選修3-3（高中物理舊教材同步講義）第9章 4 物態(tài)變化中的能量交換同步講義

4物態(tài)變化中的能量交換[學(xué)科素養(yǎng)與目標(biāo)要求]物理觀念：1.了解固體熔化熱，知道不同固體有不同的熔化熱.2.了解汽化的兩種方式，知道沸點(diǎn)與大氣壓的關(guān)系.3.了解熔化、凝固、汽化和液化的概念及過(guò)程中的能量轉(zhuǎn)化．科學(xué)思維：能解釋生活中有關(guān)熔化、凝固、汽化、液化的物理問(wèn)題．一、熔化熱1．熔化和凝固(1)熔化：物質(zhì)從固態(tài)變成液態(tài)的過(guò)程．(2)凝固：物質(zhì)從液態(tài)變成固態(tài)的過(guò)程．2．熔化熱(1)概念：某種晶體熔化過(guò)程中所需的能量與其質(zhì)量之比．(2)一定質(zhì)量的晶體，熔化時(shí)吸收的熱量與凝固時(shí)放出的熱量相等．二、汽化熱1．汽化和液化(1)汽化：物質(zhì)從液態(tài)變成氣態(tài)的過(guò)程．(2)液化：物質(zhì)從氣態(tài)變成液態(tài)的過(guò)程．2．汽化熱(1)概念：某種液體汽化成同溫度的氣體時(shí)所需的能量與其質(zhì)量之比，叫做這種物質(zhì)在這個(gè)溫度下的汽化熱．(2)一定質(zhì)量的物質(zhì)，在一定的溫度和壓強(qiáng)下，汽化時(shí)吸收的熱量與液化時(shí)放出的熱量相等．判斷下列說(shuō)法的正誤．(1)固體熔化過(guò)程，溫度不變，并放出熱量．(×)(2)不同晶體的熔化熱不同．(√)(3)汽化時(shí)放出熱量．(×)(4)汽化熱只與溫度有關(guān)．(×)一、熔化熱固體熔化時(shí)為什么會(huì)吸熱？晶體和非晶體在熔化過(guò)程中有什么差別？答案固體熔化時(shí)要克服分子間引力做功，吸熱能增加分子勢(shì)能；晶體在熔化過(guò)程中溫度不變，而非晶體在熔化過(guò)程中溫度會(huì)發(fā)生變化．1．固體熔化過(guò)程中的能量特點(diǎn)(1)晶體熔化過(guò)程中，當(dāng)溫度達(dá)到熔點(diǎn)時(shí)，吸收的熱量全部用來(lái)破壞空間點(diǎn)陣，增加分子勢(shì)能，而分子平均動(dòng)能卻保持不變，所以晶體有固定的熔點(diǎn)．非晶體沒(méi)有空間點(diǎn)陣，吸收的熱量主要轉(zhuǎn)化為分子的動(dòng)能，不斷吸熱，溫度就不斷上升．(2)由于在不同溫度下物質(zhì)由固態(tài)變成液態(tài)時(shí)吸收的熱量不同，而晶體有固定的熔點(diǎn)，因此有固定的熔化熱，非晶體沒(méi)有固定的熔點(diǎn)，也就沒(méi)有固定的熔化熱．2．不同的晶體有不同的結(jié)構(gòu)，要破壞不同晶體的結(jié)構(gòu)，所需的能量就不同，因此不同晶體的熔化熱不相同．熔化熱是晶體的熱學(xué)特征之一．3．熔化熱的計(jì)算公式如果用λ表示物質(zhì)的熔化熱，m表示物質(zhì)的質(zhì)量，Q表示物質(zhì)熔化時(shí)所需要吸收的熱量，則Q＝λm.熔化熱的單位是：焦耳/千克，即J/kg.例1(多選)當(dāng)晶體的溫度正好是熔點(diǎn)或凝固點(diǎn)時(shí)，它的狀態(tài)()A．