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第七部分 熱學

熱學知識在奧賽中的要求不以深度見長，但知識點卻非常地多（考綱中羅列的知識點幾乎和整個力學——前五部分——的知識點數(shù)目相等）。而且，由于高考要求對熱學的要求逐年降低（本屆尤其低得“離譜”，連理想氣體狀態(tài)方程都沒有了），這就客觀上給奧賽培訓增加了負擔。因此，本部分只能采新授課的培訓模式，將知識點和例題講解及時地結合，爭取讓學員學一點，就領會一點、鞏固一點，然后再層疊式地往前推進。

一、分子動理論

1、物質是由大量分子組成的（注意分子體積和分子所占據(jù)空間的區(qū)別）

對于分子（單原子分子）間距的計算，氣體和液體可直接用，對固體，則與分子的空間排列（晶體的點陣）有關。

【例題1】如圖6-1所示，食鹽（N_aCl）的晶體是由鈉離子（圖中的白色圓點表示）和氯離子（圖中的黑色圓點表示）組成的，離子鍵兩兩垂直且鍵長相等。已知食鹽的摩爾質量為58.5×10^－3kg/mol，密度為2.2×10³kg/m³，阿伏加德羅常數(shù)為6.0×10²³mol^－1，求食鹽晶體中兩個距離最近的鈉離子中心之間的距離。

【解說】題意所求即圖中任意一個小立方塊的變長（設為a）的倍，所以求a成為本題的焦點。

由于一摩爾的氯化鈉含有N_A個氯化鈉分子，事實上也含有2N_A個鈉離子（或氯離子），所以每個鈉離子占據(jù)空間為 v = 

而由圖不難看出，一個離子占據(jù)的空間就是小立方體的體積a³ ，

即 a³ =  = ，最后，鄰近鈉離子之間的距離l = a

【答案】3.97×10^－10m 。

〖思考〗本題還有沒有其它思路？

〖答案〗每個離子都被八個小立方體均分，故一個小立方體含有×8個離子 = 分子，所以…（此法普遍適用于空間點陣比較復雜的晶體結構。）

2、物質內的分子永不停息地作無規(guī)則運動

固體分子在平衡位置附近做微小振動（振幅數(shù)量級為0.1），少數(shù)可以脫離平衡位置運動。液體分子的運動則可以用“長時間的定居（振動）和短時間的遷移”來概括，這是由于液體分子間距較固體大的結果。氣體分子基本“居無定所”，不停地遷移（常溫下，速率數(shù)量級為10²m/s）。

無論是振動還是遷移，都具備兩個特點：a、偶然無序（雜亂無章）和統(tǒng)計有序（分子數(shù)比率和速率對應一定的規(guī)律——如麥克斯韋速率分布函數(shù)，如圖6-2所示）；b、劇烈程度和溫度相關。

氣體分子的三種速率。最可幾速率v_P ：f(v) = （其中ΔN表示v到v +Δv內分子數(shù)，N表示分子總數(shù)）極大時的速率，v_P == ；平均速率：所有分子速率的算術平均值， ==；方均根速率：與分子平均動能密切相關的一個速率，==〔其中R為普適氣體恒量，R = 8.31J/(mol.K)。k為玻耳茲曼常量，k =  = 1.38×10^－23J/K 〕

