高二物理竞赛(5)物态变化、热传递和热膨胀
热传递及物态变化
空间点阵
• 组成晶体的粒子（原子、离子或分子）在 三维空间中形成有规律的某种对称排列， 如果我们用点来代表组成晶体的粒子，这 些点的空间排列就称为空间点阵。点阵中 的各个点，称为阵点。空间点阵是一种数 学抽象。
【晶体】
• 具有规则几何形状的固体。其内部结构中的原子、离子或分子都在空间呈有 规则的三维重复排列而组成一定型式的晶格。这种排列称为晶体结构。晶体 点阵是晶体粒子所在位置的点在空间的排列。相应地在外形上表现为一定形 状的几何多面体，这是它的宏观特性。同一种晶体的外形不完全一样，但却 有共同的特点。各相应晶面间的夹角恒定不变，这条规律称为晶面角守恒定 律，它是晶体学中重要的定律之一，是鉴别各种矿石的依据。晶体的一个基 本特性是各向异性，即在各个不同的方向上具有不同的物理性质，如力学性 质（硬度、弹性模量等等）、热学性质（热膨胀系数、导热系数等等）、电 学性质（介电常数、电阻率等等）光学性质（吸收系数、折射率等等）。例 如，外力作用在云母的结晶薄片上，沿平行于薄片的平面很容易裂开，但在 薄片上裂开则非易事。岩盐则容易裂成立方体。这种易于劈裂的平面称为解 理面。在云母片上涂层薄石蜡，用烧热的钢针触云母片的反面，便会以接触 点为中心，逐渐化成椭圆形，说明云母在不同方向上导热系数不同。晶体的 热膨胀也具各向异性，如石墨加热时沿某些方向膨胀，沿另一些方向收缩。 晶体的另一基本特点是有一定的熔点，不同的晶体有它不相同的熔点。且在 熔解过程中温度保持不变。 • 对晶体微观结构的认识是生产和科学的发展而逐渐深入的。1860年就有人设 想晶体是由原子规则排列而成的，1912年劳埃用X射线衍射现象证实这一假设。 现在已能用电子显微镜对晶体内部结构进行观察和照相，更有力地证明假想 的正确性。
【表面张力】
• 液体表面分子间的吸引力。即液体表面的分子有一种使其 面积缩成最小的力，或称一种抵抗表面积扩张的力，此力 称“表面张力”。液体表面是指液体与空气或其他液体相 接触的自由面。若不指明，即可认为相对于空气而言。表 面张力的大小与接触面的物质有密切关系。此外，表面张 力还与温度有关，温度越高，表面张力越小。表面张力的 方向总是与液面相切，与分界线相垂直。若在液面作一长 为L的直线，将液面分成两部分，这两部分之间的相互牵 引力为F，则表面张力F=σL。其中σ为液体表面张力系数。 表面张力的单位为牛顿/米。由于表面张力的作用，液滴 表面有收缩到最小的趋势，而使液滴成近似球形的状态。
高中物理竞赛讲义：热、功和物态变化
专题九 热、功和物态变化【扩展知识】物态变化固体、液体和气体是通常存在的三种物质状态。
在一定条件下,这三种物质状态可以相互转化,即发生物态变化。
如：熔化、凝固、汽化、液化、升华和凝华。
饱和汽和饱和汽压液化和汽化处于动态平衡的汽叫做饱和汽,没有达到饱和状况的汽叫做未饱和汽。
某种液体的饱和汽具有的压强叫这种液体的饱和汽压。
饱和汽压具有下列重要性质：（1）同一温度下,不同液体的饱和汽压一般下同,挥发性大的液体其饱和汽压大。
（2）温度一定时,液体的饱和汽压与饱和汽的体积无关,与液体上方有无其它气体无关。
（3）同一种液体的饱和汽压随温度的升高而迅速增大。
空气的湿度、露点表示空气干湿程度的物理量叫湿度。
湿度分为绝对湿度和相对湿度。
空气中含水蒸气的压强叫做空气的绝对湿度。
在某一温度时,空气的绝对湿度跟该温度下饱和汽压的百分比,叫做空气的相对湿度。
用公式表示为%100⨯=sp p B . 空气中的未饱和水蒸气,在温度降低时逐渐接近饱和。
当气温降低到某一温度时水蒸气达到饱和,这时有水蒸气凝结成水,即露水。
使水蒸气刚好达到饱和的温度称为露点。
气体的功、热量与内能的增量1．理想气体的压强 k nE nmv p 32312== 2.理想气体的温度 )/1038.1.(23230K J N R k kT E k -⨯===3．理想气体的内能 RT i m kT i N m E 220⋅=⋅⋅=μμ. 其中i =3(单原子气体,如：He,Ne)；5（双原子气体,如：N 2,H 2）；6（多原子气体,如：H 2O,CO 2）4．理想气体的摩尔热容1mol 理想气体气体温度升高1K 时所吸收的热量,叫做这种气体的摩尔热容。
即： TQ C ∆= . 由于气体吸收的热量Q 与其内能的变化E 以及它做的功w 都有关系,所以气体的摩尔热容不是一个确定的值。
