分子運(yùn)動(dòng)論 熱和功 知識要點(diǎn)：一、分子動(dòng)理論的基本內(nèi)容：分子理論是認(rèn)識微觀世界的基本理論，主要內(nèi)容有三點(diǎn)。1、物質(zhì)是由大量分子組成的。我們說物質(zhì)是由大量分子組成的，原因是分子太小了。一般把分子看成球形，分子直徑的數(shù)量級是米。1摩爾的任何物質(zhì)含有的微粒數(shù)都是6.02×1023個(gè)，這個(gè)常數(shù)叫做阿伏加德羅常數(shù)。記作：阿伏加德羅常數(shù)是連接宏觀世界和微觀世界的橋梁。已知宏觀的摩爾質(zhì)量M和摩爾體積V，通過常數(shù)N可以算出每個(gè)分子的質(zhì)量和體積。每個(gè)分子的質(zhì)量每個(gè)分子的體積根據(jù)上述內(nèi)容我們不難理解一般物體中的分子數(shù)目都是大得驚人的，由此可知物質(zhì)是由大量分子組成的。2、分子永不停息地做無規(guī)則運(yùn)動(dòng)。布朗運(yùn)動(dòng)間接地說明了分子永不停息地做無規(guī)則運(yùn)動(dòng)。布朗運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)生原因：被液體分子或氣體分子包圍著的懸浮微粒（直徑約為mm，稱為“布朗微?！保?，任何時(shí)刻受到來自各個(gè)方向的液體或氣體分子的撞擊作用不平衡，顆粒朝向撞擊作用較強(qiáng)的方向運(yùn)動(dòng)，使微粒發(fā)生了無規(guī)則運(yùn)動(dòng)。應(yīng)注意布朗運(yùn)動(dòng)并不是分子的運(yùn)動(dòng)，而是分子運(yùn)動(dòng)的一種表現(xiàn)。影響布朗運(yùn)動(dòng)明顯程度的因素：固體顆粒越小，撞擊它的液體分子數(shù)越少，這種不平衡越明顯；固體顆粒越小，質(zhì)量也小，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)易于改變，因此固體顆粒越小，布朗運(yùn)動(dòng)越顯著。液體溫度越高，布朗運(yùn)動(dòng)越激烈。熱運(yùn)動(dòng)：分子的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)與溫度有關(guān)，因此分子的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)又叫做熱運(yùn)動(dòng)。3、分子間存在著相互作用的引力和斥力。分子間同時(shí)存在著引力和斥力，實(shí)際表現(xiàn)出來的分子力是分子引力和斥力的合力。分子間相互作用的引力和斥力的大小都跟分子間的距離有關(guān)。當(dāng)分子間的距離m時(shí)，分子間的引力和斥力相等，分子間不顯示作用力；當(dāng)分子間距離從增大時(shí)，分子間的引力和斥力都減小，但斥力小得快，分子間作用力表現(xiàn)為引力；當(dāng)分子間距離從減小時(shí)，斥力、引力都增在大，但斥力增大得快，分子間作用力表現(xiàn)為斥力。分子力相互作用的距離很短，一般說來，當(dāng)分子間距離超過它們直徑10倍以上，即m時(shí)，分子力已非常微弱，通常認(rèn)為這時(shí)分子間已無相互作用。二、內(nèi)能：1、 分子的動(dòng)能：由于組成任何物體的分子都是在不停地做無規(guī)則運(yùn)動(dòng)，因此，構(gòu)成物體的每一個(gè)分子在任何時(shí)刻都具有動(dòng)能。由于分子熱運(yùn)動(dòng)的無規(guī)則性及分子間的頻繁碰撞，任何一個(gè)分子的動(dòng)能都是不斷變化的。即使一個(gè)物體在穩(wěn)定的狀態(tài)下，構(gòu)成物體的每個(gè)分子動(dòng)能的大小也是不相等的。組成物體所有分子動(dòng)能的平均值，叫做分子熱運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能。平均動(dòng)能的大小決定了物體所處的狀態(tài)，分子平均動(dòng)能大小的宏觀標(biāo)志是物體的溫度。物體的溫度越高，分子平均動(dòng)能越大；反之，物體的溫度越低，分子平均動(dòng)能越小。