第四章 物態(tài)變化

1、第四章物態(tài)變化4.1潛熱物質(zhì)有三態(tài)：固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)。在室溫下，石頭屬於固態(tài)，水屬於液態(tài)而氧屬於氣態(tài)。但如果將它們加熱或冷卻，它們的存在狀態(tài)就可能會改變。冷卻曲線圖4.1a所示的實(shí)驗(yàn)裝置是用來測量一種名為十八烷醇的物質(zhì)的凝固(從液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài))過程中的溫度改變。首先用熱水將它熔化，然後讓它在空氣冷卻。在冷卻的時(shí)候，每分鐘記錄一次溫度,得到一條溫度隨時(shí)間變化的泠卻曲線(圖4.1b)。圖4.1a十八烷醇的冷卻曲線圖4.1a研究十八烷醇的冷卻過程曲線分為三部分：l AB段描述液態(tài)十八烷醇的溫度下降情況。l BC段表明在十八烷醇凝固的過程中，溫度保持不變。l CD段描述固態(tài)十八烷醇的溫度下降情況。由曲線

2、的BC段水平走向，可讀出十八烷醇的熔點(diǎn)。潛熱上述的實(shí)驗(yàn)表明，儘管十八烷醇在凝固的過程中不斷向周圍散發(fā)能量，但其溫度保持不變。當(dāng)物質(zhì)從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)時(shí)會釋放能量、同時(shí)保持溫度不變。由於所釋放的能量並沒有引起溫度的變化，將其稱為潛熱。充分?jǐn)嚢璧谋旌衔锏臏囟缺３?oC，直至所有的冰都熔為水(圖4.1c)。冰從空氣中吸收能量而熔化，但溫度仍保持不變。這一能量稱為水的熔解潛熱。當(dāng)水沸騰時(shí)(圖4.1d)，外界提供的能量使水不斷變?yōu)檎羝?，但水的溫度仍保?00 oC。水吸收能量變?yōu)檎羝鴽]有改變溫度，這種能量稱為水的汽化潛熱。圖4.1c冰水的溫度保持在 0 oC圖4.1d沸騰的水的溫度保持在 100 o

3、C比潛熱比潛熱是1 kg物質(zhì)發(fā)生物態(tài)變化時(shí)所需的潛熱。對質(zhì)量為1 kg的某種物質(zhì)加熱使其發(fā)生物態(tài)變化而溫度仍保持不變，在這一過程中所轉(zhuǎn)移的能量稱為比潛熱。比潛熱的符號為 l，單位為J kg-1。 或 水的熔解比潛熱在保持溫度不變的情況下將1 kg的冰熔解為水所需要的能量lf，稱為水的熔解比潛熱。圖4.1e所示為測量水的熔解比潛熱的實(shí)驗(yàn)裝置。用浸沒式電熱器使漏斗中的冰片熔解，由於室溫也能使冰熔解，需要對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對比。在接通電熱器之前，對兩個(gè)漏斗進(jìn)行調(diào)整使其滴水速率相同。接通電熱器加熱一段時(shí)間，兩個(gè)杯中的水的質(zhì)量差就等於電熱器所熔化的水。熔解冰所需要的能量可用焦耳計(jì)測量。圖4.1e測量冰的熔解比潛

4、熱實(shí)驗(yàn)結(jié)果示例：實(shí)驗(yàn)杯中水的質(zhì)量150 kg對比杯中水的質(zhì)量214 kg電熱器所熔解的冰的質(zhì)量的 = 12 = kg焦耳計(jì)的起點(diǎn)讀數(shù)j1=15 000 J焦耳計(jì)的終點(diǎn)讀數(shù)j2=29 200 J所提供的能量= j2- j1 = 14 200J 水的熔解比潛熱 lf =與標(biāo)準(zhǔn)值 105 J kg-1比較，有18%的誤差。造成誤差的主要原因在於很難保持兩個(gè)漏斗的滴水速率完全一致。例1將0.5 kg 0oC的冰熔解為水並使其溫度升高到80 oC，需要多少能量？所需要的總能量= 0 oC的冰熔解成0 oC的水所需的比潛熱將水從0 oC加熱至80 oC所需熱= m lf + m c T= 0.5 kg 3