（1）1mol 理想气体的等容摩尔热容R i T T R i T E TQC V 22=∆∆=∆∆=∆=. （2）1mol 理想气体的等压摩尔热容R i R C T Q C V V )12(+=+=∆=. 等值过程中气体的功、热量和内能增量的计算1．功 一般形式 W =Σp ΔV .（1）等温过程 2112ln ln p p RT m V V RT mW μμ-=-=. （2）等容过程 0,0==∆W V（3）等压过程 )()(1212T T R mV V p W --=--=μ.（4）绝热过程 )()(112212V p V p R C T T C m W V V -=-=μ. 2．热量（1）等温过程 2112ln ln p p RT m V V RT mQ μμ==. （2）等容过程 )(12T T C m Q V -=μ.（3）等压过程 )(12T T C mQ p -=μ.（4）绝热过程 0=Q .3. 内能的增量理想气体的内能只跟温度有关,所以不管经何种变化过程,都可用公式：)(12T T C mE V -=∆μ.【典型例题】1．如图所示,气体由状态a沿acb到达状态b,有336J热量传入系统,而系统做功126J,求：（1）若气体在adb过程中系统做功42J,问有多少热量传入系统？（2）当系统由状态b沿曲线ba返回状态a时,外界对系统做功84J,问此时系统是吸热还是放热？传递的热量是多少？。
高中物理竞赛讲义-物态变化
物态变化一、麦克斯韦速率分布律大量气体分子的速率是按一定规律分布，呈“中间多，两头少”的分布规律，且这个分布状态与温度有关，温度升高时，平均速率会增大。
定量公式不作要求。
例1、根据右上图解释为什么地球的大气层中氢气的含量远小于氧气？二、汽化汽化：物质从液态变成气态的过程，包括蒸发和沸腾两种方式1、蒸发蒸发：发生在液体表面，即液体分子由液体表面跑出去的过程。
由于分子在做无规则热运动，液体表面有一些速度较大的液体分子有可能脱离束缚进入空气。
与此同时，一些在空气中的液体分子也可能重新进入液体。
影响蒸发快慢的因素(1)温度：温度越高蒸发越快(2)表面积：表面积越大蒸发越快(3)通风：空气流动性越好蒸发越快(4)液面处的气压：气压越高蒸发越慢任何温度下，液体都会进行蒸发。
蒸发的效果：可以使液体降温。
思考：你能从微观的角度解释上述现象吗？2、沸腾在一定大气压下，加热液体到某一温度时，在液体表面和内部同时发生的剧烈的汽化现象，相应的温度叫沸点。
沸点和气压有关三、饱和汽与饱和汽压在敞开容器中的液体，过一段时间总会蒸发完，而密闭容器内的液体则不会。
例如瓶装饮料。
当脱离液体的分子数和返回液体的分子数一样多时，达到动态平衡。
此时的蒸汽叫做饱和汽。
此时，从宏观上看，蒸发停止了。
没有达到饱和的蒸汽叫做未饱和汽。
在一定温度下，饱和汽的分子数密度是一定的，因而饱和汽的压强也是一定的，这个压强叫做这种液体的饱和汽压。
注意：1、饱和汽压指的是该种气体的分压，不是实际的总气压！向一个真空容器中注入液体（没有装满），则稳定后，气体的压强即为该液体的饱和汽压。
通常情况下，直接测混有空气的饱和汽的压强大于饱和汽压。
2、某种液体的饱和汽压只与温度有关，与气体的体积大小、是否混有其它气体无关。
饱和汽压与温度的关系：思考1：为什么温度越高，饱和汽压也越高？思考2：右图是饱和汽压和温度的关系图，同时也是沸点和气压的关系图。
为什么沸腾的条件是饱和汽压和外部压强相等？例2、如图，带有活塞的容器中，装有一些水(1)保持活塞不动，当温度升高，水的体积和容器内蒸汽压分别如何变化？(2)保持温度不变，向上提活塞，水的体积和容器内蒸汽压分别如何变化？四、空气的湿度1、绝对湿度p s ：空气里所含水汽的压强2、相对湿度B ：在某一温度下，水蒸汽的压强与同温度下饱和汽压的比，称为空气的相对湿度。
热膨胀与热量传递
热膨胀与热量传递热膨胀是物质受热能量作用下体积增大的现象，它与热量传递密切相关。
在本文中，我们将探讨热膨胀与热量传递之间的关系，以及其在日常生活和工业应用中的重要性。
一、热膨胀的原理与机制热膨胀是由于物质分子在受热能量驱动下具有更高的动能，而导致它们之间的相互作用减弱而产生的。
根据物质的性质和组成，热膨胀可以表现为线膨胀、面膨胀或体膨胀。
1. 线膨胀：当物质受热时，其长度会发生变化。
这是因为受到热能驱动的分子振动幅度增大，相互间的距离也因此增大，导致物体的长度增加。
线膨胀是最常见的热膨胀现象。
2. 面膨胀：某些物质受热后，其面积也会发生变化。
这种情况下，物质内部的分子排列出现微调，使得物体的表面积增加。
3. 体膨胀：在某些情况下，物质受热后体积会发生变化。
此时，物质内部的分子之间的相互作用减弱，使得物体的体积增大。
二、热膨胀与热量传递之间的关系热膨胀与热量传递之间存在着密切的联系。
当物体受热时，其温度升高，分子的平均动能也增大。
这种增大的动能引起分子之间相互作用的减弱，使得物体的体积增加，即发生了热膨胀。
热量传递是指热能从一个物体传递到另一个物体的过程。
热膨胀是热量传递的一个重要方面。
当两个不同温度的物体接触时，高温物体中的热能会传递给低温物体，使得低温物体的分子动能增加，从而引起热膨胀。
三、热膨胀的应用热膨胀在日常生活和工业应用中具有重要的作用。
以下是一些常见的应用实例：1. 温度计：温度计是利用物质的热膨胀原理来测量温度的仪器。
常见的温度计有水银温度计和酒精温度计，它们利用物质受热膨胀后涨落的性质来显示温度。
2. 桥梁与铁轨的设计：在桥梁和铁轨的设计中，需要考虑到物体的热膨胀对结构的影响。
由于天气和环境温度的变化，桥梁和铁轨会发生热膨胀，如果没有合适的设计和伸缩缝，就可能导致结构的损坏。
3. 工业制造：在工业制造中，热膨胀是一个重要的考虑因素。