一定是固體 B．一定是液體C．可能是固體或液體 D．可能是固液共存答案CD解析晶體溫度升高到熔點(diǎn)，將開始熔化，而且整個(gè)熔化過(guò)程溫度保持不變；而液態(tài)晶體在降低到一定溫度時(shí)，若繼續(xù)放熱，將會(huì)發(fā)生凝固現(xiàn)象，而且整個(gè)凝固過(guò)程溫度不變，這個(gè)溫度稱為凝固點(diǎn)．對(duì)于同一種晶體來(lái)說(shuō)，熔點(diǎn)和凝固點(diǎn)是相同的．因此在這個(gè)確定的溫度下，晶體既可能是固體(也許正準(zhǔn)備熔化)，也可能是液體(也許正準(zhǔn)備凝固)，也可能是固液共存，例如：有0℃的水，0℃的冰，也有0℃的冰水混合物，0℃的水放熱將會(huì)結(jié)冰，而0℃的冰吸熱將會(huì)熔化成水．例2下列說(shuō)法不正確的是()A．不同晶體的熔化熱不相同B．一定質(zhì)量的晶體，熔化時(shí)吸收的熱量與凝固時(shí)放出的熱量相等C．熔化熱與溫度、壓強(qiáng)無(wú)關(guān)D．熔化熱與溫度、壓強(qiáng)有關(guān)答案D解析不同的晶體有不同的結(jié)構(gòu)，要破壞不同物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，所需的能量也不同，因此，不同晶體的熔化熱不相同，故A正確；一定質(zhì)量的晶體，熔化時(shí)吸收的熱量與凝固時(shí)放出的熱量相等，故B正確；熔化熱與溫度、壓強(qiáng)無(wú)關(guān)，故C正確，D錯(cuò)誤．二、汽化熱(1)發(fā)射火箭時(shí)，火箭點(diǎn)燃后尾部的火焰如果直接噴到發(fā)射臺(tái)上，發(fā)射架要熔化．為了保護(hù)發(fā)射架，往往在發(fā)射臺(tái)底建一個(gè)大水池，讓火焰噴到水池中，這樣做有什么道理？(2)液體汽化時(shí)為什么會(huì)吸熱？汽化熱與哪些因素有關(guān)？答案(1)利用水汽化時(shí)要吸熱，使周圍環(huán)境溫度不致太高．(2)液體汽化時(shí)，液體分子離開液體表面成為氣體分子，要克服其他液體分子的吸引而做功，因此要吸熱．汽化熱與物質(zhì)汽化時(shí)的溫度及外界氣體壓強(qiáng)有關(guān)．1．液體汽化過(guò)程中的能量特點(diǎn)液體汽化時(shí)，液體分子離開液體表面，要克服其他液體分子的吸引而做功，因此要吸收熱量．汽化過(guò)程中體積膨脹要克服外界氣壓做功，也要吸收熱量．2．液體汽化時(shí)的汽化熱與溫度和外界氣壓都有關(guān)系．3．汽化熱的計(jì)算公式設(shè)某物質(zhì)在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓時(shí)，沸點(diǎn)下的汽化熱為L(zhǎng)，物質(zhì)的質(zhì)量為m，Q表示所需要吸收的熱量，則Q＝Lm.汽化熱的單位為：焦耳/千克，即J/kg.例3在一個(gè)大氣壓下，1g100℃的水吸收2.26×103J熱量變?yōu)?g100℃的水蒸氣．在這個(gè)過(guò)程中，以下四個(gè)關(guān)系式正確的是()A．2.26×103J＝汽的內(nèi)能＋水的內(nèi)能B．2.26×103J＝汽的內(nèi)能－水的內(nèi)能C．