高二物理選修3-3物態(tài)變化中的能量交換

1、高二物理選修3-3物態(tài)變化中的能量交換【知識要點】1. 熔化熱：（1）物質(zhì)從固態(tài)變成液態(tài)的過程（即熔化）要吸收熱量，而從液態(tài)變成固態(tài)的過程（即凝固）要釋放熱量。晶體物質(zhì)吸收熱量而熔解，但其溫度不變，直至全部晶體都變成液體時為止。晶體熔解時對應(yīng)的溫度，稱為熔點。（2）某種晶體熔化過程中所需的能量與其質(zhì)量之比，稱作這種晶體的熔化熱。一定質(zhì)量的晶體，熔化時吸收的熱量與凝固時放出的熱量相等。如果用入表示某晶體的熔化熱，m表示物質(zhì)的質(zhì)量，Q表示熔化時所需要吸收的熱量，則Q=入皿熔化熱入的單位是J/kg。2.汽化熱：（1）物質(zhì)從液態(tài)變成氣態(tài)的過程（即汽化）要吸收熱量，而從氣態(tài)變成液態(tài)的過程（即液化）要釋放

2、熱量。（2）單位質(zhì)量的某種物質(zhì)在溫度保持不變的情況下，由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)時所吸收的熱量，也等于同種物質(zhì)的單位質(zhì)量在相同條件下由氣態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)所釋放的熱量。不同的液體汽化熱不同。同種液體在不同的溫度時其汽化熱亦不同。當(dāng)溫度升高時其汽化熱減小。這是由于溫度升高，液態(tài)與氣態(tài)間的差別逐漸減少的緣故。例如，1摩爾的水，在50C汽化，汽化熱為42780J,而在100C汽化，汽化熱為40680J。在國際單位制中，汽化熱的單位是J/kg。【典型例題】例1.晶體在熔化過程中所吸收的熱量，將主要用于（）A. 增加分子的動能B. 增加分子的勢能C. 既增加分子的動能，也增加分子的勢能D. 既不增加分子的動能，也不增加

3、分子的勢能例2.某人在做測定水的汽化熱實驗時，得到的數(shù)據(jù)如下：銅制量熱器小筒的質(zhì)量M1=200g,通入水蒸氣前筒內(nèi)水的質(zhì)量M2=350g，溫度t1=14C；通入t2=100C的水蒸氣后水的溫度為一，一2t3=36C，水的質(zhì)量變?yōu)镸3=364g,他測得的水的汽化熱L是多少？銅的比熱C銅=3.910J例3.將100C的水蒸氣、50C的水和一20C的冰按質(zhì)量比1：2：10的比例混合，求混合后的最終溫度s=2100J/（kgC）,c水=4200J/（kgC）,L=2.26X106j/kg,Jl=3.36X105J/kg）。例4.要使子彈射進(jìn)墻壁中后，恰好完全被熔化，子彈射在墻壁上時的速度應(yīng)多大？（子彈

4、的熔點為327C，比熱為125J/（kgC），熔解熱為2.5X104j/kg，設(shè)子彈射擊時的溫度為50C,子彈損失的動能全部轉(zhuǎn)化為熱能，并其中的80%被子彈所吸收）【當(dāng)堂反饋】1.晶體熔解過程中，溫度和熱量變化的情況是（）A. 不吸收熱量，溫度保持不變B.吸收熱量，溫度保持不變C.吸收熱量用來增加晶體的內(nèi)能D.溫度不變內(nèi)能也不變2. 在大氣壓為1.013105Pa的條件下，要使m=2.0kg、t=50C的水全部變成水蒸氣，至少需要多少熱量？（水的汽化熱取L=2.4X106J/Kg）3. 暖氣片里（汽暖），每小時有m=20kg、t=100C的水蒸氣液化成水，并且水的溫度降低到t2=80C，求暖氣