例如，在汽车发动机的设计中，需要考虑到引擎材料在高温下产生的热膨胀，以确保引擎的正常运行。
高二物理竞赛课件：热学(13张PPT)
始平衡态
一系列平 衡态
末平衡态
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三、理想气体物态方程
理想气体（ideal gas）：在任何情况下都严格遵守 波意耳定律、盖吕萨克定律以及查理定律的气体。 是实际气体在压强趋于零时的极限。
当质量为m、摩尔质量为Ｍ的理想气体处于平 衡态时，它的状态参量（p、 V、T） 满足方程：
pV m RT M
宏观基本实验规律 逻辑推理 热现象规律 特点：普遍性、可靠性。
▲ 统计力学（statistical mechanics）
对微观结构提 统计方法 出模型、假设
热现象规律
特点：可揭示本质，但受模型局限。
热力学
相辅相成
气体动理论
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三. 几个概念 1. 系统和外界 • 热力学系统 热力学所研究的具体对象，简称系统。
系统 稳定态
（
T2
热恒 库温
）
说明：
(1) 不受外界影响是指系统与外界不通过作功或传热的方 式交换能量，但可以处于均匀的外力场中；
(2)从微观角度，存在热运动，又称为热动平衡状态； (3) 平衡态的气体系统宏观量可用一组确定的值(p,V,T)表示； (4) 平衡态是一种理想状态。
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当气体的外界条件改变时，气体从一个状态不断 地变化到另一状态，如果状态变化过程进展得十分缓 慢，使所经历的一系列中间状态，都无限接近平衡状 态，这个过程就叫做准静态过程（quasi-static process） 或平衡过程（equilibrium process）。
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第五章 气体动理论
§5-1 热运动的描述 理想气体模型和物态方程
§5-2 分子热运动和统计规律 §5-3 理想气体的压强和温度公式 §5-4 能量均分定理 理想气体的内能 §5-5 麦克斯韦速率分布律 §5-6 麦克斯韦–玻耳兹曼能量分布律
热传导与热膨胀知识点总结
热传导与热膨胀知识点总结热传导和热膨胀是热学领域的基本概念，对于理解物质的热性质以及热工学的应用具有重要意义。
下面将对热传导和热膨胀的一些基本知识点进行总结。
一、热传导的概念和机制热传导是指由高温物体向低温物体传递热量的过程，是热能在物质中传播的一种方式。
热传导通过物质内部的分子、原子间的碰撞和相互作用实现。
其机制可以简化为以下三种：1. 导热：当物体的一部分受热时，其内部的高能热分子通过碰撞将热量传递给周围相对较冷的分子，使得温度逐渐均匀。
2. 对流传热：是通过物质的流动而实现的热传导方式。
当物体的一部分受热时，流体（如空气、水等）在热浮力的作用下形成对流流动，将热量带走或带来。
3. 辐射传热：是指物体通过热辐射的方式传递热量。
所有物体在室温下都会发射热辐射，辐射的强弱与物体的温度有关。
二、热传导的特性和计算方法热传导的特性主要包括以下几个方面：1. 热导率：是描述物质传导热量能力的物理量，记为λ。
热导率越大，物质导热能力越强，传热速度也就越快。
2. 热阻：是指单位面积厚度物质对热量传递的阻碍程度，常用符号R表示。
热阻与热导率成反比，与物体的几何形状和尺寸有关。
3. 热传导定律：热传导的速率与温度梯度成正比，与物质的导热性质有关。
常用的热传导定律为傅里叶定律，可以用来计算热传导速率。
三、热膨胀的概念和类型热膨胀是指当物体受热时，由于温度升高引起物体体积或长度的增加的现象。
根据物体的形状和材料的特性，热膨胀可以分为以下几种类型：1. 长度膨胀：当物体在温度升高时，其长度会发生变化。
具体表现为线膨胀（杆、线的长度变化）和体膨胀（立方体、矩形体积的变化）。
2. 表面膨胀：指物体的表面积发生变化，常见于薄片的热膨胀。
3. 体积膨胀：指物体的整体体积发生变化，通常出现在液体和气体的热膨胀过程中。
四、热膨胀的计算和应用热膨胀是物体在温度变化下的一种自然性质，计算热膨胀常用以下公式：1. 线膨胀：ΔL = αL0ΔT，其中ΔL为长度变化量，α为线膨胀系数，L0为原始长度，ΔT为温度变化量。
高二物理竞赛课件：温度热膨胀理想气体状态方程
§17-1 物质的原子理论
原子 atom 希腊语中不可再分之意。
单个原子和分子的相对质量，称为原子量和分子量。
碳12(C12)原子质量的1/12，作为原子质量的统一单位（u）。按照千克计算。
对于摄氏温标，两个标记之间的距离被划分为100等份，在0℃ 和100℃ 之间，相邻等份之间相差1℃ (因此得名“摄氏温标”意思是“百份”)。
对于华氏温标，这两个点被标记为32℉和212℉，它们之间的距离被分 成180个相等的间隔。
请注意，当我们提到一个特定的温度时，例如我们说 200C，“0在前，C 在后”；但是，当我们提到一个变 化的温度或温度间隔时，例如我们说 2 C0 ，“C在前， 0在后”。两个温标之间的转换可以写成：
