高中物理竞赛讲座10(热学2word)

第七讲 物态变化

一、熔解和凝固

物质从固态变为液态叫熔解。 物质从液态变为固态叫凝固。 晶体在吸收热量时温度持续升高，但达到一个确定的温度后，温度不再升高而开始熔解，这个温度叫熔点（或相反为凝固点）

熔点和压强有关。熔解时体积膨胀的晶体，随所受压强增大，熔点升高；熔解时体积缩小的晶体，随所受压强增大，熔点降低。

晶体中掺杂质后，熔点降低。

单位质量的某种物质，在熔点时，从固态完全熔解成同温度液态时吸收的热量，叫熔解热。其单位是J/Kg ，用λ表示。

晶体熔解时吸热但温度不升高。是由于吸收的热量主要用来增大分子势能，分子的平均动能并不发生变化。

二、汽化和液化

物质由液态转化为气态叫汽化。由气变液为液化。 1、汽化的方式有二种：蒸发和沸腾。

液体分子中平均动能较大的分子离开液体成为汽分子，同时汽分子进入液体中。如果飞出的分子数大于飞入的分子数，液体的质量减小，汽的质量增加，就是蒸发。

由于蒸发中，飞出液面的分子的动能往往比飞入液体内分子的平均动能大，使留在液体内部分子具有的平均动能减小，致使液体的温度降低。

蒸发的速率：①温度 ②液体表面积 ③外界气体中该种液体的气体分子浓度 饱和汽和未饱和汽

液体在蒸发过程中，若单位时间内飞离液面的分子数大于返回液体中的分子数，蒸发继续。

液体置于敞口容器时，由于蒸气分子不断向远处扩散，靠近液体表面处的蒸气分子数密度始终不会很大。进入的分子数总是少于飞出的分子数。液体分子可以不断地蒸发，直到液体全部变为蒸气。

液体置于密闭容器中，随着蒸发的不断进行，容器中蒸气分子数密度不断增大，一定时间后，飞出和返回液体的分子数相等，达到动态平衡。此时的蒸气密度不变，压强也不变，称为饱和蒸气。对应的压强称为饱和蒸气压。

饱和蒸气有如下性质：

（1）在同一温度下，不同液体的饱和汽压一般不同。 （2）同种液体的饱和气压随温度升高而增大

（3）温度一定时，同种液体的饱和汽压与饱和气的体积无关。

（4）对饱和气，可以运用克拉珀龙方程Pv nRT =，但P 不变，为饱和汽压。 液体汽化时，未达到动态平衡的蒸汽叫未饱和蒸汽。 2、汽化热

单位质量的液体转变成同温度的气体时吸收的热量叫作汽化热。用L 表示，单位J/Kg 。 不同液体温度相同时汽化热不同；同种液体在不同温度时汽化热不同。温度越高，汽化热越小。例：水的汽化热在0℃时是2.5×106J/Kg ，在100℃时是2.26×106J/Kg 。

固

液

气

升

华 凝 华 汽化 液化

熔解

凝固

液体汽化时要保持温度不变，必须有外界热源不断地供给热量，其中一部分用于增加物质内部的分子势能，从而增加物质内能，另一部分克服恒定的外压强做功，其各部分能量值的变化满足热力学第一定律。

注意：液体气化时吸收的热量，一方面用于改变系统的内能，同时也用来克服外界压强做功。

如图，一直立绝热气缸中由质量为m 的活塞封着100℃的水，水的上方是与水同温度的水蒸气，活塞上方是真空，活塞可在气缸中无摩擦地滑动，用电热器加热水使活塞在水蒸气的作用下匀速上升，一般易误认为电热器供给的热量等于水汽化的吸热与活塞上升的重力势能之和。事实上，水的汽化热已包括克服外界压强做功所需的能量。即本问题中为使活塞上升而做的功已包括在汽化热中。

三、临界点和三相点

液体和气体共存的最高温度叫临界温度。所对应的压强叫临界压强，这个状态叫临界点。 在临界点，气态和液态的差别完全消失。物质饱和汽的密度和液体的密度相同，气液的分界面消失。这是气、液共存的边缘状态。该状态下表面张力系数为0，汽化热为零。

在临界温度以下，可以用降温或增大压强，使未饱和汽转化为饱和汽，从而使汽体液化 在临界温度以上，无论怎样增大压强，都不能使气体液化。

例：水的临界温度 647.4K ，临界压强218.3atm ，此时，1mol 水的体积0.056m 3 三相点：物质三态（固、液、气）共存的唯一压强和温度值。 四、升华和凝华

物质从固态不经过液态直接变为气态的过程叫升华。 物质从气态直接变为固态的过程叫凝华。

单位质量的固态物质升华时吸收的热量叫升华热。（相反的过程叫凝华热，二者相同）。等于熔解热和汽化热之和。

在相同的条件下，不同物质的升华热不同，同一物质在不同条件下的升华热也不同。 任何固体在任何温度下都有升华现象。在常温常压下升华显著的物质有荼、碘、干冰。 五、道尔顿分压定律

温度为T ，体积为V 的容器中有1n mo 的理想气体单独存在，据克拉珀龙方程，压强

11/P n RT V =，同样，同情形下若有2n mo 的理想气体单独存在，压强22/P n RT V =。若同一情形下1n 和2n 共存（不发生化学反应，不会引起气态物质的物质的量的变化 ），压强12P P P =+

例题：将一份潮湿空气的体积压缩为原来的四分之一，它的压强增至原来的3倍。若再把体积压缩二分之一，压强变为最初的5倍。以上一切过程都在温度不变的情况下进行，空气和水蒸汽视为理想气体。问在最初条件下相对湿度是多少？ 2

50%pe

p r p =

=

pe

活塞上方是真空，如图所示。已知当加热器功率为N 1时，活塞以v 1匀速上升；当加热器功率增加到N 2=2N 1时，活塞上升的速度为v 2=2.5v 1，这时容器内温度不变。求这个温度是多少？

已知在这个温度下汽化热L=2.2×106J/kg ，N 1=100W ，M=40kg ，v 1=0.01m/s 。且由于容器不绝热，而温度不变，可以认为单位时间散失的热量不变。286T K =

，取t 时间

1t L m Q t =+

据克拉珀龙方程有m

P V RT μ

=

而1V Sv t =

由以上可得 1

1L Mgv N μ=

L N =

两室，Ⅰ室中为饱和水蒸汽，Ⅱ室中有质量为m 的氮气，活塞可在容器中无摩擦地滑动。开始，容器被水平地放置在桌面上，活塞处于平衡时，活塞两边气体的温度均为T 0=373K ，压强同为p 0，如图所示，今将整个容器缓慢地转到图所示的直立位置，两室内的温度仍为T 0，并有少量水蒸汽液化成水。已知水的汽化热为L ，水蒸气和氮气的摩尔质量分别为1μ和2μ，求在整个过程中，Ⅰ室内的系统与外界交换的热量。 12o m M L g

Q m L P S M g

μμ==

-

外界交换的热量就是少量饱和蒸汽液化成水时放出的热量。只要求出转化成水的质量m ，即可求出该热量。设容器水平时，Ⅰ、Ⅱ两室的体积分别为12 0301

m

PV RT -=