5、片每小時供給房間的熱量？（水的汽化熱取L=2.4M06J/Kg）4. 如果已知銅制量熱器小筒的質(zhì)量是150克，里面裝著100克16C的水，放入9克0C的冰，冰完全熔化后水的溫度是9C,利用這些數(shù)據(jù)求冰的熔化熱是多少？（銅的比熱C銅=3.9X102J/（Kg.K）作業(yè)本：1. 質(zhì)量相同，溫度都是0OC的水和冰的內(nèi)能相比較正確的是（）A. 水的內(nèi)能多，因為水凝結(jié)成冰時要放出熱量，內(nèi)能減少B. 冰的內(nèi)能多，因為冰的密度比水的小，水凝結(jié)成冰時，體積是增大的，分子的勢能是增大的C. 它們的內(nèi)能是相等的，因為它們的溫度相等D. 無法比較，因為它們的體積不一樣2. 溫度都是0OC水和冰混合時，以下說法正確的

6、是（）A.冰將熔化成水B.水將凝固成冰C. 如果水比冰多的話，冰熔化；如果冰比水多的話，水結(jié)冰D. 都不變，冰水共存3. 下列說法不正確的是（）A. 不同晶體的熔化熱不同B. 一定質(zhì)量的晶體，熔化時吸收的熱量與凝固時放出的熱量相等C. 不同非晶體的熔化熱不相同D. 汽化熱與溫度、壓強(qiáng)都有關(guān)。4.在一個大氣壓下，1克100C的水吸收2.26X103J熱量變?yōu)?克100C的水蒸氣。在這個過程中，以下四個關(guān)系式正確的是（）3A.2.26X10J=汽的內(nèi)能+水的內(nèi)能3B. 2.26X10J=汽的內(nèi)能一水的內(nèi)能C. 2.26X103J=汽的內(nèi)能+水的內(nèi)能+水變成汽體積膨脹對外界做的功D.2.26X103

7、J=汽的內(nèi)能一水的內(nèi)能+水變成汽體積膨脹對外界做的功5. 晶體熔解過程中，溫度和熱量變化的情況是（）A.不吸收熱量，溫度保持不變B.吸收熱量，溫度保持不變C.吸收熱量用來增加晶體的內(nèi)能D.溫度不變內(nèi)能也不變6.銅制量熱器小筒的質(zhì)量是m1=160克，裝入m2=200克t=20C的水，向水里放進(jìn)m3=30克t2=0C的冰，冰完全熔化后水的溫度是多少攝氏度？（銅的比熱C銅=3.9M02J/（Kg.K）,冰的熔化熱取入=3.35X501/Kg）7.容器里裝有t1=0C的冰和水各m1=500克，向里面通入t2=100C的水蒸氣后，容器里的水升高到了t3=30C,假設(shè)容器吸收的熱量很少，可以忽略不計，并且

8、容器是絕熱的，計算一下通入的水蒸氣有多少？（水的汽化熱取L=2.4X106J/Kg，冰的熔化熱取入=3.35X51J0Kg）A=3.358.1kg、一20C的冰投進(jìn)2kg、25C的水中，達(dá)到熱平衡時溫度是多少（冰的熔解熱Xl/j/kg）?此時水和冰的質(zhì)量分別為多少？9.物質(zhì)從固態(tài)直接變?yōu)闅鈶B(tài)的過程叫做升華。從氣態(tài)直接轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程叫凝華。粒子直接由點陣結(jié)構(gòu)變?yōu)闅怏w分子，一方面要克服粒子間的作用力做功，強(qiáng)作功。使單位質(zhì)量的物質(zhì)升華時所吸收的熱力做功，同時還要克服外界壓強(qiáng)做功。升華時同時還要克服外界壓使單位質(zhì)量的物質(zhì)升華時所吸收的熱量稱為升華熱，它等于汽化熱與熔解熱之和，即山=LF*L汽已知冰、