ΔV βV0ΔT
(17-2)
其中，ΔT 是温度的增量，V0 是原来的体积，ΔV 是体积增量，
β 是体膨胀系数。单位为 (℃)-1。
注意：对于固体，通常体膨胀系数 β 大约是线膨胀系数 α 的
3 倍。这是为什么？考虑一个长度 l0、宽度W0、高度H0 的长 方体固体。当它的温度改变ΔT ，其体积从 V = l0 w0 H0 到
概念理解： 例17-4 孔膨胀或收缩 在烤箱中加热细的圆环, 环的孔径是变大还是小？ 解答：你可能想当然地认为，金属向
孔内膨胀，使得孔变小。 事实并非如此。试想如果环是实心的， 比如硬币。用钢笔在上面画一个圆， 如图。当金属膨胀时圆环膨胀。
例17-5 圆环套在棒上 铁环紧紧贴在圆柱铁棒上。在20℃时， 棒的直径是6.445cm，铁环的内径为6.420cm。要使铁环滑过棒， 环内孔必须略大于棒直径约0.008cm。那么需多高的温度才能使 环孔足够大，从而滑过棒呢？
物理竞赛辅导——热现象
的熔点与压强有关。 手压物体在冰面上施压，冰的熔点降低，冰会熔化成水，将手拿开后即施
压结束，冰的熔点恢复，刚熔化的水又凝结成冰，于是物体就被冻在冰面上了。
2、汽化 液体的沸腾时有一定的温度，叫沸点，在沸腾的过程中温度保持不变。利 用：煮鸡蛋时，在水开后将火焰调小，但仍保持锅中的水沸腾，直到煮熟。
标准大气压下的沸水温度是 100℃。液体的沸点也大气压强有关，压强越大，
液体的沸点越高。高压锅、竹筒饭，为了提高气压，便水的沸点提高。
例 1、 在制糖工业中常用沸腾的方法较快地除去糖汁中的水分。为了使糖汁在沸 腾时不致因温度过高而变质，沸腾时的温度要低于 100 ℃。
在烹炸食物时常会见到滚开的油锅中，溅入一滴水后，会有剧烈的响声， 并溅起油来。其主要原因是什么？
干湿球温度计：它由两支相同的普通温度计组成，一支用于测定气温， 称干球温度计；另一支在球部用蒸馏水浸湿的纱布包住，纱布下端浸入蒸 馏水中，称湿球温度计。
问：哪支温度计的温度高？为什么？为什么要使用这样的两支温度计 呢？
影响液体蒸发快慢的因素： A 、温度； B、液体表面上空气流动； C、液 体表面积的大小。还有空气的湿度，即空气中含有水蒸气的多少。水蒸水 含量越多，蒸发越慢。
问：常见的墙无论是水泥涂的外层，还是石灰涂的外层，离地面 右的墙面都是先坏，为什么呢？
0 ． 8m 左
二、温度计
温度表示物体的冷热程度。表示温度的方法有多种：摄氏温度、华氏度、
热力学温度。（ 华氏度 = 32 +摄氏度 ×1.8 Nhomakorabea）
绝对零度： -273.15℃，是热力学温度的起点，即 O 开。 T=t+273.15k
全国高中物理竞赛历年试题与详解答案汇编
全国⾼中物理竞赛历年试题与详解答案汇编全国⾼中物理竞赛历年试题与详解答案汇编———⼴东省鹤⼭市纪元中学 2014年5⽉全国中学⽣物理竞赛提要编者按：按照中国物理学会全国中学⽣物理竞赛委员会第九次全体会议的建议，由中国物理学会全国中学⽣物理竞赛委员会常务委员会根据《全国中学⽣物理竞赛章程》中关于命题原则的规定，结合我国⽬前中学⽣的实际情况，制定了《全国中学⽣物理竞赛内容提要》，作为今后物理竞赛预赛和决赛命题的依据，它包括理论基础、实验基础、其他⽅⾯等部分。
其中理论基础的绝⼤部分内容和国家教委制订的（全⽇制中学物理教学⼤纲》中的附录，即 1983年教育部发布的《⾼中物理教学纲要（草案）》的内容相同。
主要差别有两点：⼀是少数地⽅做了⼏点增补，⼆是去掉了教学纲要中的说明部分。
此外，在编排的次序上做了⼀些变动，内容表述上做了⼀些简化。
1991年2⽉20⽇经全国中学⽣物理竞赛委员会常务委员会扩⼤会议讨论通过并开始试⾏。
1991年9⽉11⽇在南宁由全国中学⽣物理竞赛委员会第10次全体会议正式通过，开始实施。
⼀、理论基础⼒学1、运动学参照系。
质点运动的位移和路程，速度，加速度。
相对速度。
⽮量和标量。
⽮量的合成和分解。
匀速及匀速直线运动及其图象。
运动的合成。
抛体运动。
圆周运动。
刚体的平动和绕定轴的转动。
2、⽜顿运动定律⼒学中常见的⼏种⼒⽜顿第⼀、⼆、三运动定律。
惯性参照系的概念。
摩擦⼒。
弹性⼒。
胡克定律。
万有引⼒定律。
均匀球壳对壳内和壳外质点的引⼒公式（不要求导出）。
开普勒定律。
⾏星和⼈造卫星的运动。
3、物体的平衡共点⼒作⽤下物体的平衡。
⼒矩。
刚体的平衡。
重⼼。
物体平衡的种类。
4、动量冲量。
动量。
动量定理。
动量守恒定律。
反冲运动及⽕箭。
5、机械能功和功率。
动能和动能定理。
重⼒势能。
引⼒势能。
质点及均匀球壳壳内和壳外的引⼒势能公式（不要求导出）。
弹簧的弹性势能。
功能原理。
机械能守恒定律。
碰撞。
6、流体静⼒学静⽌流体中的压强。
全国高中物理竞赛大纲