分子無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能叫做分子的動(dòng)能。一切分子都具有動(dòng)能。溫度是物體分子平均動(dòng)能的標(biāo)志。做無規(guī)則運(yùn)動(dòng)的每個(gè)分子都具有動(dòng)能。但由于分子運(yùn)動(dòng)的無規(guī)則性，每個(gè)分子的動(dòng)能都不相同，討論每個(gè)分子的動(dòng)能是無意義的。在研究熱運(yùn)動(dòng)中，有意義的是討論所有分子動(dòng)能的平均值，即分子的平均動(dòng)能。理論和實(shí)踐均已證明，溫度和分子的平均動(dòng)能有確定的函數(shù)關(guān)系，因此溫度是物體分子平均動(dòng)能的標(biāo)志。2、 分子的勢能：由于分子間存在著相互作用力，且分子間又有間隙，分子間的距離可變，這跟物體與地球間的關(guān)系相當(dāng)。物體與地球間存在著相互作用力重力，物體與地球間有間隙高度，且距離可變。地球上的重物有勢能由相互作用的物體間相對位置決定的能，那么，分子間也存在著分子勢能由分子間相對位置決定的勢能叫分子勢能。因?yàn)榉肿娱g的相互作用力比較復(fù)雜既存在相互作用的引力又有相互作用的斥力，所以分子勢能的規(guī)律也是復(fù)雜的。當(dāng)分子間的距離為r0（=10-10m）時(shí)，分子處于平衡態(tài)勢能最低。因?yàn)榉肿娱g的距離r大于r0時(shí)分子間的合作用表現(xiàn)為引力，分子間的距離r小于r0時(shí)分子間的合作用表現(xiàn)為斥力，所以，當(dāng)分子間距離r大于r0時(shí)，分子間距離越大分子勢能越大，當(dāng)分子間距離r小于r0時(shí)，分子間距離越小分子勢能越大。綜上所述，分子勢能的大小與分子間的距離是密切相關(guān)的。宏觀上看物體分子勢能的變化可由物體的體積及物體所處的態(tài)（固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)）決定。分子間存在著由相對位置決定的勢能叫分子勢能。分子間勢能與分子間的距離的關(guān)系可用右圖來表示。當(dāng)分子間的距離大到10時(shí)，分子間的作用力可認(rèn)為零，定義比位置勢能為零。分子間距離從10逐漸小，引力做正功，分子勢能減小，到時(shí)，分子間勢能減小到最小。當(dāng)分子間距離從繼續(xù)減小時(shí)，斥力做負(fù)功，即要克服斥力做功，分子間勢能增加。分子勢能與體積有關(guān)。3、 物體的內(nèi)能：定義：構(gòu)成物體所有分子動(dòng)能與勢能的總和，叫物體的內(nèi)能。顯然，物體內(nèi)能的多少與各分子動(dòng)能的大小有關(guān)，與分子的勢能大小有關(guān)，與分子的總量有關(guān)。宏觀上看，物體內(nèi)能的多少由物體的溫度、物體的體積（及所處的態(tài)）和物體所包含的分子數(shù)決定，即由三個(gè)參量決定。比較兩個(gè)物體所含內(nèi)能多少時(shí)，目前我們只能討論相同物質(zhì)構(gòu)成的物體。在比較相同物質(zhì)構(gòu)成的物體內(nèi)能時(shí)，一定要抓住兩者三個(gè)參量中的相同因素。如：1kg的15的水與1kg的25的水相比，因?yàn)榉肿訑?shù)相同，分子勢能相同，前者分子平均動(dòng)能小，所以后者的內(nèi)能多。1kg的15的水與2kg的15的水相比，因?yàn)榉肿觿菽芟嗤?分子的平均動(dòng)相同，而后者所含分子數(shù)多，所以后者的內(nèi)能多。1kg的0的冰與1kg的0的水相比，因?yàn)榉肿訑?shù)相同，分子的平均動(dòng)相同，前者分子勢能比后者小，所以后者的內(nèi)能多。以上比較中它們只有一個(gè)參量不同，若有兩個(gè)或兩個(gè)以上參量不同時(shí)，問題就要復(fù)雜的多了。如：1kg的15的水與2kg的25的水相比，因?yàn)?，兩者分子勢能相同，而分子的平均?dòng)能和分子數(shù)后者都大于前者，后者所含的內(nèi)能多是可以確定的。1kg的0的冰與2kg的0的水相比，因?yàn)?