9、水和水蒸氣在一密閉容器內(nèi)（容器內(nèi)沒有任何其他物質(zhì)），如能三態(tài)平衡共存，則1g處Q=0.255kJ。試估算系L升=2.83kj/g；水的系統(tǒng)的溫度和壓強(qiáng)必定分別是t=0.01c和P1=4.58mmHg?，F(xiàn)有冰、水和水蒸氣各于上述平衡狀態(tài)。若保持總體積不變而對此系統(tǒng)緩慢加熱，輸入的熱量統(tǒng)再達(dá)到平衡后，冰、水和水蒸氣的質(zhì)量。已知此條件下冰的升華熱汽化熱L汽=2.49kJ/g。10.兩個同樣的圓柱形絕熱量熱器，高度均為h=75cm。第一個量熱器1/3部分裝有冰，它是預(yù)先注入量熱器內(nèi)的水冷卻而形成的：第二個量熱器內(nèi)1/3部分是溫度t水=10C的水。將第二個量熱器內(nèi)的水倒入第一個量熱器內(nèi)時，結(jié)果它們占量熱

10、器的2/3。而當(dāng)?shù)谝粋€量熱器內(nèi)的溫度穩(wěn)定后，它們的高度增加了t=0.5cm。冰的密度P冰=Q9P水，冰的熔解熱A=340kJ/kg,冰的比熱c冰=2.1kJ/(kgK),水的比熱5=4.2kJ/(kgK)。求在第一個量熱器內(nèi)冰的初【典型例題】例1:Bo晶體在熔化過程中吸收的熱量全部用來破壞分子結(jié)構(gòu)，增加分子勢能；溫度不變，分子動能不變。例2:解析：加入的水蒸氣的質(zhì)量為M4=M3-M2=364-350=14g,水蒸氣液化為水又降溫后放出的熱量為Qi=M4L+M4c水(t2-t3)量熱器中的水和量熱器小筒升溫所吸收的熱量為Q2=M1C銅(t3-t1)+M2c水(t3-t1)根據(jù)能量守恒Qi=Q2即

11、M4L+M4c水(t2-t3)=M1C銅(t3-t1)+M2c水(t3-t)統(tǒng)一單位后，把數(shù)值代入上式，可得L=2.2X06焦/千克.因為在相同的熱學(xué)狀態(tài)下，汽化熱等于凝結(jié)熱，所以此時水的汽化熱為L=2.2X06焦/千克.例3:解析：最終溫度和最終的物態(tài)需通過計算判定。設(shè)水蒸氣、水、冰的質(zhì)量分別為m、2m、10m(kg)。水從50C升至100C吸收熱量Qi=2mc水At=4.2X105m(J)；僅需液化的蒸汽質(zhì)一Qi4.2105m重m=-s*八6=0.185m,即水烝氣和水混合后，取終為100C的水和汽的混合物，其中L2.2610氣和水的質(zhì)量比為0.815：2.185。將這100C的水、汽混合

12、物和冰混和，如果這些水、汽都變?yōu)?C的水，它能放出熱量Q2=0.815mx2.26x106+3mX4200x100J=3.1x106mJ。這些冰全部升溫到0C需要吸收的熱量Q3=10mX2.1X103x20J=4.2X105mJ,如果再全部熔解成0C的水，則還要吸收熱量Q4=2.26X107m焦。從以上計算得Q3VQ2VQ3+Q4。由此可確定最終溫度是0C。例4:解析：子彈熔解所需要能量由子彈的動能轉(zhuǎn)化而來。且£心Ek2=Q,Q80%=mct+m入，設(shè)子彈射擊時的速度為v,則Q80%=0.8(Ek1Ek2)=0.8X；mv2=0.4mv2也即0.4mv2=mAt+m入所以v382.8

13、m/s【當(dāng)堂反饋】1. BC2. 解析：已知水的比熱C=4.2X103J/(Kg.的，水蒸氣的溫td=100C,設(shè)至少需要熱量QQ=mC(t0-t)+mL=2X4.2X103x(100-50)+2X2.4X106=5.22X106J3. 角車析：已知水的比熱C=4.2X103J/(Kg.K),設(shè)暖氣片每小時供給房間的熱量為Q,水液化以及降溫所放出的能量即供給房間的熱量，所以：Q=mL+mC(t1-t2)=20X2.4X106+20X4.2X103x(100-80)=4.97X107J4. 解析：9克0C的冰熔化為0C的水，再升高到9C,總共吸收的熱量。吸=m冰入+m冰c水(9C0C)量熱器中的