全国高中物理竞赛大纲一、力学a) 运动学参照系质点运动的位移和路程、速度、加速度相对速度向量和标量向量的合成和分解匀速及匀变速直线运动及其图像运动的合成抛体运动圆周运动刚体的平动和绕定轴的转动质心质心运动定理b) 牛顿运动定律力学中常见的几种力牛顿第一、二、三运动定律惯性系的概念摩擦力弹性力胡克定律万有引力定律均匀球壳对壳内和壳外质点的引力公式（不要求导出）开普勒定律行星和人造卫星运动惯性力的概念c) 物体的平衡共点力作用下物体的平衡力矩刚体的平衡条件重心物体平衡的种类d) 动量冲量动量动量定理动量守恒定律反冲运动及火箭e) 冲量矩质点和质点组的角动量角动量守恒定律f) 机械能功和功率动能和动能定理重力势能引力势能质点及均匀球壳壳内与壳外的引力势能公式（不要求导出）弹簧的弹性势能功能原理机械能守恒定律碰撞g) 流体静力学静止流体中的压强浮力h) 振动简谐振动振幅频率和周期相位振动的图像参考圆振动的速度和加速度由动力学方程确定简谐振动的频率阻尼振动受迫振动和共振（定性了解）i) 波和声横波和纵波波长、频率和波速的关系波的图像波的干涉和衍射（定性）驻波声波声音的响度、音调和音品声音的共鸣乐音和噪声多普勒效应二、热学a) 分子动理论原子和分子的量级分子的热运动布朗运动温度的微观意义分子力分子的动能和分子间的势能物体的内能b) 热力学第一定律热力学第一定律c) 热力学第二定律热力学第二定律可逆过程与不可逆过程d) 气体的性质热力学温标理想气体状态方程普适气体恒量理想气体状态方程的微观解释（定性）理想气体的内能理想气体的等容、等压、等温和绝热过程（不要求用微积分运算）e) 液体的性质液体分子运动的特点表面张力系数浸润现象和毛细现象（定性）f) 固体的性质晶体和非晶体空间点阵固体分子运动的特点g) 物态变化熔解和凝固熔点熔解热蒸发和凝结饱和气压沸腾和沸点汽化热临界温度固体的升华空气的湿度和湿度计露点h) 热传递的方式传导、对流和辐射i) 热膨胀热膨胀和膨胀系数三、电学a) 静电场库仑定律电荷守恒定律电场强度电场线点电荷的场强场强叠加原理均匀带电球壳壳内的场强和壳外的场强公式（不要求导出）匀强电场电场中的导体静电屏蔽电势和电势差等势面点电荷电场的电势公式（不要求导出）电势叠加原理均匀带电球壳壳内和壳外的电势公式（不要求导出）电容电容器的连接平行板电容器的电容公式（不要求导出）电容器充电后的电能电介质的极化介电常数b) 稳恒电流欧姆定律电阻率和温度的关系电功和电功率电阻的串、并联电动势闭合电路的欧姆定律一段含源电路的欧姆定律基尔霍夫定律电流表电压表欧姆表惠斯通电桥补偿电路c) 物质的导电性金属中的电流欧姆定律的微观解释液体中的电流法拉第电解定律气体中的电流被激放电和自激放电（定性）真空中的电流示波器半导体的导电特性P型半导体和N型半导体晶体二极管的单向导电性三极管的放大作用（不要求机理）超导现象d) 磁场电流的磁场磁感应强度磁感线匀强磁场安培力洛仑兹力电子荷质比的测定质谱仪回旋加速器e) 电磁感应法拉第电磁感应定律楞次定律感应电场（涡旋电场）自感系数互感和变压器f) 交流电交流发电机原理交流电的最大值和有效值纯电阻、纯电感、纯电容电路整流、滤波和稳压三相交流电及其连接法感应电动机原理g) 电磁震荡和电磁波电磁震荡震荡电路及震荡频率电磁场和电磁波电磁波的波速赫兹实验电磁波的发射和调制电磁波的接收、调谐、检波四、光学a) 几何光学光的直进、反射、折射全反射光的色散折射率和光速的关系平面镜成像球面镜成像公式及作图法薄透镜成像公式及作图法眼睛放大镜显微镜望远镜b) 波动光学光的干涉和衍射（定性）光谱和光谱分析电磁波谱c) 光的本性光的学说的历史发展光电效应爱因斯坦方程光的波粒二象性五、近代物理a) 原子结构卢瑟福实验原子的核式结构玻尔模型用玻尔模型解释氢光谱玻尔模型的局限性原子的受激辐射激光b) 原子核原子核的量级天然放射现象放射线的探测质子的发现中子的发现原子核的组成核反应方程质能方程裂变和聚变“基本”粒子夸克模型c) 不确定关系实物粒子的波粒二象性d) 狭义相对论爱因斯坦假设时间和长度的相对论效应e) 太阳系银河系宇宙和黑洞的初步知识六、其它方面a) 物理知识在各方面的应用。
热膨胀与热传导揭秘物体在温度变化下的性质
热膨胀与热传导揭秘物体在温度变化下的性质热膨胀和热传导是物体在温度变化下所展现出的性质和现象。
通过深入了解这两个过程的机制，我们可以更好地理解物体在温度变化下的行为和特点。
本文将深入探讨热膨胀和热传导的原理、应用以及与其他物性参数的关联。
一、热膨胀热膨胀是指物体在受热时长度、体积或密度改变的现象。
其原理可以通过固体的分子振动和间距变化来解释。
当固体受热时，分子振动的能量增加，分子之间的间距扩大，从而导致物体产生膨胀。
热膨胀可通过线膨胀、面膨胀和体膨胀等方式来观察和描述。
1. 线膨胀线膨胀是指物体在受热时长度发生变化的现象。
考虑一根固体杆，当其受热时，分子振动增大，导致杆的长度扩展。
线膨胀系数是一个用于描述固体材料线膨胀性质的物理参数，它定义为单位温度变化引起的单位长度变化。
常见的线膨胀系数有线膨胀系数、线膨胀率等。
2. 面膨胀面膨胀是指物体在受热时面积发生变化的现象。
这种现象在实际中常见于金属材料的表面膨胀。
面膨胀系数是描述物体表面膨胀性质的物理参数，它定义为单位温度变化引起的单位面积变化。
面膨胀常用于热伸缩补偿的应用中，如建筑物或桥梁的伸缩缝设计。
