第2章　熱　學

2.1　考點精講

一、分子動理論的基本內容

1．宏觀物體是由大量分子所組成的

分子非常微小，分子直徑的數量級是10-10m，例如，水分子的直徑約為4×10-10m。一些有機物的高分子，直徑比較大。

1mol（摩爾）的任何物質都含有相同的微粒數，這個數值就叫做阿伏加德羅常量，用N_A表示，大小為

【例】一個氫分子的質量是____kg。

【答案】

【解析】因為氫分子的摩爾質量為

而1mol氫的分子數為

所以一個氫分子的質量是

2．分子永不停息地做無規則的熱運動

（1）布朗運動

物質的分子太小，不易直接觀察它們的運動。在顯微鏡下可以觀察到懸浮在液體中的微小顆粒，如花粉、石墨微粒等，都在不停息地做無規則的運動，這種運動叫做布朗運動。觀察表明，顆粒越小，布朗運動越劇烈；溫度越高，布朗運動越劇烈。

布朗運動是懸浮在液體中的顆粒不斷地受到來自各個方向的液體分子撞擊的結果。布朗運動的無規則性反映了液體內部分子運動的無規則性。

（2）大量實驗表明，分子的無規則運動與溫度有關。溫度越高，分子無規則運動越劇烈。因此，把分子無規則運動又叫做熱運動。事實上，宏觀上物質與溫度有關的現象都與組成物質的大量分子無規則的熱運動有關。

3．分子力

要把物體拉伸或壓縮都需要用力，這表明分子之間既有斥力又有引力。

分子間的引力和斥力是同時存在的。當分子之間的距離等于某一數值r₀時（r₀的數量級是l0-10m），它們之間的引力與斥力正好相等，合力為零，分子處于平衡狀態。當分子間距離小于r₀時，斥力大于引力，分子力表現為斥力；當分子間距離大于r₀時，斥力小于引力，分子力表現為引力。當分子間距離比r₀大得多時，分子力近似為零。

固體的分子力很大，液體次之，氣體由于分子間距離較大，分子力很小，有時可以忽略。

二、物體的內能

1．分子的動能

物體是由大量分子組成的。由于分子總是在不停地做無規則的熱運動，因此分子具有動能。物體內所有分子熱運動動能的平均值叫做分子的平均動能。分子的平均動能與物體的溫度有關，物體的溫度越高，分子熱運動越劇烈，分子平均動能越大。

2．分子的勢能

由于分子之間存在著分子力的作用，因此分子還具有勢能。分子的勢能與分子間的距離有關。物體中所有分子的勢能與物體的體積有關。

3．物體的內能組成

物體所有分子熱運動的動能和分子勢能的總和叫做物體的內能。分子的動能與溫度有關，分子的勢能與體積有關，因此物體的內能與溫度和體積都有關。必須指出，物體的內能是不同于機械能的另一種形式的能量。

【例】物體的內能是(　  )。

A．物體所具有的熱量

B．物體中所有分子的動能之和

C．物體中所有分子的勢能之和

D．物體中所有分子的動能與勢能之和

【答案】D

【解析】物體的內能是指組成物體的所有分子無規則熱運動的動能與分子之間相互作用的勢能之和。

三、改變物體內能的兩種方式

1．外界對物體做功可以使物體的內能增加

例如，用手把兩塊木塊相互摩擦，木塊會發熱，溫度升高，內能增加。對于一個單一的做功過程，物體內能的增加量等于外界對物體做功的數值。

2．外界對物體傳遞熱量，也可以使物體的內能增加

例如，把一鍋水放在灼熱的火爐上，由于火爐把熱量傳遞給水，使水的溫度升高，內能增加。在一個單一的熱傳遞的過程中，物體內能的增加量等于外界傳遞給物體的熱量的數值。

做功和熱傳遞是改變物體內能的兩種物理過程。做功與熱傳遞，就改變物體內能這一點上來講，是等效的。

功、熱量、能量都采用焦耳作單位，符號為J。

【例】氣體在絕熱的氣缸中膨脹，氣體的內能(　  )。

A．增加

B．減小

C．不變

D．既可能增加，也可能減小

【答案】B

【解析】氣體在絕熱的氣缸中膨脹時，體積增大，對外界做功。因為是絕熱過程，所以氣體與外界之間沒有熱傳遞。因此，氣體的內能減小。

四、理想氣體等溫過程中的做功與熱傳遞的關系

一定質量的理想氣體的內能只決定于溫度，因此理想氣體在等溫過程中內能始終不變，當理想氣體等溫膨脹時，體積增大，氣體對外界做功，因為氣體內能不變，所以它對外做功的同時必須吸收熱量；反之，理想氣體等溫壓縮時，體積減小，外界對氣體做功，氣體放出熱量。由此可見，理想氣體等溫過程是功熱的轉變過程。

五、能量守恒定律

各種不同形式的能量可以互相轉化，能量在轉化過程中既不能消失，也不能創生，只能從一種形式轉變為另一種形式，或從一個物體轉移到另一個物體。這就是能量守恒定律。

在力學中討論過的機械能守恒定律，是能量守恒定律在機械運動范圍內的特例。

【例】質量為0.05kg的子彈以300m／s的水平速度射入放置在桌面上的靜止木塊，并以200m／s的速度射出，木塊的質量為5kg。若損失的機械能全部轉變為內能，內能增加多少?

【答案】系統內能增加了1248J

【解析】子彈擊穿木塊的過程是非彈性碰撞，動量守恒。設子彈的質量為m，木塊質量為m＇,子彈擊入木塊前速度為v₀，出木塊時的速度為v，木塊運動的速度為v＇。根據動量守恒有

Mv₀＝mv+m＇ｖ＇

由此得

代入題給數據得

碰撞過程中系統機械能的損失為

按題意，這些能量全部轉變為內能，因此系統內能增加了1248J。