14、水和量熱器小筒從16C降到9C放出的熱量Q放=m水c水(16C9C)+m筒c銅(16C9C)因為Q吸=Q放，所以m冰沛m冰c水(9C0°C)=(m水c水+m筒c銅)(16C一9C)統(tǒng)一單位后，把數(shù)值代入上式，可得入=3.3X51焦/千克作業(yè)本：1. A.因為質(zhì)量和溫度相同，所以冰和水的分子動能相同；但冰在融化成同溫度的水時，要吸收熱量增加分子勢能，所以水的內(nèi)能多。2. D.溫度是一樣的，所以冰和水之間沒有熱傳遞，冰不會吸收能量變成水，水也不會放出能量變成冰，所以將冰水共存。3. C4. D.水吸收熱量一部分增加為自身的內(nèi)能，一部分要克服水變成汽體積膨脹外界做的功。5. BC6. 解析

15、：設(shè)最后水的溫度為t,水的比熱C=4.2X03J/(Kg.K)由能量守恒可得：m3壯m3C(t-t2)=m2C(ti-t)+miC銅(ti-t)代入數(shù)據(jù)求解得：t=7.8C7. 解析：已知水的比熱C=4.2x103J/(Kg.K)，設(shè)通入的水蒸氣的質(zhì)量為m,由能量守恒得：mL+mC(t2-t3)=mi入+2mC(t3-ti)代入數(shù)據(jù)得：m=i09g8. 解析：冰投進(jìn)水中后，通過熱交換，水降溫，還可能凝固；冰升溫，還可能熔解。水溫從25C降至0C放出的熱量Q=mc(t一t2)=2iXi04j冰從一20C升溫至0C所需吸收的熱量Q，=m，c(t2t'i)=4.2Xi04j因Q>Q&#

16、39;，表明還有熱量可供0C的冰熔解。C-Q*2i乂04Y2i04設(shè)所能熔解的冰的質(zhì)重為m",貝Um"=5=0.5kg<ikgA3.35i0所以最終有水2.5kg、冰0.5kg;溫度為0C。9. 解析：L熔=L升L汽=0.34kJg。比較L熔與Q的大小關(guān)系，可判斷出冰不能全部熔化，物態(tài)變化過程中始終是三態(tài)共存且接近平衡，所以系統(tǒng)的溫度和壓強(qiáng)均不變。估算在題給,_Mp-廣汽一溫度和壓強(qiáng)條件下水蒸氣的密度RT,M是水蒸氣的摩爾質(zhì)量，代入數(shù)據(jù)，得P汽=5W/kg/m3。同樣條件下水的密度P水=ix：i03kg/m3,P冰=0.9勺0而血3。水的三個狀態(tài)在質(zhì)量相同條件下，水蒸氣的體積遠(yuǎn)大于水和冰的體積之和。又已知冰熔化成水時體積變化不大。在總體積不變的條件下，完全可以認(rèn)為這系統(tǒng)的物態(tài)變化中水蒸氣的體積不變，也就是系統(tǒng)再次平衡時水蒸氣的質(zhì)量是ig。這樣，系統(tǒng)的物態(tài)變化幾乎完全是冰熔化為水的過程。設(shè)再次平衡后冰、水、水蒸氣的質(zhì)量分別是x、v、z,則有z=igx+y=2gQ=(i-x)L熔將Q、L熔數(shù)值代入得x=0.25g,y=i.75g。10. 解析：如果建立熱平衡后，量熱器內(nèi)物體的高度增加了，這意味著有部分水結(jié)冰了(結(jié)冰時水的體積增大)，然后可以確信，并不是所有的水都結(jié)冰了，否則它的體積就要增大到P水/電=1.1