3. 体膨胀体膨胀是指物体在受热时体积发生变化的现象。
这种现象普遍存在于液体和气体中，例如热胀冷缩的现象。
体膨胀系数是描述物体体积膨胀性质的物理参数，它定义为单位温度变化引起的单位体积变化。
了解物质的体膨胀系数可以在工程设计、热力学系统等领域有很大的应用价值。
二、热传导热传导是指热量从高温区域沿着温度梯度传递到低温区域的过程。
热传导是宏观和微观热学中的一个重要概念，它以分子间的碰撞和能量转移为基础。
物体中的热传导可通过传导率和热阻等参数来描述。
1. 热传导的机制热传导的机制可以通过热原子力学来解释。
当物体的某一部分受热时，分子振动增加，使周围分子也增加振动。
高振动区域的分子传递能量给低振动区域的分子，从而将热量传递。
这个过程直到整个物体达到热平衡。
2. 热导率热导率是描述物体热传导性质的物理参数，它定义为单位厚度和单位横截面积上的热传导热流量。
南昌二中高中物理竞赛热学教程第四讲物态变化.doc
l = (u - u ) + p (V - V )L(u - u ) 称为内潜热，p (V - V ) 称为外水 潜热。
三相图：将同一种物质的汽化曲线 OK 、458mmHgL时 临界点 ，可以存在沸腾现象 S c第四讲 物态变化 §4.1 相与相变相:指的是热学系统中物理性质均匀的部分，一个相与其他部分之间有一定的分界面隔离 开来。
例如冰和水的混合物中，因为冰和水的物理性质不同，故为不同的相，但它们的化学 成份相同。
一种化学成分称为“一元”，因此冰水混合物称为单元二相系，而水和酒精的混合 物就是二元单相系。
相变：不同相之间的相互转变称为相变。
相变特点：伴随物态的变化；要吸收或放出的热量。
相变潜热：相变时吸收或放出的热量统称相变潜热。
2 1 2 1218atmK2121冰1at m汽熔解曲线(熔点随外界压强的变化关系)OL 、升S华曲线(固体上饱和气压随温度的变化关系)OS 同时画在 P-T 图上，我们就能标出固、 0 0.01 100 374 t o c液、气三态存在的区域，这称为三相图。
每条曲线对应着两态平衡共存的情况。
三条曲线的交点 O ，对应三态平衡共存的状态，称为三相点。
如下图为水的三相图。
水的水相点 O 是水、冰、水蒸气平衡共存的状态，其饱和水汽压P = 4.58mmHgS、温度 T=273.16 开 0.01℃，这是国际温标规定的基本固定点。
因为水的三相点是唯一的，不像冰点和汽点那样会随外界压强的变化而变化。
例 如图 4-1-1 所示的 P-T 图线中，表示了一定质量某种物质的不同物相所存在的区域。
下面有关这种物质的几个说明P L中，哪些是正确的？()A.当 T > T三相点 ，可以存在升华现象固液 K临界点B.在凝固过程中体积增大 T > TC.当时三相点气D.当 p < p 三相点 时，它是一种稳定的液体E.以上说法都不对O 汽 T t o分析:将液体和固体上方的饱和汽压随温度变化的曲线 SK ， 图 4-1-1 升华曲线 SO ，以及熔点随温度变化的熔化曲线 SL ，同时画在P-T 图上(图 2-1-1)，我们就能标出固、液、汽三态存在的区域；每条曲线对应着两态平衡共存 的情况，三根曲线的交点 S ，对应着三态平衡共存的惟一状态，称为三相点，图线叫三相图。
物理竞赛专题--第2讲 温度、熔化和凝固
物理竞赛专题--第2讲温度、熔化和凝固【赛点图解】【技法透析】1．热胀冷缩一般物质在温度升高时体积膨胀，温度降低时体积收缩的现象叫做热胀冷缩，若在温度升高时体积收缩，温度降低时体积膨胀的现象叫做反常膨胀，如0-4℃的水、锑、铋、液态铁等物质都有反常膨胀的性质．对热胀冷缩的固体来说，当温度升高时它的线度（指长、宽度等长度）、表面积、体积都随物体本身和升高的温度的增大而增大，其增量都与升高的温度成正比；线度的增加量与物体原来的线度成正比、表面积的增量与原来的表面积成正比、体积的增量与原来的体积成正比，另外线度、表面积、体积的增量还与物体材料有关．液体和气体的热胀冷缩的性质主要表现为体积的变化、其增量与物质种类，原来的体积和变化的温度有关．用液体的热胀冷缩的性质制成的液体温度计，在升高温度一定的情况下增大温度计中液体的原来的体积，那么液体的体积增大得就多些，液柱面升得就更高些，更易观察，而且指示的温度更准确．液体温度计都是利用在某一温度范围内，液体的体积的增量与升高的温度成正比的原理制成的，但是各国采用的单位不同，导致测量同一物体的温度时数值不相等，但表示的冷热程度应是一样的．不同的温标，采用的温度的单位不同，目前国际上流行使用的温度单位主要有三种：摄氏度、华氏度、开尔文，其中开尔文和摄氏度作单位时温度的分度值是一样的，即升高或降低1℃的温度和升高或降低1K是相同的，但它们的起始点即0点不同，摄氏温度中以1atm下的冰水混合物的温度为0℃，而热力学温度中以绝对零度为OK，绝对零度用摄氏温度表示为-273℃．而华氏温度的分度值和起始点与摄氏温度、热力学温度都不同，它把一定浓度的盐水凝固时的温度规定为0°F，而且1℃是1°F的9/5倍，因为0℃对应的刻度错误或分度值不同，导致刻度均匀的温度计示数不准，这时它和真实温度之间存在的关系是成正比或一次函数，若只是0℃对应的刻度错误，就是成正比；若0℃对应的刻度错误和分度值都不同，就是一次函数．