2.26×103J＝汽的內(nèi)能＋水的內(nèi)能＋水變成汽體積膨脹對(duì)外界做的功D．2.26×103J＝汽的內(nèi)能－水的內(nèi)能＋水變成汽體積膨脹對(duì)外界做的功答案D解析液體汽化時(shí)吸收的熱量一部分用來(lái)克服分子引力做功，增加內(nèi)能，一部分用來(lái)膨脹對(duì)外界做功，D對(duì)．三、從能量和微觀角度理解熔化過(guò)程與汽化過(guò)程1．熔化時(shí)，物體體積變化較小，吸收的熱量主要用來(lái)克服分子間的引力做功．2．汽化時(shí)，體積變化明顯，吸收的熱量一部分用來(lái)克服分子間的引力做功，另一部分用來(lái)克服外界氣壓做功．3．互逆過(guò)程的能量特點(diǎn)(1)一定質(zhì)量的晶體，熔化時(shí)吸收的熱量與凝固時(shí)放出的熱量相等．(2)一定質(zhì)量的某種物質(zhì)，在一定的溫度和壓強(qiáng)下，汽化時(shí)吸收的熱量與液化時(shí)放出的熱量相等．例4一定質(zhì)量的0℃的冰熔化成0℃的水時(shí)，其分子動(dòng)能之和Ek和分子勢(shì)能之和Ep的變化情況是()A．Ek變大，Ep變大B．Ek變小，Ep變小C．Ek不變，Ep變大D．Ek不變，Ep變小答案C解析0℃的冰熔化成0℃的水，溫度不變，故分子的平均動(dòng)能不變，而分子總數(shù)不變，Ek不變；冰熔化過(guò)程中吸收的熱量用來(lái)增大分子勢(shì)能，故C正確．解答此類問(wèn)題要抓住兩點(diǎn)：一是溫度是分子平均動(dòng)能的標(biāo)志，溫度不變，分子平均動(dòng)能不變；二是抓住物態(tài)變化中的宏觀特征是吸熱還是放熱，再依據(jù)能量守恒的觀點(diǎn)，分析能量的變化情況.1．(熔化熱的理解)(多選)(2018·信陽(yáng)市期末)下列說(shuō)法正確的是()A．晶體有確定的熔化熱，非晶體沒(méi)有確定的熔化熱B．不同的晶體的熔化熱不同C．晶體熔化時(shí)吸收熱量而溫度不變，主要用于增加分子勢(shì)能D．一定質(zhì)量的晶體，熔化時(shí)吸收的熱量與凝固時(shí)放出的熱量不相等答案ABC解析只有晶體才有固定的熔點(diǎn)，有確定的熔化熱，A正確；熔化熱與晶體的種類有關(guān)，B正確；晶體熔化時(shí)吸收熱量，內(nèi)能增加，但溫度不變，分子平均動(dòng)能不變，因此吸收的熱量主要增加分子勢(shì)能，C正確；一定質(zhì)量的晶體，熔化時(shí)吸收的熱量與凝固時(shí)放出的熱量相等，D錯(cuò)誤．2.(熔化熱的計(jì)算)一電爐的功率P＝200W，將質(zhì)量m＝240g的固體樣品放在爐內(nèi)，通電后電爐內(nèi)的溫度變化如圖1所示．設(shè)全部電能轉(zhuǎn)化為熱能并全部被樣品吸收，試問(wèn)：該固體樣品的熔點(diǎn)和熔化熱為多大？圖1答案60℃1.0×105J/kg解析熔化時(shí)溫度不變，從圖象直接得到熔點(diǎn)為60℃；從圖象得到熔化時(shí)間為2min＝120s，根據(jù)能量守恒定律，有：Pt＝λm，解得：λ＝eq\f(Pt,m)＝eq\f(200×120,0.24)J/kg＝1×105J/kg.3．