【例題2】證明理想氣體的壓強P = n，其中n為分子數(shù)密度，為氣體分子平均動能。

【證明】氣體的壓強即單位面積容器壁所承受的分子的撞擊力，這里可以設理想氣體被封閉在一個邊長為a的立方體容器中，如圖6-3所示。

考查yoz平面的一個容器壁，P =            ①

設想在Δt時間內，有N_x個分子（設質量為m）沿x方向以恒定的速率v_x碰撞該容器壁，且碰后原速率彈回，則根據(jù)動量定理，容器壁承受的壓力

 F ==                            ②

在氣體的實際狀況中，如何尋求N_x和v_x呢？

考查某一個分子的運動，設它的速度為v ，它沿x、y、z三個方向分解后，滿足

v² =  +  + 

分子運動雖然是雜亂無章的，但仍具有“偶然無序和統(tǒng)計有序”的規(guī)律，即

 =  +  +  = 3                    ③

這就解決了v_x的問題。另外，從速度的分解不難理解，每一個分子都有機會均等的碰撞3個容器壁的可能。設Δt = ，則

 N_x = ·3N_總 = na³                         ④

注意，這里的是指有6個容器壁需要碰撞，而它們被碰的幾率是均等的。

結合①②③④式不難證明題設結論。

〖思考〗此題有沒有更簡便的處理方法？

〖答案〗有�！懊�令”所有分子以相同的速率v沿+x、?x、+y、?y、+z、?z這6個方向運動（這樣造成的宏觀效果和“雜亂無章”地運動時是一樣的），則 N_x =N_總 = na³ ；而且v_x = v

所以，P =  = ==nm = n

3、分子間存在相互作用力（注意分子斥力和氣體分子碰撞作用力的區(qū)別），而且引力和斥力同時存在，宏觀上感受到的是其合效果。

分子力是保守力，分子間距改變時，分子力做的功可以用分子勢能的變化表示，分子勢能E_P隨分子間距的變化關系如圖6-4所示。

分子勢能和動能的總和稱為物體的內能。

二、熱現(xiàn)象和基本熱力學定律

1、平衡態(tài)、狀態(tài)參量

a、凡是與溫度有關的現(xiàn)象均稱為熱現(xiàn)象，熱學是研究熱現(xiàn)象的科學。熱學研究的對象都是有大量分子組成的宏觀物體，通稱為熱力學系統(tǒng)（簡稱系統(tǒng)）。當系統(tǒng)的宏觀性質不再隨時間變化時，這樣的狀態(tài)稱為平衡態(tài)。

b、系統(tǒng)處于平衡態(tài)時，所有宏觀量都具有確定的值，這些確定的值稱為狀態(tài)參量（描述氣體的狀態(tài)參量就是P、V和T）。

c、熱力學第零定律（溫度存在定律）：若兩個熱力學系統(tǒng)中的任何一個系統(tǒng)都和第三個熱力學系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)，那么，這兩個熱力學系統(tǒng)也必定處于熱平衡。這個定律反映出：處在同一熱平衡狀態(tài)的所有的熱力學系統(tǒng)都具有一個共同的宏觀特征，這一特征是由這些互為熱平衡系統(tǒng)的狀態(tài)所決定的一個數(shù)值相等的狀態(tài)函數(shù)，這個狀態(tài)函數(shù)被定義為溫度。

2、溫度

a、溫度即物體的冷熱程度，溫度的數(shù)值表示法稱為溫標。典型的溫標有攝氏溫標t、華氏溫標F（F = t + 32）和熱力學溫標T（T = t + 273.15）。

b、（理想）氣體溫度的微觀解釋： = kT （i為分子的自由度 = 平動自由度t + 轉動自由度r + 振動自由度s 。對單原子分子i = 3 ，“剛性”〈忽略振動，s = 0，但r = 2〉雙原子分子i = 5 。對于三個或三個以上的多原子分子，i = 6 。能量按自由度是均分的），所以說溫度是物質分子平均動能的標志。

c、熱力學第三定律：熱力學零度不可能達到。（結合分子動理論的觀點2和溫度的微觀解釋很好理解。）

3、熱力學過程

a、熱傳遞。熱傳遞有三種方式：傳導（對長L、橫截面積S的柱體，Q = KSΔ

 【選做題】本題包括A、B、C三小題，請選定其中兩題，并在答題卡相應的答題區(qū)域內作答．若三題都做，則按A、B兩題評分．

A．(選修模塊3—3)（12分）

（1）在研究性學習的過程中，針對能源問題，大氣污染問題同學們提出了如下四個活動方案，哪些從理論上講是可行的

（A）發(fā)明一種制冷設備，使溫度降至絕對零度以下

（B）汽車尾氣中各類有害氣體排入大氣后嚴重污染了空氣，想辦法使它們自發(fā)地分離，既清潔了空氣，又變廢為寶

（C）某國際科研小組正在研制利用超導材料制成燈泡的燈絲和閉合電路．利用電磁感應激起電流后，由于電路電阻為零從而使燈泡一直發(fā)光

（D）由于太陽的照射，海洋表面的溫度可達30℃左右，而海洋深處的溫度要低得多，在水600～1000m的地方，水溫約為4℃．據(jù)此，科學家研制了一種抗腐蝕的熱交換器，利用海水溫差發(fā)電