3．热传递热量从一个物体传到另一个物体的现象叫热传递．发生热传递的原因是两物体的温度不等，规律是热从高温物体传递到低温物体，其实质是内能的转移．热传递有三种方式：传导、对流、辐射．①传导：热量沿着物体传递，它发生在一个物体的内部或两相互接触的物体之间，固体之间的热量传递一定是通过传导实现的，它也是其他两种方式发生的前提，不同的物质传热的能力不同，容易传热的物质叫做热的良导体，不容易传热的物质叫做热的不良导体．如空气、羽毛、棉花、塑料、泡沫等物质是热的不良导体，金属都善于传热，其中传热性能最好的是银，其次是铜．②对流：依靠流体（气体或液体）的上下流动来传递热量的方式叫对流，液体或气体受热后体积膨胀，密度减小而上升，周围温度低密度大的流体流到中间来补充，从而使温度不同的流体不断混合，使热量能多条路径传递，提高了传递效率和速度，在太空中流体不能上下流动，所以不能形成对流，而且没有物质，也不能通过传导传热．对流是形成风和洋流的一个原因．③辐射：热沿着直线以可见光和不可见光传递热量的方式叫辐射．传导和对流都必须有传热的介质，而辐射也可以在没有介质的真空中传播．任何物体都向周围辐射热量，辐射能力的强弱与物体的温度、颜色有关，温度越高，颜色越深、表面积越大的物体向外辐射热量的能力越强，物体在向外辐射热量的同时也会吸收外界的热量，温度越低，颜色越深、表面积越大且粗糙的物体从外界吸收热量的能力也越强；当然物体也反射辐射热，物体反射热量的能力越强，它吸收辐射的能力越弱，所以颜色浅、表面光滑的物体反射热量的能力强．4．熔化和凝固规律根据熔化时温度是否发生变化可把固体分成两类，在熔化时吸热温度不变的是晶体，熔化时吸热温度升高的是非晶体．凝固时的规律和熔化时相同，晶体的液体在凝固时放热但温度保持不变，非晶体的液体在凝固时放热温度降低．晶体熔化时的温度叫熔点．在相同的条件下，不同的晶体熔点不同；同种晶体在气压不同或溶解成溶液时熔点也不相同，溶液的熔点还与浓度有关，但同种晶体在相同的条件下，熔点和凝固点是相同的．根据晶体的熔化规律可知，晶体熔化的条件有两个：①温度等于熔点，②必须能吸收热量，晶体的液体凝固的条件也有两个：①温度等于凝固点，②必须能放出热量．晶体在熔化时体积也会发生变化，一般的晶体熔化后体积增大．少数反常膨胀的物质在熔化后体积减小．【名题精讲】赛点1热膨胀例1 量程相同、最小刻度都是1℃的甲、乙、丙三支酒精温度计，玻璃泡的容积甲稍大一些，乙、丙相同，丙玻璃管的内径稍粗一些，甲和乙相同，由此判断相邻刻度线之间的距离足( ) A．甲最长B．乙最长C．丙最长D．一样长【切题技巧】三支酒精温度计的最小刻度都是1℃，说明相邻刻度线之间的长度表示的温度相等，当温度升高1℃时，液柱升高的高度就是相邻刻度线之间的距离，根据h＝VS可知，这个高度的大小与酒精膨胀的体积成正比，与玻璃管的截面积成反比．甲和乙比较，甲的玻璃泡容积大，升高相同的温度，甲膨胀的体积大（在其他因素相同时，物体膨胀的体积与物体原来体积成正比），所以在玻璃管的内径时，甲的液柱升得高，即甲相邻刻度线之间的距离大，乙、丙玻璃泡的容积相同，说明升高1℃的温度时，酒精膨胀的体积相等，丙玻璃管的内径稍粗一些，所以乙的液柱升得高，即乙相邻刻度线之间的距离比丙大．【规范解答】 A【借题发挥】用长度刻度的测量工具都是在工具上先设定两个客观值，然后将两个值间的长度按照物理量与长度的函数关系刻度．如刻度温度计，先根据热胀冷缩的性质，确定液体膨胀的液柱的高度与温度成正比，然后在冰水混合物和沸水中确定0℃和100℃，最后再100等分0℃和100℃的长度，得到每一个刻度值．在截面积相等的情况下，可用长度表示温度等不同的物理量．在温度这些物理量变化相同时，长度变化的越大，则两条刻度线间的距离越长，我们继续等分这个距离，那么它的分度值就越小，估计读数就越准，当然在选择根据物质的什么性质和用什么物理量来表示测量量时，应最好选择表示性质的物理量和表示测量量的物理量成正比或成一次函数，这样刻度是均匀的，我们刻度时可以均分，也有利于提高读数的精度．所以象量筒、温度计这样的测量工具，横截面积越小，精度越高，【同类拓展】美国有一家工厂要制造一种特殊用途的钢铝罐，即钢罐内表面要压接一层0.25毫米厚的铝片．焊接专家、锻压专家都束手无策，后来，圣迪亚实验室的科学家解决了这一难题．他们先把薄薄的铝片装到钢罐内与内表面相贴，再往钢罐内灌满水，水中插入冷冻管，使水结冰，冷冻后铝膜就与钢罐接牢了，使铝膜与钢罐接牢的原因是( )A．铝膜和钢罐之间的水把它们冻牢了B．水结冰时放热使它们焊牢了C．水结冰时膨胀产生的巨大压力使它们压牢了D．铝膜与钢罐发生化学反应例2 如图是一金属管的横截面，d1是内径，d2是外径．当对金属管加热时( )A．d1变大，d2变小B．d1变大，d2变大C．d1变小，d2变大D．d1不变，d2变大【切题技巧】当固体物质热膨胀时，物体的线度都增大．