó)際單位制中熔化熱的單位是焦耳/千克(J/kg)。 友情提示： ①熔化過(guò)程指的是晶體在剛達(dá)到熔點(diǎn)，到全部熔化的這一段時(shí)間過(guò)程，而不是從剛開(kāi)始加熱到晶體全部熔化這一段時(shí)間過(guò)程； ②一定質(zhì)量的晶體，熔化時(shí)吸收的熱量與凝固時(shí)放出的熱量相等； ③不同的晶體有不同的空間點(diǎn)陣，要破壞不同物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，所需的能量就不同，因此不同晶體的熔化熱

2、也不相同； ④非晶體液化過(guò)程中溫度會(huì)不斷改變，而不同溫度下物質(zhì)由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)時(shí)吸收的熱量是不同的，所以非晶體沒(méi)有確定的熔化熱。 談重點(diǎn)：化過(guò)程的微觀理解　由于固體分子間的強(qiáng)大作用，固體分子只能在各自的平衡位置附近振動(dòng)，對(duì)固體加熱，在其熔化之前，獲得的能量主要轉(zhuǎn)化為分子的動(dòng)能，使物體溫度升高，當(dāng)溫度升高到一定程度時(shí)，一部分分子的能量足以克服其他分子的束縛，從而可以在其他分子間移動(dòng)，固體開(kāi)始熔化。 【例1－1】 如果已知銅制量熱器小筒的質(zhì)量是150 g，原來(lái)里面裝著100 g 16 ℃的水，放入9 g 0 ℃的冰，冰完全熔化后水的溫度是9 ℃，利用這些數(shù)據(jù)求冰的熔化熱是多少。〔銅的比熱容c銅

3、＝3.9×102 J/(kg·℃)，水的比熱容c水＝4.2×103 J/(kg·℃)〕 解析：9 g 0 ℃的冰熔化為0 ℃的水，再升高到9 ℃，總共吸收的熱量 Q吸＝m冰λ＋m冰c水(9 ℃－0 ℃) 量熱器中的水和量熱器小筒從16 ℃降到9 ℃放出的熱量 Q放＝m水c水(16 ℃－9 ℃)＋m筒c銅(16 ℃－9 ℃) 因?yàn)镼吸＝Q放，所以m冰λ＋m冰c水(9 ℃－0 ℃)＝(m水c水＋m筒c銅)(16 ℃－9 ℃) 統(tǒng)一單位后，把數(shù)值代入上式，可得 λ＝ 3.3×105 J/kg。 答案：3.3×105 J/kg 點(diǎn)技巧：的熔化熱　冰的熔化熱很大，1 kg 0 ℃的冰熔

4、化成0 ℃的水吸收的熱量，相當(dāng)于把1 kg 0 ℃的水升高到80 ℃需要的熱量。冰的這一特點(diǎn)對(duì)自然界有重要的意義。在日常生活中，人們利用冰熔化熱大的特點(diǎn)來(lái)冷藏食品、冰鎮(zhèn)飲料等。 【例1－2】 為了使鉛彈受阻而停止時(shí)放出的熱量能夠熔化它，問(wèn)在25 ℃下鉛彈的初速度必須多大？〔鉛的熔化熱為24.5×103 J/kg，鉛的比熱容是0.13×103 J/(kg·℃)，熔點(diǎn)為327 ℃〕 解析：用λ表示物質(zhì)的熔化熱，m表示物質(zhì)的質(zhì)量，Q表示熔化時(shí)所需要吸收的熱量，則 Q＝λm 熔化鉛彈(質(zhì)量為m)所需的熱量是： Q＝cmΔt＋mλ ＝0.13×103 J/(kg·℃)×m(327 ℃－25

5、℃)＋24.5×103 J/kg·m＝63.8×103 J/kg·m Ek＝Q mv2＝63.8×103 J/kg·m 解得v＝ m/s≈358 m/s。 答案：358 m/s 【例1－3】 一質(zhì)量為50 kg的0 ℃的冰塊，以5.38 m/s的速度沿水平表面滑動(dòng)，由于冰塊與水平表面之間摩擦的結(jié)果，使冰塊滑動(dòng)了一段路程之后停了下來(lái)。已知冰的熔化熱為334.5×103 J/kg，假定沒(méi)有其他熱交換，問(wèn)冰熔化了多少？ 解析：冰的動(dòng)能為mv2，經(jīng)過(guò)一段路程滑行后停止，設(shè)熔化的冰的質(zhì)量為Δm。 根據(jù)題意，冰塊熔化時(shí)吸收的熱量在數(shù)值上等于冰塊動(dòng)能的變化量。 則有：Δmλ＝mv2 Δm＝

