高考物理熱學(xué)計(jì)算方法

　　高考物理的熱血部分內(nèi)容常常讓學(xué)生們覺(jué)得頭疼，因?yàn)檫@是最復(fù)雜的題目之一，該怎么應(yīng)對(duì)呢?小編整理了物理學(xué)習(xí)相關(guān)內(nèi)容，希望能幫助到您。

　　高中常用物理公式之熱學(xué)

　　?？嫉?個(gè)熱學(xué)知識(shí)點(diǎn)

　　一、分子運(yùn)動(dòng)論

　　1.物質(zhì)是由大量分子組成的

　　2.分子永不停息地做無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)

　　(1)分子永不停息做無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)事實(shí)：擴(kuò)散現(xiàn)象和布郎運(yùn)動(dòng)。

　　(2)布朗運(yùn)動(dòng)

　　布朗運(yùn)動(dòng)是懸浮在液體(或氣體)中的固體微粒的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)。布朗運(yùn)動(dòng)不是分子本身的運(yùn)動(dòng)，但它間接地反映了液體(氣體)分子的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)。

　　(3)實(shí)驗(yàn)中畫(huà)出的布朗運(yùn)動(dòng)路線的折線，不是微粒運(yùn)動(dòng)的真實(shí)軌跡。

　　因?yàn)閳D中的每一段折線，是每隔30s時(shí)間觀察到的微粒位置的連線，就是在這短短的30s內(nèi)，小顆粒的運(yùn)動(dòng)也是極不規(guī)則的。

　　(4)布朗運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的原因

　　大量液體分子(或氣體)永不停息地做無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)時(shí)，對(duì)懸浮在其中的微粒撞擊作用的不平衡性是產(chǎn)生布朗運(yùn)動(dòng)的原因。簡(jiǎn)言之：液體(或氣體)分子永不停息的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)是產(chǎn)生布朗運(yùn)動(dòng)的原因。

　　(5)影響布朗運(yùn)動(dòng)激烈程度的因素

　　固體微粒越小，溫度越高，固體微粒周?chē)囊后w分子運(yùn)動(dòng)越不規(guī)則，對(duì)微粒碰撞的不平衡性越強(qiáng)，布朗運(yùn)動(dòng)越激烈。

　　(6)能在液體(或氣體)中做布朗運(yùn)動(dòng)的微粒都是很小的，一般數(shù)量級(jí)在10-6m，這種微粒肉眼是看不到的，必須借助于顯微鏡。

　　3.分子間存在著相互作用力

　　(1)分子間的引力和斥力同時(shí)存在，實(shí)際表現(xiàn)出來(lái)的分子力是分子引力和斥力的合力。

　　分子間的引力和斥力只與分子間距離(相對(duì)位置)有關(guān)，與分子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無(wú)關(guān)。

　　(2)分子間的引力和斥力都隨分子間的距離r的增大而減小，隨分子間的距離r的減小而增大，但斥力的變化比引力的變化快。

　　(3)分子力F和距離r的關(guān)系如下圖

　　4.物體的內(nèi)能

　　(1)做熱運(yùn)動(dòng)的分子具有的動(dòng)能叫分子動(dòng)能。溫度是物體分子熱運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能的標(biāo)志。

　　(2)由分子間相對(duì)位置決定的勢(shì)能叫分子勢(shì)能。分子力做正功時(shí)分子勢(shì)能減小;分子力作負(fù)功時(shí)分子勢(shì)能增大。當(dāng)r=r0即分子處于平衡位置時(shí)分子勢(shì)能最小。不論r從r0增大還是減小，分子勢(shì)能都將增大。如果以分子間距離為無(wú)窮遠(yuǎn)時(shí)分子勢(shì)能為零，則分子勢(shì)能隨分子間距離而變的圖象如上圖。

　　(3)物體中所有分子做熱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能和分子勢(shì)能的總和叫做物體的內(nèi)能。物體的內(nèi)能跟物體的溫度和體積及物質(zhì)的量都有關(guān)系，定質(zhì)量的理想氣體的內(nèi)能只跟溫度有關(guān)。