5、.34 105 J kg-1 + 0.5 kg 4200 J kg-1 80 oC = 3.35 105 J將冰熔解為水所需的能量與將水從0 oC加熱至80 oC所需的能量大致相等。水的汽化比潛熱在保持溫度不變的情況下將1 kg的水變成蒸汽所需的能量 lv，稱水的汽化比潛熱。圖 4.1f 所示為測量水的汽化比潛熱的實(shí)驗(yàn)裝置。所用的浸沒式電熱器與市電連接，用千瓦時(shí)計(jì)測量所提供的能量(圖4.1g)。千瓦時(shí)計(jì)(俗稱電錶)也是日常測量家庭用電量的儀表。它用千瓦小時(shí)作為標(biāo)度。1千瓦小時(shí)(kW h)等於功率為1千瓦的電器使用1小時(shí)所消耗的能量。圖4.1f測量水的汽化比潛熱的實(shí)驗(yàn)裝置圖4.1g千瓦時(shí)計(jì)(a)

6、 將電熱器接通，一段時(shí)間後水開始沸騰(b) 當(dāng)一部分水變成蒸汽後，天秤回復(fù)平衡(c) 在水杯旁加一0.10 kg的標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量，開始計(jì)算千瓦時(shí)計(jì)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)(d) 當(dāng)天秤再度平衡時(shí)，汽化的水就為0.10 kg圖4.1h測量將 kg的水變成蒸汽所需的能量因此，1 kW h = 1 kW 1h = 1000W 60 60s = 3600000 J = 106 J千瓦時(shí)計(jì)工作時(shí)，電表內(nèi)的圓盤會轉(zhuǎn)動(dòng)。每千瓦時(shí)的轉(zhuǎn)數(shù)標(biāo)示在電表上。將水煮沸所需的能量只是kW h的幾分之一，故此，計(jì)算圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)，可求得所要測量的能量。通過圖4.1h所示的步驟，可測得將 kg的水變成蒸汽所需要的能量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果示例：汽化了的

7、水的質(zhì)量的 kg千瓦時(shí)計(jì)的規(guī)格=600轉(zhuǎn)kW h因此，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)一周時(shí)電路所提供的能量 = 106 J / 600 = 6000 J計(jì)得轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù) = 41=電路提供的總能量 = 41 6000 J=水的汽化比潛熱 lv =與標(biāo)準(zhǔn)值 2.26 106 J kg-l 比較，誤差約為9%。誤差的原因是：1.水蒸汽在電熱器的上端凝結(jié)後回流水杯中。2.部分水會濺出杯外。3.能量散失於周圍環(huán)境。例2要使0.5 kg 0oC的水變成100 oC的蒸汽，需要多少能量？需要的總能量=使水的溫度從0oC升高到100 oC所需的能量使100 oC的水變成100 oC的蒸汽所需的潛熱= m c T + m lv=

8、4200 100 2.26 106= 1.34 106 J在100 oC時(shí)將水變成蒸汽所需的能量大約是同等質(zhì)量的水從0 oC加熱至100 oC所需的熱的倍。例3杯子中盛有質(zhì)量為5 kg、溫度為20 oC的冷咖啡，現(xiàn)向咖啡中噴入質(zhì)量為0.025 kg、溫度為100 oC的蒸汽。求混合後咖啡的溫度。咖啡的比熱容量為5800 J kg-1 oC-1。設(shè)混合後咖啡的溫度為。蒸汽釋放的能量= 0.025 2.26 106 + 0.025 4200 (100 - T) J= 56500 + 105 (100-T) J咖啡獲得的能量 = 0.15 5800 (T - 20) J = 870 (T-20) J

9、假設(shè)沒有能量損失，蒸汽釋放的能量 = 咖啡獲得的能量56500 + 105 (100-T) J = 870 (T-20) J解方程得混合後咖啡的溫度為oC。冷咖啡很快地被蒸汽加熱至 oC。這就是快熱咖啡 (expresso)的調(diào)製方法。問題與思考水的比熱容量 c = 4200 J kg-1 oC-1水的熔解比潛熱 lf = 105 J kg-1水的汽化比潛熱 lv= 106 J kg-11.為甚麼圖4.1e所示的實(shí)驗(yàn)需要一對比裝置？如果沒有對比裝置，所測得的水的熔解比潛熱是大了還是小了？2.為甚麼被蒸汽燙傷要比被開水燙傷更為嚴(yán)重？3.將0.2 kg溫度為30 oC的水放入冰箱中製冰。為此需要從