6、＝ kg≈2.16×10－3 kg。 答案：見(jiàn)解析 2．汽化與汽化熱 (1)汽化：物質(zhì)從液態(tài)變成氣態(tài)的過(guò)程叫汽化；而從氣態(tài)變成液態(tài)的過(guò)程叫液化。 (2)汽化熱：某種液體汽化成同溫度的氣體時(shí)所需的能量與其質(zhì)量之比，叫做這種物質(zhì)在這一溫度下的汽化熱。其單位是焦耳/千克(J/kg)或千焦/千克(kJ/kg)。 (3)對(duì)汽化熱的理解應(yīng)明確以下幾點(diǎn)： ①液體汽化時(shí)，液體分子離開(kāi)液體表面，要克服其他分子的吸引而做功，因此要吸收能量。 ②液體汽化時(shí)體積會(huì)增大很多，分子吸收的能量不只用于掙脫其他分子的束縛，還用于體積膨脹時(shí)克服外界氣壓做功，所以汽化熱還與外界氣體的壓強(qiáng)有關(guān)。 ③一定質(zhì)量的物質(zhì)，

7、在一定的溫度和壓強(qiáng)下，汽化時(shí)吸收的熱量與液化時(shí)放出的熱量相等。 ④物質(zhì)的汽化熱是指單位質(zhì)量的某種液體在某一溫度、某一壓強(qiáng)下汽化成同溫度的氣體時(shí)吸收的熱量，通常指物質(zhì)在1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的沸點(diǎn)時(shí)的汽化熱。 ⑤汽化熱的計(jì)算(通常計(jì)算在1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓時(shí)，沸點(diǎn)下的汽化熱) 設(shè)某物質(zhì)在1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的沸點(diǎn)時(shí)的汽化熱為L(zhǎng)，物質(zhì)的質(zhì)量為m，則Q＝Lm。 特別提醒：晶體只在達(dá)到熔點(diǎn)時(shí)才可能熔化，而液體可在任何溫度下汽化。講汽化熱要指明在什么溫度下的汽化熱。 【例2】 在大氣壓為1.013×105 Pa的條件下，要使m＝2.0 kg、t＝100 ℃的水全部變成水蒸氣，至少需要多少熱量？(水的汽化熱L＝2.4

8、×106 J/kg) 解析：100 ℃的水全部變成水蒸氣需要吸收的熱量為 Q＝ mL＝2×2.4×106 J＝4.8×106 J。 答案：4.8×106 J 3．圖象法理解汽化熱與溫度的關(guān)系 對(duì)與熔化和汽化有關(guān)的生活現(xiàn)象，應(yīng)從生活現(xiàn)象中抽象出熔化或汽化現(xiàn)象的本質(zhì)，并結(jié)合實(shí)際事例具體說(shuō)明。 汽化熱與溫度的關(guān)系： 水的汽化熱與溫度的關(guān)系 根據(jù)圖象，對(duì)在任何溫度下均能汽化的解釋： 晶體只在熔點(diǎn)時(shí)熔化，而液體可以在任何溫度下汽化，所以提到汽化熱時(shí)一定要注意在什么溫度下的汽化熱。液體汽化時(shí)體積會(huì)增大很多，分子吸收的熱量不只用于掙脫其他分子的束縛，還用于膨脹時(shí)克服外界氣壓做功，

9、所以汽化熱還與外界氣體的壓強(qiáng)有關(guān)。 【例3－1】 下列給出了水的各汽化熱值，請(qǐng)你判斷汽化溫度最高的是(　　) A．2 500 J/g　　　B．200 J/g　　　C．100 J/g　　　D．50 J/g 解析：同種液體溫度不同時(shí)汽化熱不同，溫度升高，汽化熱減小。這是由于同種液體分子間的引力大小相同，溫度較高的液體分子，它的平均動(dòng)能較大，只需供給它較少的熱量就足以使這些分子克服周?chē)肿拥囊Χw出液體，所以汽化熱較小。 答案：D 【例3－2】 在吉尼斯大全中，記述了一個(gè)人創(chuàng)造了赤著腳在650 ℃的燃燒著的一長(zhǎng)堆木炭上步行了約7.5 m的“世界之最”紀(jì)錄。關(guān)于他創(chuàng)下的這個(gè)奇跡，下面說(shuō)法正

