物理：4.3《固液相變與固氣相變》競賽教案

1、§4.3固液相變與固氣相變431、固液相變?nèi)劢馕镔|(zhì)從固態(tài)變成液態(tài)，叫做熔解。對于晶體來說，熔解就是在一定的溫度下進行的，該溫度叫做這種晶體的熔點。晶體在熔解的過程中要吸收熱量，但溫度保持在其熔點不變，直至全部熔解為止。對于大多數(shù)晶體，熔解時體積增大，但還有少數(shù)的晶體，如冰、鉍、灰鑄鐵在熔解時體積反而縮小。晶體的熔點與晶體的種類有關，對于同一種晶體，其熔點與壓強有關。熔解時體積增大的物質(zhì)，其熔點隨壓強的增加而增大，熔解時體積減小的物質(zhì)，其熔點隨壓強的增大而減小。晶體在熔解時，要吸收的熱量，單位質(zhì)量的某種物質(zhì)，由固態(tài)熔解為液態(tài)時，所吸收的熱量叫做物質(zhì)的熔解熱，記為，因此對質(zhì)量為m的物體全

2、部熔解所需吸收的熱量Q=m。凝固物質(zhì)由液相變?yōu)楣滔喾Q為凝固。其中晶體的熔液凝固時形成晶體，這個過程又稱為結(jié)晶。結(jié)晶的過程是無規(guī)則排列的粒子形成空間點陣的過程，在此期間，固、液兩態(tài)平衡共存，溫度保持不變。在結(jié)晶過程中，單位質(zhì)量的物質(zhì)對外釋放的熱量稱為凝固熱。它與該物質(zhì)在同溫度下的熔解熱相同。432、固氣相變物質(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。常溫常壓下，干冰、硫、磷等有顯著的升華現(xiàn)象。大氣中水蒸氣分壓低于4.6mmHg，氣溫降到0以下，水蒸氣便直接凝華成冰晶為結(jié)霜。升華時粒子直接由點陣結(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，同時還要克服外界壓強作功。

3、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做功。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。例：已知冰、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，則系統(tǒng)的溫度和壓強必定分別是和。現(xiàn)有冰、水和水蒸氣各1g處于上述平衡狀態(tài)。若保持總體積不變而對此系統(tǒng)緩慢加熱，輸入的熱量Q=0.255kJ。試估算系統(tǒng)再達到平衡后，冰、水和水蒸氣的質(zhì)量。已知此條件下冰的升華熱；水的汽化熱。分析:。比較與Q的大小關系，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)的溫度和壓強均不變。解:估算在題給溫度和壓強條件下水蒸氣

4、的密度，M是水蒸氣的摩爾質(zhì)量，代入數(shù)據(jù)，得。同樣條件下水的密度,。水的三個狀態(tài)在質(zhì)量相同條件下，水蒸氣的體積遠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1g。這樣，系統(tǒng)的物態(tài)變化幾乎完全是冰熔化為水的過程。設再次平衡后冰、水、水蒸氣的質(zhì)量分別是x、y、z，則有z=1gx+y=2g將Q、數(shù)值代入得x=0.25g,y=1.75g。例：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部分裝有水，它是預先注入量熱器內(nèi)的水冷卻而形成的：第二個量熱器內(nèi)1/3部分是溫度=1

5、0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)果它們占量熱器的2/3。而當?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，冰的熔解熱=340kJ/kg，冰的比熱，水的比熱。求在第一個量熱器內(nèi)冰的初溫。解: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倍，而所占量熱器的高度要增加，其實按題意t只有0.5cm，于是可以作出結(jié)論，在量熱器內(nèi)穩(wěn)定溫度等于0。利用這個條件，列出熱平衡方程 式中是冰的初溫，而m是結(jié)冰的水的質(zhì)量。前面已指出，在結(jié)冰時體積增大到倍，這意味著 式中S是量熱器的橫截面積，從式中得出m代入式，并利用關系式得到。由此得 即 代入數(shù)據(jù)得 =-54.6說明 處理物態(tài)變化問題，確定最終的終態(tài)究竟處于什么