10、水中移去多少能量？4.計(jì)算將0.2 kg、0 oC的冰加熱為50 oC的水所需要的能量。5.將質(zhì)量為0.1 kg、溫度為0 oC的冰塊投入質(zhì)量為0.3 kg、溫度為30 oC的可口可樂中，求混合液的溫度（圖4.1j）。可口可樂的比熱容量為5300 J kg-1 oC-1。6.將一支kW的浸沒式電熱器放進(jìn)0.5 kg溫度為20 oC的水中加熱10分鐘。求化為蒸汽的水的質(zhì)量。圖4.1i快熱咖啡(expresso)壼4.2蒸發(fā)液體在低於沸點(diǎn)的溫度也能變成蒸氣。淺水坑和濕衣服即使在冷天也會變乾。如果天氣乾燥且有風(fēng)，就會乾得更快。液體變?yōu)闅怏w的過程稱為蒸發(fā)。蒸發(fā)與沸騰有所不同：蒸發(fā)沸騰可在任何溫度下發(fā)生

11、祇能在特定的溫度（沸點(diǎn)）發(fā)生發(fā)生在液體表面發(fā)生在液體內(nèi)部沒有形成汽泡有汽泡然而，蒸發(fā)和沸騰都需要汽化潛熱。在蒸發(fā)時(shí)，潛熱來自液體內(nèi)部或周圍環(huán)境，所以起了一種冷卻作用。蒸發(fā)的冷卻作用將香水灑在身上時(shí)會覺得涼快(圖4.2a)，這是因?yàn)橄闼苋菀渍舭l(fā)並從身體上帶走汽化所需的潛熱。當(dāng)體溫比正常體溫高出0.5oC時(shí)，人就會出汗。汗水從皮膚上細(xì)小的毛孔流出來。當(dāng)汗水蒸發(fā)時(shí)，從身體帶走汽化所需的潛熱。不過，若天氣潮濕，空氣中充滿了水蒸氣，會使汗水蒸發(fā)得很慢。汗水留在皮膚上起不了冷卻作用，就會感到不舒服。身上濕了就很容易感冒，這是由於身體變乾的時(shí)候帶走了汽化所需的潛熱。如果有風(fēng)，會冷得更厲害(圖4.2b)。圖

12、4.2a香水使人感覺涼快圖4.2b當(dāng)心感冒雪柜雪柜利用蒸發(fā)的冷卻作用保持食品的低溫，所用的是一種易蒸發(fā)的液體，叫氟利昂。這種液體會在管道中循環(huán)流動(dòng)(圖4.2c)。l 當(dāng)經(jīng)過致冷室的管道時(shí)，氣利昂蒸發(fā)並從食物那裡帶走所需的潛熱。l 氣利昂接著流過冰箱背後的管道。這時(shí)氣利昂被壓縮變?yōu)橐后w並向周圍環(huán)境釋放出潛熱。然後，冷的氣利昂又被泵到致冷室，整個(gè)過程又再重複。圖4.2c雪柜的工作原理問題與思考1.從游泳池裏上來時(shí)會覺得冷，如果有風(fēng)就更覺得冷。說明原因。2.為甚麼(a)當(dāng)人從冷氣房間出來時(shí),(b)當(dāng)人走進(jìn)一熱氣騰騰的浴室裏時(shí)，眼鏡會蒙上一層水汽？凝結(jié)蒸發(fā)的逆過程暖空氣比冷空氣帶有更多的水蒸氣。如果暖

13、空氣突然被冷卻，部分水蒸氣會凝結(jié)。這就是雲(yún)和霧形成的原因，雲(yún)霧都是由無數(shù)的小水滴組成的。在任何冷的表面也同樣有冷凝現(xiàn)象(圖4.2d)。圖4.2d水蒸氣在冷的表面凝結(jié)4.3小結(jié)潛熱l 物質(zhì)有三種存在狀態(tài)：固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)。對物體加熱或冷卻，可使物體從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N狀態(tài)。l 當(dāng)物質(zhì)的存在狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)，物體將吸收或釋放能量而保持溫度不變。這些能量稱為潛熱。l 使質(zhì)量為1 kg的冰在溫度不變的條件下變?yōu)樗?，所需要的能量稱為水的熔解比潛熱，記為lf，其值為 105 J kg-1。l 使質(zhì)量為1 kg的水在溫度不變的條件下變?yōu)樗魵猓枰哪芰糠Q為水的汽化比潛熱，記為 lf，其值為 106 J

14、kg-1。蒸發(fā)l 液體在溫度低於沸點(diǎn)時(shí)發(fā)生汽化的現(xiàn)象稱為蒸發(fā)。蒸發(fā)發(fā)生在液體的表面。4.4練習(xí)題水的比熱容量 c = 4200 J kg-1 oC-1水的熔解比潛熱 lf = 105 J kg-1水的汽化比潛熱 lv= 106 J kg-11.圖4.1e所示裝置是用來測量冰的熔解比潛熱。當(dāng)實(shí)驗(yàn)杯中收集到的水為5 kg時(shí)，焦耳計(jì)的讀數(shù)表明電熱器供給的能量為1.92 104 J。同一時(shí)間內(nèi)在對比杯中收集到的水為 kg。(a)依據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算冰的熔解比潛熱。(b)為甚麼需要對比裝置？(c)(a) 所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果並非很準(zhǔn)確。若要得到更準(zhǔn)確的結(jié)果，應(yīng)考慮哪些因素？2.圖4.4a所示的儀器是用來測量水的汽