，兩者分子?dòng)能相同，而分子的勢能和分子數(shù)后者都大于前者，后者所含的內(nèi)能多也是可以確定的。1kg的0的冰與1kg的25的水相比，因?yàn)?，兩者分子?shù)相同，而分子的平均動(dòng)能和分子勢能后者都大于前者，所以，后者所含的內(nèi)能多也是位移確定的。當(dāng)然，若1kg的0的冰與2kg的25的水相比，因?yàn)?，物體所含的分子數(shù)、分子的平均動(dòng)能和分子勢能后者都大于前者，也是好比較的。但是，在三個(gè)參量中有兩個(gè)相對的不同，在我們不具有定量計(jì)算公式的情況下，則不好比較。如：2kg的0的冰與1kg的15的水相比，因?yàn)?，前者分子勢能和分子的平均?dòng)能都小于后者，而分子數(shù)后者卻大于前者，具體兩者的內(nèi)能哪個(gè)偏大則無法確定。幾個(gè)需要說明的問題：分子勢能的大小跟其它勢能一樣也是相對的。若選分子間的距離無限大時(shí)分子勢能為零，那么，分子間的距離為r0時(shí)，分子勢能不但最小且是負(fù)的最大值。物體分子動(dòng)能、分子勢能的大小與物體運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能和物體重力勢能的大小無關(guān)。這兩者一個(gè)是微觀的能量一個(gè)是宏觀的能量，自身并沒有必然的聯(lián)系。你把一塊冰舉得再高，且讓它具有較大的速度，它的機(jī)械能可能很大，但它的內(nèi)能并沒有變。物體的內(nèi)能發(fā)生變化時(shí)，可能僅是物體分子動(dòng)能發(fā)生變化，也可能僅是物體分子勢能發(fā)生變化，當(dāng)然可能是分子的動(dòng)能和勢能都發(fā)生了變化。三、熱和功：通過做功可以改變物體的內(nèi)能。大家知道摩擦生熱的道理，我們把兩塊冰放在一起互相摩擦對冰做功，過一會(huì)冰可以變成水，使原來兩塊冰的內(nèi)能（分子勢能）增加；給自行車的車胎充氣時(shí)，人通過氣筒壓縮氣體對氣體做功，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)氣體的溫度升高（使氣筒變熱），使原來的空氣內(nèi)能（主要是分子的動(dòng)能）增加。我們也可以舉出一些例子說明通過做功不但使物體分子的動(dòng)能增加還會(huì)使物體分子勢能增加?？傊?，外界對物體做功可以使物體的內(nèi)能增加。四沖程內(nèi)燃機(jī)工作時(shí)，“做功沖程”是高溫、高壓氣體膨脹推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)對外做功，其特點(diǎn)是氣體溫度降低（氣體分子平均動(dòng)能減少），氣體內(nèi)能減少。你知道電冰箱能夠制冷的基本原理是什么嗎？先通過壓縮機(jī)把致冷劑壓縮，在讓被壓縮的致冷劑在冰箱內(nèi)的蒸發(fā)器中迅速蒸發(fā)膨脹對外做功，對外做功的同時(shí)致冷劑溫度迅速下降。這兩個(gè)例子說明，物體對外做功（或稱外界對物體做負(fù)功）時(shí)，物體的內(nèi)能會(huì)減少。綜上所述，通過做功的方式可以改變物體的內(nèi)能。要能理解好這個(gè)結(jié)論，同學(xué)們還要多思考，多注意周圍所見的能證明這個(gè)結(jié)論的實(shí)例。熱傳遞可以改變物體的內(nèi)能。用燒熱了的電烙鐵與焊錫接觸，過一段時(shí)間焊錫就會(huì)熔化。像這樣把存在溫差的兩個(gè)物體放在一起，溫度較高的物體過一段時(shí)間溫度會(huì)下降，而溫度較低的物體過一段時(shí)間溫度會(huì)升高。說明在這個(gè)過程中溫度較高的物體把一部分內(nèi)能傳遞給溫度較低的物體（有時(shí)把這個(gè)過程敘述為溫度較高的物體把一部分熱量傳遞給溫度較低的物體），結(jié)果使兩個(gè)物體的溫差逐漸減小。這個(gè)吸熱和放熱的過程叫做熱傳遞，能發(fā)生熱傳遞的條件是兩個(gè)物體必須存在溫差。一個(gè)物體吸熱內(nèi)能增加；放熱內(nèi)能減小。關(guān)于物體內(nèi)能的變化。應(yīng)該指出的是，做功和熱傳遞的本質(zhì)是完全不同的。大家知道“功是能量轉(zhuǎn)換多少的量度?！蹦敲?