10、確的是(　　) A．這個(gè)表演者一定在腳下事先抹上了一種高級(jí)絕熱防護(hù)劑 B．這個(gè)表演者一定是跳躍式地走過(guò)去的，這樣做接觸時(shí)間短，炭火來(lái)不及灼傷腳 C．這個(gè)表演者可能是用汗腳踩在炭火上一步步輕松地走過(guò)去的 D．這個(gè)表演者一定是輕輕地踮著腳走過(guò)去的，這樣做接觸面積小，即使灼傷也不厲害 解析：當(dāng)赤著的腳踩上炭火時(shí)，灼熱的炭火使腳底的汗水迅速汽化，立即在腳底下形成一個(gè)很薄的蒸氣層。由于氣體是熱的不良導(dǎo)體，在一段短暫的時(shí)間內(nèi)，對(duì)腳板將起到絕熱防護(hù)作用，行走中腳上流出的汗水部分地補(bǔ)償了汽化所需的水分。因?yàn)樘S、踮著腳走均不能提供足夠的汗水，且容易使腳陷進(jìn)炭火，從而使保護(hù)層失效。故應(yīng)選C。 答案：

11、C 4．熔化過(guò)程的微觀解釋 在晶體中，粒子(分子、原子或離子)之間的相互作用力使粒子規(guī)則地聚集在一起，形成空間點(diǎn)陣。粒子只能在它的平衡位置附近做無(wú)規(guī)則的微小振動(dòng)，在低于熔點(diǎn)的情況下，粒子的熱運(yùn)動(dòng)不足以克服其間的相互作用。給晶體加熱時(shí)，晶體從外界得到能量，粒子的熱運(yùn)動(dòng)加劇。達(dá)到一定的溫度——熔點(diǎn)時(shí)，一部分粒子具有了足夠的動(dòng)能，能夠克服粒子間的作用力，離開(kāi)平衡位置。粒子之間的引力再不能維持它們的有序排列，而逐漸轉(zhuǎn)向無(wú)序。這時(shí)晶體的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)被破壞，晶體開(kāi)始熔化。 凝固時(shí)，情況正好相反，粒子排列成點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，由無(wú)序轉(zhuǎn)向有序排列時(shí)，粒子間的勢(shì)能減小，因此雖然放出能量，溫度卻保持不變，直到全部凝固

12、成晶體。 非晶體的微觀結(jié)構(gòu)跟液體類(lèi)似，非晶體在吸熱熔化過(guò)程中不必為破壞點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)而消耗能量，所以溫度不停地上升。 【例4－1】 下列關(guān)于晶體熔化過(guò)程的微觀說(shuō)法中正確的是(　　) A．固態(tài)下物質(zhì)分子受到周?chē)渌肿拥淖饔昧^大 B．固態(tài)下的分子是不動(dòng)的，熔化過(guò)程是使分子運(yùn)動(dòng)起來(lái)的過(guò)程 C．晶體的溫度達(dá)到熔點(diǎn)時(shí)，有一部分分子的能量能擺脫其他分子的束縛 D．熔化過(guò)程就是分子由只在平衡位置振動(dòng)變成能在其他分子之間移動(dòng)的過(guò)程 解析：固態(tài)下物質(zhì)分子間作用力較大，使分子規(guī)則地聚集在一起，形成空間點(diǎn)陣，分子在其平衡位置附近做無(wú)規(guī)則振動(dòng)。熔化過(guò)程中晶體從外界吸收能量，分子運(yùn)動(dòng)加劇，克服分子間作用力，離開(kāi)平衡位置，變成能在其他分子之間移動(dòng)。綜上所述A、C、D正確。 答案：ACD 【例4－2】 一定質(zhì)量的0 ℃的冰熔化成0 ℃的水時(shí)，其分子動(dòng)能之和Ek和分子勢(shì)能之和Ep的變化情況是(　　) A．Ek變大，Ep變大　　　　　　B．Ek變小，Ep變小 C．Ek不變，Ep變大 D．Ek不變，Ep變小 解析：0 ℃的冰熔化成水，溫度不變，故分子的平均動(dòng)能不變，分子總數(shù)不變，故Ek不變；冰熔化過(guò)程中吸收的熱量用來(lái)增大分子的勢(shì)能，故C正確。 答案：C 3