　　(4)內(nèi)能與機(jī)械能：運(yùn)動(dòng)形式不同，內(nèi)能對(duì)應(yīng)分子的熱運(yùn)動(dòng)，機(jī)械能對(duì)于物體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。物體的內(nèi)能和機(jī)械能在一定條件下可以相互轉(zhuǎn)化。

　　二、固體

　　1.晶體和非晶體

　　(1)在外形上，晶體具有確定的幾何形狀，而非晶體則沒(méi)有。

　　(2)在物理性質(zhì)上，晶體具有各向異性，而非晶體則是各向同性的。

　　(3)晶體具有確定的熔點(diǎn)，而非晶體沒(méi)有確定的熔點(diǎn)。

　　(4)晶體和非晶體并不是絕對(duì)的，它們?cè)谝欢l件下可以相互轉(zhuǎn)化。例如把晶體硫加熱熔化(溫度不超過(guò)300℃)后再倒進(jìn)冷水中，會(huì)變成柔軟的非晶體硫，再過(guò)一段時(shí)間又會(huì)轉(zhuǎn)化為晶體硫。

　　2.多晶體和單晶體

　　單個(gè)的晶體顆粒是單晶體，由單晶體雜亂無(wú)章地組合在一起是多晶體。多晶體具有各向同性。

　　3.晶體的各向異性及其微觀解釋

　　在物理性質(zhì)上，晶體具有各向異性，而非晶體則是各向同性的。通常所說(shuō)的物理性質(zhì)包括彈性、硬度、導(dǎo)熱性能、導(dǎo)電性能、光的折射性能等。晶體的各向異性是指晶體在不同方向上物理性質(zhì)不同，也就是沿不同方向去測(cè)試晶體的物理性能時(shí)測(cè)量結(jié)果不同。需要注意的是，晶體具有各向異性，并不是說(shuō)每一種晶體都能在各物理性質(zhì)上都表現(xiàn)出各向異性。晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的有規(guī)則性，在不同方向上物質(zhì)微粒的排列情況不同導(dǎo)致晶體具有各向異性。

　　三、液體

　　1.液體的微觀結(jié)構(gòu)及物理特性

　　(1)從宏觀看

　　因?yàn)橐后w介于氣體和固體之間，所以液體既像固體具有一定的體積，不易壓縮，又像氣體沒(méi)有形狀，具有流動(dòng)性。

　　(2)從微觀看有如下特點(diǎn)

　?、僖后w分子密集在一起，具有體積不易壓縮;

　?、诜肿娱g距接近固體分子，相互作用力很大;

　　③液體分子在很小的區(qū)域內(nèi)有規(guī)則排列，此區(qū)域是暫時(shí)形成的，邊界和大小隨時(shí)改變，并且雜亂無(wú)章排列，因而液體表現(xiàn)出各向同性;

　?、芤后w分子的熱運(yùn)動(dòng)雖然與固體分子類(lèi)似，但無(wú)長(zhǎng)期固定的平衡位置，可在液體中移動(dòng)，因而顯示出流動(dòng)性，且擴(kuò)散比固體快。

　　2.液體的表面張力

　　如果在液體表面任意畫(huà)一條線，線兩側(cè)的液體之間的作用力是引力，它的作用是使液體面繃緊，所以叫液體的表面張力。

　　特別提醒：

　　(1)表面張力使液體自動(dòng)收縮，由于有表面張力的作用，液體表面有收縮到最小的趨勢(shì)，表面張力的方向跟液面相切。

　　(2)表面張力的形成原因是表面層(液體跟空氣接觸的一個(gè)薄層)中分子間距離大，分子間的相互作用表現(xiàn)為引力。

　　(3)表面張力的大小除了跟邊界線長(zhǎng)度有關(guān)外，還跟液體的種類(lèi)、溫度有關(guān)。

　　四、液晶

　　1.液晶的物理性質(zhì)

　　液晶具有液體的流動(dòng)性，又具有晶體的光學(xué)各向異性。

　　2.液晶分子的排列特點(diǎn)