(汽化熱的理解)(多選)能使氣體液化的方法是()A．在保持體積不變的情況下不斷降低氣體的溫度B．在保持體積不變的情況下使氣體溫度升高C．在保持溫度不變的情況下增大壓強(qiáng)，能使一切氣體液化D．降低氣體的溫度到某個(gè)特定溫度以下，然后增大壓強(qiáng)答案AD解析從能量轉(zhuǎn)化的角度分析只要放出熱量，就可以使氣體液化，但從影響氣體液化的因素分析，只要不斷降低溫度或降低溫度到某一特定值以下，再增大壓強(qiáng)就可以使氣體液化．4．(汽化熱的計(jì)算)在壓強(qiáng)為1.01×105Pa時(shí)，使10kg20℃的水全部汽化，需要吸收的熱量是多少？[已知水的比熱容為4.2×103J/(kg·℃)，100℃時(shí)水的汽化熱為L(zhǎng)＝2260kJ/kg]答案2.596×107J解析壓強(qiáng)為1.01×105Pa時(shí)，水在達(dá)到沸點(diǎn)時(shí)的汽化熱為2260kJ/kg.要使20℃的水全部汽化，應(yīng)先使水的溫度上升到100℃，則需吸收的熱量總共為Q＝cmΔt＋m·L＝4.2×103×10×(100－20)J＋10×2260×103J＝2.596×107J.一、選擇題考點(diǎn)一熔化熱的理解1．關(guān)于物質(zhì)的熔化和凝固，下列說(shuō)法正確的是()A．各種固體都有確定的熔點(diǎn)B．各種固體都有確定的凝固點(diǎn)C．各種晶體的熔點(diǎn)相同D．非晶體熔化要吸熱，溫度不斷上升答案D解析固體包括晶體和非晶體，只有晶體具有確定的熔點(diǎn)，且不同晶體的熔點(diǎn)一般不同．非晶體熔化時(shí)要吸熱，在熔化過(guò)程中溫度不斷升高．2．如圖所示的四個(gè)圖象中，屬于晶體凝固圖象的是()答案C解析晶體凝固時(shí)有確定的凝固溫度，非晶體沒(méi)有確定的凝固溫度，故A、D圖象是非晶體的圖象，A、D錯(cuò)誤；晶體熔化時(shí)在達(dá)到熔點(diǎn)前是吸收熱量，溫度升高，而凝固過(guò)程則恰好相反，故B錯(cuò)誤，C正確．3．(2018·太原市模擬)晶體在熔化過(guò)程中所吸收的熱量，將主要用于()A．增加分子的動(dòng)能B．增加分子的勢(shì)能C．既增加分子的動(dòng)能，也增加分子的勢(shì)能D．既不增加分子的動(dòng)能，也不增加分子的勢(shì)能答案B解析晶體在熔化過(guò)程中，吸收熱量，但溫度不變，吸收的熱量用來(lái)克服分子間的作用力做功，即增加分子的勢(shì)能，故B選項(xiàng)正確．考點(diǎn)二汽化熱的理解4．火箭在大氣中飛行時(shí)，它的頭部跟空氣摩擦發(fā)熱，溫度可達(dá)幾千攝氏度，在火箭上涂一層特殊材料，這種材料在高溫下熔化并且汽化，能起到防止燒壞火箭頭部的作用，這是因?yàn)?)A．熔化和汽化都放熱B．熔化和汽化都吸熱C．熔化吸熱，汽化放熱D．熔化放熱，汽化吸熱答案B解析物質(zhì)在熔化和汽化過(guò)程中都是吸收熱量的，故B選項(xiàng)正確．5．(多選)(2018·南昌市模擬)關(guān)于液體的汽化和汽化熱，下列說(shuō)法正確的是()A．液體分子離開液體表面要克服其他液體分子的引力而做功B．液體的汽化熱是與某個(gè)溫度對(duì)應(yīng)的C．某個(gè)溫度下，液體的汽化熱與外界氣體的壓強(qiáng)有關(guān)D．