（2）秋天附著在樹葉上的露水常呈球形，.這是因為____▲____．水銀放在某一固體容器中，其液面向下彎，說明水銀__▲___這種固體（填“浸潤”或“ 不浸潤”）．

（3）如圖所示，在豎直放置絕熱圓柱形容器內用質量為m的絕熱活塞密封一部分氣體，活塞與容器壁間能無摩擦滑動，容器的橫截面積為S，開始時密閉氣體的溫度為T₀，活塞與容器底的距離為h₀．現(xiàn)將整個裝置放在大氣壓恒為P₀的空氣中，當氣體從外界吸收熱量Q后，活塞緩慢上升d后再次平衡，問：

①此時密閉氣體的溫度是多少？

②在此過程中密閉氣體的內能增加了多少？

B．(選修模塊3—4)（12分）

（1）下列說法中正確的有    ▲   ．

（A）2010年4月14日早晨7時49分，青海省玉樹藏族自治州玉樹縣發(fā)生7.1級地震，造成重大人員財產損失，地震波是機械波，地震波中既有橫波也有縱波

（B）太陽能真空玻璃管采用鍍膜技術增加透射光，這是利用了光的衍射原理

（C）相對論認為：真空中的光速在不同慣性參照系中是不相同的

（D）醫(yī)院里用于檢測的“彩超”的原理是：向病人體內發(fā)射超聲波，經血  

液反射后被接收，測出反射波的頻率變化，就可知血液的流速．這 

一技術應用了多普勒效應

（2）如圖所示為一列簡諧波在t₁=0時刻的圖象，此時波中質點M的運動方   

向沿y軸負方向，且到t₂=0.55s質點M恰好第3次到達y軸正方向最大 

位移處，該波的傳播方向為__▲___，波速為___▲____m／s．

（3）如圖所示是一種折射率n=1.5的棱鏡．現(xiàn)有一束光 線沿MN的方向射  

到棱鏡的AB界面上，入射角的大小．求光在棱鏡中傳

播的速率及此束光線射出棱鏡后的方向（不考慮返回到AB面上的光線）．

C．(選修模塊3—5)（12分）

（1）下列說法中正確的有___▲____．

（A）黑體輻射時電磁波的強度按波長的分布只與黑體的溫度有關

（B）普朗克為了解釋光電效應的規(guī)律，提出了光子說

（C）天然放射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)揭示原子核有復雜的結構

（D）盧瑟福首先發(fā)現(xiàn)了質子和中子

（2）如圖所示是使用光電管的原理圖．當頻率為v的可見光照射到陰極K上時，  

電流表中有電流通過．

  ①當變阻器的滑動端P向    ▲    滑動時（填“左”或“右”），通過電流表的電流將會減小．

  ②當電流表電流剛減小到零時，電壓表的讀數(shù)為U，則光電子的最大初動能為

       ▲    （已知電子電荷量為e）．

  ③如果不改變入射光的頻率，而增加入射光的強度，則光電子的最大初動能將__▲___

（填“增加”、“減小”或“不變”）．

（3）一炮彈質量為m，以一定的傾角斜向上發(fā)射，到達最高點時速度為v，炮彈在最高點爆炸成兩塊，

其中一塊恰好做自由落體運動，質量為．則另一塊爆炸后瞬時的速度大小__▲__。

 【選做題】本題包括A、B、C三小題，請選定其中兩題，并在答題卡相應的答題區(qū)域內作答．若三題都做，則按A、B兩題評分．

A．(選修模塊3—3)（12分）

（1）在研究性學習的過程中，針對能源問題，大氣污染問題同學們提出了如下四個活動方案，哪些從理論上講是可行的

（A）發(fā)明一種制冷設備，使溫度降至絕對零度以下