　　液晶分子的位置無(wú)序使它像液體，但排列是有序使它像晶體。

　　3.液晶的光學(xué)性質(zhì)對(duì)外界條件的變化反應(yīng)敏捷

　　液晶分子的排列是不穩(wěn)定的，外界條件和微小變動(dòng)都會(huì)引起液晶分子排列的變化，因而改變液晶的某些性質(zhì)，例如溫度、壓力、摩擦、電磁作用、容器表面的差異等，都可以改變液晶的光學(xué)性質(zhì)。

　　如計(jì)算器的顯示屏，外加電壓液晶由透明狀態(tài)變?yōu)榛鞚釥顟B(tài)。

　　五、氣體

　　1.氣體的狀態(tài)參量

　　(1)溫度：溫度在宏觀上表示物體的冷熱程度;在微觀上是分子平均動(dòng)能的標(biāo)志。

　　熱力學(xué)溫度是國(guó)際單位制中的基本量之一，符號(hào)T，單位K(開(kāi)爾文);攝氏溫度是導(dǎo)出單位，符號(hào)t，單位℃(攝氏度)。關(guān)系是t=T-T0，其中T0=273.15K兩種溫度間的關(guān)系可以表示為：T = t+273.15K和ΔT =Δt，要注意兩種單位制下每一度的間隔是相同的。

　　0K是低溫的極限，它表示所有分子都停止了熱運(yùn)動(dòng)?？梢詿o(wú)限接近，但永遠(yuǎn)不能達(dá)到。

　　氣體分子速率分布曲線:

　　圖像表示：擁有不同速率的氣體分子在總分子數(shù)中所占的百分比。圖像下面積可表示為分子總數(shù)。

　　特點(diǎn)：同一溫度下，分子總呈“中間多兩頭少”的分布特點(diǎn)，即速率處中等的分子所占比例最大，速率特大特小的分子所占比例均比較小;溫度越高，速率大的分子增多;曲線極大值處所對(duì)應(yīng)的速率值向速率增大的方向移動(dòng)，曲線將拉寬，高度降低，變得平坦。

　　(2)體積:氣體總是充滿它所在的容器，所以氣體的體積總是等于盛裝氣體的容器的容積。

　　(3)壓強(qiáng):氣體的壓強(qiáng)是由于大量氣體分子頻繁碰撞器壁而產(chǎn)生的。

　　(4)氣體壓強(qiáng)的微觀意義：大量做無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)的氣體分子對(duì)器壁頻繁、持續(xù)地碰撞產(chǎn)生了氣體的壓強(qiáng)。單個(gè)分子碰撞器壁的沖力是短暫的，但是大量分子頻繁地碰撞器壁，就對(duì)器壁產(chǎn)生持續(xù)、均勻的壓力。所以從分子動(dòng)理論的觀點(diǎn)來(lái)看，氣體的壓強(qiáng)就是大量氣體分子作用在器壁單位面積上的平均作用力。

　　(5)決定氣體壓強(qiáng)大小的因素：

　?、傥⒂^因素：氣體壓強(qiáng)由氣體分子的密集程度和平均動(dòng)能決定：

　　A.氣體分子的密集程度(即單位體積內(nèi)氣體分子的數(shù)目)越大，在單位時(shí)間內(nèi)，與單位面積器壁碰撞的分子數(shù)就越多;

　　B.氣體的溫度升高，氣體分子的平均動(dòng)能變大，每個(gè)氣體分子與器壁的碰撞(可視為彈性碰撞)給器壁的沖力就大;從另一方面講，氣體分子的平均速率大，在單位時(shí)間里撞擊器壁的次數(shù)就多，累計(jì)沖力就大。

　?、诤暧^因素：氣體的體積增大，分子的密集程度變小。在此情況下，如溫度不變，氣體壓強(qiáng)減小;如溫度降低，氣體壓強(qiáng)進(jìn)一步減小;如溫度升高，則氣體壓強(qiáng)可能不變，可能變化，由氣體的體積變化和溫度變化兩個(gè)因素哪一個(gè)起主導(dǎo)地位來(lái)定。