15、化比潛熱。當(dāng)塑料杯中的水開始沸騰時(shí)，記下電子秤的讀數(shù)？同時(shí)啟動(dòng)秒表。分鐘後再記錄一次電子秤的讀數(shù)。電熱器的功率 = 500 W = 500 J s-1質(zhì)量的起點(diǎn)讀數(shù) = 843.2 g180s 後的質(zhì)量讀數(shù) = 807.6 g(a)依據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算水的汽化比潛熱。(b)說明 (a) 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值 106 J kg-l 不同的原因。3.用一功率為100W的電熱器給0.2 kg的固態(tài)物質(zhì)加熱。溫度時(shí)間關(guān)係圖線如圖4.4b所示。(a)在、區(qū)，物質(zhì)分別處於甚麼狀態(tài)？(b)固體的熔點(diǎn)是多少？(c)計(jì)算固體狀態(tài)下物質(zhì)的比熱容量。(d)計(jì)算物質(zhì)的熔解比潛熱。假設(shè)電熱器提供的全部能量都傳給了該物體。4.

16、電水壼(圖4.4c)的規(guī)格為2 kW 240V，壼裏裝有溫度為18oC的水。接通開關(guān)、每隔分鐘記錄次水的溫度，一直記分鐘，然後將開關(guān)斷開。結(jié)果如下表所示：溫度oC時(shí)間min1803016128639641005100610071008(a)以 y 軸表示溫度、x 軸表示時(shí)間，畫一溫度時(shí)間關(guān)係圖線。(b)為甚麼在第至第分鐘之間，雖然不斷加熱但溫度卻不再上升？(c)從第分鐘初開始到第分鐘末止，所供給的能量是多少？在開關(guān)接通前及斷開後，水壼及水的質(zhì)量差為150 g。(d)依據(jù)題目的數(shù)據(jù)及對問題 (a)-(c)的解答結(jié)果，估算水的汽化比潛熱。(e)舉出兩個(gè)理由說明這樣算出的水的汽化比潛熱可能不太準(zhǔn)確。

17、說出所舉的理由會導(dǎo)致測量值偏大還是偏小。(1989年牛津劍橋試題)5.圖4.4d顯示的實(shí)驗(yàn)裝置，用來量度冰的熔解比潛熱，冰塊經(jīng)敲碎，而且正在熔解，熔解所得的水由燒杯收集。圖左中，電熱器所耗電能由焦耳計(jì)量得。圖右為的對應(yīng)實(shí)驗(yàn)，電熱器並不接上電源。(a)為甚麼要設(shè)置對應(yīng)實(shí)驗(yàn)？(b)為甚麼所用冰塊必須(i)敲碎？(ii)正在熔解？(c)試從下列實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，算出冰的熔解比潛熱：實(shí)驗(yàn)前焦耳計(jì)讀數(shù)=39 428 J實(shí)驗(yàn)後焦耳計(jì)讀數(shù)=50 328 J圖左所收集水的質(zhì)量 kg圖右所收集水的質(zhì)量 kg(d)如在下列兩種不同情況重覆實(shí)驗(yàn)：(i)略去對應(yīng)實(shí)驗(yàn)，(ii)使用 -5oC的冰塊，則所求得冰的熔解比潛熱各應(yīng)較(c)部所得的結(jié)果為大、相等、還是為?。吭嚪謩e簡單解釋。(1985年會考題)6.圖4.4e顯示一物質(zhì)由液態(tài)至固態(tài)的冷卻曲線。(a)現(xiàn)有一試管，管的一半己盛載了固態(tài)的該物質(zhì)。試輔以簡圖，述說一個(gè)可得該物質(zhì)冷卻曲線的實(shí)驗(yàn)。(b)由以上冷卻曲線讀出該物質(zhì)的熔點(diǎn)。(c)試解釋為何物質(zhì)在熔點(diǎn)凝固時(shí)雖向外散熱，但溫度仍保持不變。(d)若物質(zhì)的質(zhì)量為5 kg，而在熔點(diǎn)時(shí)的散熱率為25W。求該物質(zhì)的熔解比潛熱。7.圖4.4f 顯示家用雪柜的部分結(jié)構(gòu)。一種被稱為致冷劑的液