，通過做功改變物體內(nèi)能時(shí)，一定存在著內(nèi)能與其它形式能之間的轉(zhuǎn)化；熱傳遞是內(nèi)能在物體間轉(zhuǎn)移，能量的形式并沒有發(fā)生改變。由上述分析可知：改變物體內(nèi)能有兩種方式，即做功和熱傳遞。做功和熱傳遞在改變物體內(nèi)能的問題上是完全等效的，并不能由物體內(nèi)能變化的情況來判定是做功的結(jié)果還是熱傳遞的表現(xiàn)。物體內(nèi)能發(fā)生變化也可能是既有做功又有熱傳遞，從能的轉(zhuǎn)化和守恒定律來分析自然可以得到這樣的結(jié)論：外界對物體所做的功（W）與物體從外界吸收的熱量（Q）之和等于物體內(nèi)能的增量（E）這就是熱力學(xué)第一定律。熱力學(xué)第一定律的表達(dá)式為：E=W+Q1、改變內(nèi)能的兩種方式：做功和熱傳遞都可以改變物體的內(nèi)能。2、做功和熱傳遞的本質(zhì)區(qū)別：做功和熱傳遞在改變物體內(nèi)能上是等效的。但二者本質(zhì)上有差別。做功是把其他形式的能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。而熱傳遞是把內(nèi)能從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體上。3、功、熱量、內(nèi)能改變量的關(guān)系熱力學(xué)第一定律。內(nèi)容：在系統(tǒng)狀態(tài)變化過程中，它的內(nèi)能的改變量等于這個(gè)過程中所做功和所傳遞熱量的總和。實(shí)質(zhì)：是能量轉(zhuǎn)化和守恒定律在熱學(xué)中的體現(xiàn)。表達(dá)式：為了區(qū)別不同情況，對、W、Q做如下符號規(guī)定：> 0表示內(nèi)能增加< 0表示內(nèi)能減少Q(mào) > 0表示系統(tǒng)吸熱Q < 0 表示系統(tǒng)放熱W > 0表示外界對系統(tǒng)做功W < 0表示系統(tǒng)對外界做功四、能的轉(zhuǎn)化和守恒定律：1、物質(zhì)有許多不同的運(yùn)動(dòng)形式，每一種運(yùn)動(dòng)形式都有一種對應(yīng)的能。2、各種形式的能都可以互相轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化過程中遵守能的轉(zhuǎn)化和守恒定律。3、能的轉(zhuǎn)化和守恒定律：能量既不能憑空產(chǎn)生，也不會(huì)憑空消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為別的形式，或者從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到別的物體。五、應(yīng)注意的問題：1、溫度與熱量：溫度：溫度是表示物體冷熱程度的物理量。從分子動(dòng)理論觀點(diǎn)看，溫度是物體分子平均動(dòng)能的標(biāo)志。溫度是大量分子熱運(yùn)動(dòng)的集體表現(xiàn)，含有統(tǒng)計(jì)意義，對個(gè)別分子來說，溫度是沒有意義的。溫度高低標(biāo)志著物體內(nèi)部的分子熱運(yùn)動(dòng)的劇烈程度。溫度的變化反映了分子平均動(dòng)能的變化。熱量：熱量是熱傳遞過程中內(nèi)能的改變量。離開過程（物體升溫降溫過程，狀態(tài)變化過程，燃燒過程等。）講熱量，是沒有意義的。溫度和熱量：溫度和熱量兩個(gè)完全不同的物理量。它們只是通過熱傳遞過程建立聯(lián)系。2、內(nèi)能與機(jī)械能：內(nèi)能：物體內(nèi)所有分子所具有的動(dòng)能和勢能的總和叫做物體的內(nèi)能。分子的動(dòng)能跟溫度有關(guān)，分子的勢能跟分子間的距離有關(guān)，所以物體的內(nèi)能跟溫度、體積有關(guān)。內(nèi)能還跟物體內(nèi)所含分子的數(shù)目有關(guān)。內(nèi)能與機(jī)械能：內(nèi)能與機(jī)械能是截然不同的。內(nèi)能是由大量分子的熱運(yùn)動(dòng)和分子間相對位置所決定的能量。機(jī)械能是物體作機(jī)械運(yùn)動(dòng)和物體形變所決定的能量。機(jī)械能可以等于零，而內(nèi)能永遠(yuǎn)不會(huì)等于零。