　　2.氣體實(shí)驗(yàn)定律

　　3.對(duì)氣體實(shí)驗(yàn)定律的微觀解釋

　　(1)玻意耳定律的微觀解釋

　　一定質(zhì)量的理想氣體，分子的總數(shù)是一定的，在溫度保持不變時(shí)，分子的平均動(dòng)能保持不變，氣體的體積減小到原來(lái)的幾分之一，氣體的密集程度就增大到原來(lái)的幾倍，因此壓強(qiáng)就增大到原來(lái)的幾倍，反之亦然，所以氣體的壓強(qiáng)與體積成反比。

　　(2)查理定律的微觀解釋

　　一定質(zhì)量的理想氣體，說(shuō)明氣體總分子數(shù)N不變;氣體體積V不變，則單位體積內(nèi)的分子數(shù)不變;當(dāng)氣體溫度升高時(shí)，說(shuō)明分子的平均動(dòng)能增大，則單位時(shí)間內(nèi)跟器壁單位面積上碰撞的分子數(shù)增多，且每次碰撞器壁產(chǎn)生的平均沖力增大，因此氣體壓強(qiáng)p將增大。

　　(3)蓋·呂薩克定律的微觀解釋

　　一定質(zhì)量的理想氣體，當(dāng)溫度升高時(shí)，氣體分子的平均動(dòng)能增大;要保持壓強(qiáng)不變，必須減小單位體積內(nèi)的分子個(gè)數(shù)，即增大氣體的體積。

　　六、熱力學(xué)定律

　　1.熱力學(xué)第零定律(熱平衡定律)：如果兩個(gè)系統(tǒng)分別與第三個(gè)系統(tǒng)達(dá)到熱平衡，那么這兩個(gè)系統(tǒng)彼此之間也必定處于熱平衡。

　　(1)做功和熱傳遞都能改變物體的內(nèi)能。也就是說(shuō)，做功和熱傳遞對(duì)改變物體的內(nèi)能是等效的。但從能量轉(zhuǎn)化和守恒的觀點(diǎn)看又是有區(qū)別的：做功是其他能和內(nèi)能之間的轉(zhuǎn)化，功是內(nèi)能轉(zhuǎn)化的量度;而熱傳遞是內(nèi)能間的轉(zhuǎn)移，熱量是內(nèi)能轉(zhuǎn)移的量度。

　　(2)符號(hào)法則： 體積增大,氣體對(duì)外做功，W為“一”;體積減小，外界對(duì)氣體做功，W為“+”。氣體從外界吸熱,Q為“+”;氣體對(duì)外界放熱,Q為“一”。溫度升高，內(nèi)能增量DE是取“+”;溫度降低,內(nèi)能減少，DE取“一”。

　　(3)三種特殊情況：

　　l等溫變化DE=0，即 W+Q=0

　　l絕熱膨脹或壓縮：Q=0即 W=DE

　　l 等容變化：W=0 ，Q=DE

　　(4)由圖線討論理想氣體的功、熱量和內(nèi)能

　　3.熱學(xué)第二定律

　　(1)第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)不可能制成 (滿足能量守恒定律，但違反熱力學(xué)第二定律)

　　實(shí)質(zhì)：涉及熱現(xiàn)象(自然界中)的宏觀過(guò)程都具有方向性,是不可逆的

　　(2)熱傳遞方向表述(克勞修斯表述)：

　　不可能使熱量由低溫物體傳遞到高溫物體,而不引起其它變化。(熱傳導(dǎo)有方向性)

　　(3)機(jī)械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化表述(開(kāi)爾文表述)：

　　不可能從單一熱源吸收熱量并把它全部用來(lái)做功,而不引起其它變化。(機(jī)械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化具有方向性)。

　　4.熱力學(xué)第三定律：熱力學(xué)零度不可達(dá)到。

　　5.熵增加原理：在任何自然過(guò)程中，一個(gè)孤立系統(tǒng)的總熵是不會(huì)減少的。

　　——孤立系統(tǒng)熵增加過(guò)程是系統(tǒng)熱力學(xué)概率增大的過(guò)程(即無(wú)序度增大的過(guò)程)，是系統(tǒng)從非平衡態(tài)趨于平衡態(tài)的過(guò)程，是一個(gè)不可逆過(guò)程。熵的增加表示宇宙物質(zhì)的日益混亂和無(wú)序