第一节 分子热运动
1. 扩散现象
扩散是指不同物质在相遇时相互渗透、进入对方的现象。所有物质的分子都在不停地做无规则运动,这种运动表明分子之间是有间隙的。无论是固体、液体还是气体,都可能出现扩散现象。不同物质扩散的速度不同,其中气体的扩散速度最快,而固体的扩散速度最慢。
扩散不仅限于气体或液体之间,像汽化和升华等物态变化过程中,同样会出现扩散现象。值得注意的是,扩散的速度与温度密切相关。温度越高,分子运动的剧烈程度越大,扩散速度也越快。由于这种无规则的分子运动与温度的关系,我们将其称为“分子热运动”。
需要区分的是,分子热运动与微小颗粒的运动不同。例如,雾霾的扩散或灰尘飘浮并不是分子热运动的表现。
2. 分子间的作用力
分子之间的相互作用力既有引力也有斥力,这两者是同时存在的。具体来说,当分子间的距离为r₀(大约为10^-10米)时,引力与斥力相等,合力为零,不对外施加力;如果分子之间的距离变得更小,小于r₀时,引力和斥力都会增强,但斥力增强得更快,此时斥力占主导作用;而当分子间的距离增大,超过r₀时,斥力会减小得更快,引力逐渐占主导,分子间的作用力表现为引力。
随着分子间距离的进一步增大,当其距离超过10倍的r₀时,分子间的作用力变得非常微弱,基本可以忽略不计。
第二节 内能
1. 内能的概念
内能指的是物体内部所有分子热运动的动能与分子间相互作用的势能之和。无论任何物体,在任何情况下,它都具有内能。内能的单位是焦耳(J),并且它是一个不可直接测量的量。
2. 影响内能大小的因素
内能的大小受到多个因素的影响:
温度:在物体的质量、材料和状态保持不变的情况下,温度的升高会使物体的内能增加,而温度下降时,内能则减小。内能的变化不一定总是伴随温度的变化。例如,某些物体在熔化过程中虽然吸收了热量,内能增大,但温度保持不变;反之,晶体在凝固时会放出热量,内能减小,但温度也可能不发生变化。
质量:在其他条件不变的情况下,物体的质量越大,内能也越大。
材料:即使温度、质量和状态相同,不同材料的物体内能也可能有所不同。
状态:物体的存在状态(如固态、液态、气态)也会影响其内能,即便其温度、质量和材料相同。
内能的增加并不总是通过吸热实现的,某些情况下,做功也能增加内能。比如,在压缩气体时,通过做功将机械能转化为内能。与此内能的增加并不总是导致温度的上升,某些过程中(如熔化),温度可能保持不变。
3. 改变内能的方式
内能的变化可以通过做功或热传递两种方式实现。
做功:当物体受到外力做功时,内能会发生变化。若对物体做功,内能会增加,机械能转化为内能;而当物体对外做功时,内能则会减少,内能转化为机械能。
热传递:热量是从高温物体传递到低温物体,或者在同一物体内部从高温部分传到低温部分的过程。热传递的前提是物体之间或物体内部存在温差。热量传递的是能量,而非温度。热量的单位是焦耳(J),而热传递是一个过程量,与内能不同。内能则是物体的状态量。
在热传递过程中,高温物体会释放热量,导致其温度降低,内能减少;而低温物体会吸收热量,温度上升,内能增加。热传递过程中,能量在物体间转移,但其形式并没有发生改变。如果没有温度差,热传递就不会发生。
第三节 比热容
1. 比热容的定义
比热容是指单位质量的物质温度升高或降低1°C时所吸收或释放的热量。它通常用字母c表示,单位是焦耳每千克摄氏度(J/(kg·℃))。比热容是物质吸热或放热能力的一个重要物理量。
举个例子,水的比热容为4.2×10³ J/(kg·℃),这意味着1千克水温度上升1℃时,水会吸收或放出4.2×10³焦耳的热量。比热容与物质的种类和状态密切相关,但与物体的质量、体积、形状等无关。
水常常被用作调节温度、加热或冷却的介质,因为它的比热容较大,因此水在温度变化时吸放热量的能力较强。
2. 比热容的比较方法
质量相同,升温相同:比较吸收热量的多少,吸热量多的物质,比热容较大。
质量相同,吸热量相同:比较温度变化,温度变化小的物质,比热容较大。
比热容越大,物质吸收或放出热量的能力越强,其温度变化也越不明显。
3. 热量的计算公式
温度升高时:
Q=mcΔT
温度降低时:
Q=−mcΔT
其中,Q表示热量(单位:焦耳),m表示质量(单位:千克),c表示比热容(单位:J/(kg·℃)),ΔT表示温度变化(单位:℃)。
计算时需要注意,若题目中给出的是温度变化量而不是温度本身,需要根据具体情况区分末温和变化量之间的关系。