汽化時(shí)吸收的熱量等于液體分子克服分子引力而做的功答案ABC解析汽化時(shí)液體吸收的熱量一部分用于液體分子克服分子引力做功，另一部分用于氣體體積膨脹克服外界氣壓做功，所以A正確，D錯(cuò)誤；汽化熱與液體溫度、外界氣壓有關(guān)，溫度不同，液體的汽化熱不同，所以B、C正確．考點(diǎn)三綜合應(yīng)用6．(多選)下列說(shuō)法中正確的是()A．1g0℃的冰和1g0℃的水的分子動(dòng)能、分子勢(shì)能和內(nèi)能均相同B．1g0℃的冰比1g0℃的水的分子動(dòng)能、分子勢(shì)能和內(nèi)能都要小C．1g100℃的水和1g100℃的水蒸氣分子平均動(dòng)能和分子總動(dòng)能都相同D．1g100℃的水的內(nèi)能比1g100℃的水蒸氣的內(nèi)能小答案CD解析一定質(zhì)量的0℃的冰熔化成0℃的水，溫度不變，分子的平均動(dòng)能不變，分子總數(shù)不變，總動(dòng)能不變，而冰在熔化過(guò)程中吸收的熱量用來(lái)增大分子勢(shì)能，內(nèi)能增大，A、B錯(cuò)；由水的汽化過(guò)程可知C、D對(duì)．7．下列說(shuō)法中正確的是()A．冰在0℃時(shí)一定會(huì)熔化，因?yàn)?℃是冰的熔點(diǎn)B．液體蒸發(fā)的快慢與液體溫度的高低有關(guān)C．0℃的水，其內(nèi)能為零D．冬天看到嘴里吐出“白汽”，這是汽化現(xiàn)象答案B解析熔化不僅需要溫度達(dá)到熔點(diǎn)，還需要繼續(xù)吸熱，故A錯(cuò)；液體溫度高，其分子運(yùn)動(dòng)加劇，容易跑出液面，即蒸發(fā)變快，故B對(duì)；0℃時(shí)水分子也在永不停息地做熱運(yùn)動(dòng)，其內(nèi)能不為零，故C錯(cuò)；冬天嘴中的氣體溫度較高，呼出遇到冷空氣后液化為小水滴，即為“白汽”，故D錯(cuò)．二、非選擇題8.(2018·烔煬中學(xué)高二下月考)如圖1所示是萘晶體的熔化曲線，由圖可知，萘的熔點(diǎn)是多少，熔化時(shí)間為多少？若已知萘的質(zhì)量為m，固態(tài)時(shí)比熱容為c1，液態(tài)時(shí)比熱容為c2，熔化熱為λ，試計(jì)算在0～T1、T1～T2和T2～T3這三個(gè)時(shí)間間隔中吸收的熱量及能量轉(zhuǎn)化情況．(全過(guò)程忽略因汽化引起的質(zhì)量變化)圖1答案c1m(t2－t1)λmc2m(t3－t2)解析由題圖可知，萘的熔點(diǎn)是t2，熔化的時(shí)間為T2－T1，0～T1內(nèi)，萘為固態(tài)，萘從外界吸收熱量，主要用來(lái)增加萘分子的平均動(dòng)能Q1＝c1m(t2－t1)T1～T2內(nèi)，萘為固液共存，萘從外界吸收熱量，完全用于增加萘分子的勢(shì)能Q2＝λmT2～T3內(nèi)，萘為液態(tài)，萘從外界吸收熱量，大部分用來(lái)增加萘分子的平均動(dòng)能Q3＝c2m(t3－t2)9．絕熱容器里盛有少量溫度為0℃的水，從容器里迅速往外抽氣的時(shí)候，部分水急劇地蒸發(fā)，而其余的水都凝結(jié)成0℃的冰．則凝結(jié)成的冰的質(zhì)量是原有水質(zhì)量的多少倍？已知0℃的水的汽化熱