（B）汽車尾氣中各類有害氣體排入大氣后嚴重污染了空氣，想辦法使它們自發(fā)地分離，既清潔了空氣，又變廢為寶

（C）某國際科研小組正在研制利用超導材料制成燈泡的燈絲和閉合電路．利用電磁感應激起電流后，由于電路電阻為零從而使燈泡一直發(fā)光

（D）由于太陽的照射，海洋表面的溫度可達30℃左右，而海洋深處的溫度要低得多，在水600～1000m的地方，水溫約為4℃．據(jù)此，科學家研制了一種抗腐蝕的熱交換器，利用海水溫差發(fā)電

（2）秋天附著在樹葉上的露水常呈球形，.這是因為____▲____．水銀放在某一固體容器中，其液面向下彎，說明水銀__▲___這種固體（填“浸潤”或“ 不浸潤”）．

（3）如圖所示，在豎直放置絕熱圓柱形容器內用質量為m的絕熱活塞密封一部分氣體，活塞與容器壁間能無摩擦滑動，容器的橫截面積為S，開始時密閉氣體的溫度為T₀，活塞與容器底的距離為h₀．現(xiàn)將整個裝置放在大氣壓恒為P₀的空氣中，當氣體從外界吸收熱量Q后，活塞緩慢上升d后再次平衡，問：

①此時密閉氣體的溫度是多少？

②在此過程中密閉氣體的內能增加了多少？

B．(選修模塊3—4)（12分）

（1）下列說法中正確的有    ▲   ．

（A）2010年4月14日早晨7時49分，青海省玉樹藏族自治州玉樹縣發(fā)生7.1級地震，造成重大人員財產損失，地震波是機械波，地震波中既有橫波也有縱波

（B）太陽能真空玻璃管采用鍍膜技術增加透射光，這是利用了光的衍射原理

（C）相對論認為：真空中的光速在不同慣性參照系中是不相同的

（D）醫(yī)院里用于檢測的“彩超”的原理是：向病人體內發(fā)射超聲波，經血  

液反射后被接收，測出反射波的頻率變化，就可知血液的流速．這 

一技術應用了多普勒效應

（2）如圖所示為一列簡諧波在t₁=0時刻的圖象，此時波中質點M的運動方   

向沿y軸負方向，且到t₂=0.55s質點M恰好第3次到達y軸正方向最大 

位移處，該波的傳播方向為__▲___，波速為___▲____m／s．

（3）如圖所示是一種折射率n=1.5的棱鏡．現(xiàn)有一束光 線沿MN的方向射  

到棱鏡的AB界面上，入射角的大小．求光在棱鏡中傳

播的速率及此束光線射出棱鏡后的方向（不考慮返回到AB面上的光線）．

C．(選修模塊3—5)（12分）

（1）下列說法中正確的有___▲____．

（A）黑體輻射時電磁波的強度按波長的分布只與黑體的溫度有關

（B）普朗克為了解釋光電效應的規(guī)律，提出了光子說

（C）天然放射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)揭示原子核有復雜的結構

（D）盧瑟福首先發(fā)現(xiàn)了質子和中子

（2）如圖所示是使用光電管的原理圖．當頻率為v的可見光照射到陰極K上時，  

電流表中有電流通過．

  ①當變阻器的滑動端P向    ▲    滑動時（填“左”或“右”），通過電流表的電流將會減�。�

  ②當電流表電流剛減小到零時，電壓表的讀數(shù)為U，則光電子的最大初動能為

        ▲    （已知電子電荷量為e）．

  ③如果不改變入射光的頻率，而增加入射光的強度，則光電子的最大初動能將__▲___

（填“增加”、“減小”或“不變”）．

（3）一炮彈質量為m，以一定的傾角斜向上發(fā)射，到達最高點時速度為v，炮彈在最高點爆炸成兩塊，

其中一塊恰好做自由落體運動，質量為．則另一塊爆炸后瞬時的速度大小__▲__。