【规范解答】 B【借题发挥】本题也可以用还原法来判断，假设这个金属管是一个圆柱体内截了一个直径为d1的小圆柱体，我们将小圆柱体再插回管中，加热d2增大，小圆柱体的外径d1也应该增大，所以d1、d 2都应增大，【同类拓展】 如图有一块厚铁板M ，冲下圆柱体N （N 能很紧密地塞回原孔）．现把铁板和铁柱同时放到炉内加热较长时间，在取出的瞬间( )A ．N 变粗，塞不进原孔．B ．原孔变大，N 很容易塞进C ．原孔变小，N 不能塞进．D ．N 仍能紧密的塞进原孔．赛点2 温度计例3 某刻度均匀但读数不准的温度计，用它测量冰水混合物的温度时，示数是4℃，当冰熔化后，水温度升高到某一数值时，发现它的示数恰好与真实温度相等，让水温再增加10℃，而温度计的示数只增加了9℃，那么，当用此温度计去测量一个标准大气压下的沸水温度时，示数变为( )A ．92℃B ．94℃C ．96℃D ．98℃【切题技巧】 测量冰水混合物的温度时，示数是4℃，说明这支温度计的真实的0℃在第四条刻度线上；水温再增加10℃，而温度计的示数只增加了9℃，说明这支温度汁的分度值为109℃，所以这支温度计表示100℃需要的格数为100109C C ︒=︒90，再加上0℃在第四条刻度线上，一共应该是94． 【规范解答】 B【借题发挥】 刻度均匀的测量工具的读数都应该是：数据＝分度值×格数．而刻度均匀但读数不准的温度计就是指0始点和分度值不准．所以做这类题就是要找到真实的0点和真实的分度值，特别要强调的是真实的读数还必须从真实的0点开始数格数，不一定是从最下面的刻度线开始数．【同类拓展】 用一支刻度均匀、但读数不准的温度计来测量某物体的温度时，测量值偏低1℃，当该物体的温度升高10℃后，再用温度计来测量物体的温度时，测量值却偏高了0.5℃，将该物体的温度继续升高10℃，此时用温度计来测量时，测量值将_______℃(填偏高或偏低多少℃），用这个温度计分别来测量标准大气压下的沸水温度和冰水混合物的温度时，两者的示数差为_______℃．赛点3 熔化和凝固图像例4 某同学在做萘的熔化实验时，根据记录的数据，画出了如图的曲线，如果记录和作图没有错误，则以下判断中错误的是( )A ．A 在t 1时刻刚停止加热，t 1时刻又开始加热；B ．B 在t ＝0的时刻显示的温度就是萘的熔点；C ．C 在0～t 1的时间内含有萘的放热过程；D ．D 在t 1～t 2的时间内萘在不断地放出热量．【切题技巧】 图示应该是晶体的液体凝固和以后的降温过程的图像，0-t 1阶段是凝固过程，其中t 1-t 2阶段是固体降温过程，t2以后温度又升高．晶体在凝固时必须放热，所以0-t 1段就必须停止加热，t 1-t 2阶段要降温也必须放热，t 2以后温度又升高，必须加热，故A 是错误的．【规范解答】 A【借题发挥】 对于晶体的温度随时间变化的图像，如图，我们应弄清以下问题：①图像中的过程或点与状态的对应关系AB 包括B 点为固体；BC 为熔化过程，固液共存；CD包括C点全部为液体；DE包括E点全部为液体；EF为凝固过程，固液共存；FG包括G点为固体．从上面的分析可以看出，温度等于熔点或凝固点的物体状态有三种可能：固体、液体、固液共存，②图像中的过程或点与吸、放热的对应关系AD整个过程都吸热，特别BC段虽然温度不变但一定要吸热；DG整个过程都放热，特别EF段虽然温度不变但一定要放热．BC和DG段的吸、放热情况说明，温度不变，仍可能有热传递发生，既可能吸热，也可能放热．③AB和DE倾斜程度不同，说明它们的状态不同时比热容不同，AB和FG、CD和DE倾斜程度相同，说明它们的状态相同时比热容也相同．【同类拓展】现代建筑出现一种新设计：在墙面装饰材料中均匀混入小颗粒状的小球，球内充入一种非晶体．．．材料，当温度升高时，球内材料熔化吸热；当温度降低时，球内材料凝固放热，使建筑内温度基本保持不变．下图5-5的四个图象中，表示球内材料的熔化图象的是( )A B C D赛点4熔点和凝固点例5在2008年初的南方冰雪灾害中．为了更快地使路面上坚硬的冰熔化，住冰面上撒盐成为有效的辅助手段，其原因主要是冰与盐混合后，能降低冰的_______，公路上的积水在寒冷的天气里，常会在公路表面形成一层薄冰，这个过程在科学上称为_______．【切题技巧】在冰上撒盐后，冰能在较低的温度下熔化，所以能降低冰的熔点，水变成冰的过程叫做凝固．【规范解答】熔点，凝固【借题发挥】晶体的熔点不仅与晶体的种类、受到的压强有关，还与晶体是否溶有其他物质而形成溶液有关，而且溶液的浓度不同，其熔点也发生变化，但不是两种物质混合后它们的熔点就发生变化，如石头和水混合后，熔点就不变．【同类拓展】大雪过后，会造成路面积雪和积水，危及交通安全．为了尽快消除路面积水，可以通过撒盐和铺设防滑物以及组织扫雪等措施．盐的浓度（%）0 5 10 15 20凝固温度（°C）0 -3 -7.5 -12 -17上表反映的是盐的浓度与凝固温度之间的关系，利用这一表格，请你估计当桥面上积水的厚度达到2cm，环境温度为-3℃时，撒盐车应在每平方米的冰面上撒多少盐才能去除桥面上的积水？赛点5热传递例6某密闭隔热容器通过中间的阀门被分为A、B两个部分，现将该容器水平放置，并在A、B 中分别装满冷水和热水，如图，当打开中间的阀门后，要使A、B两容器中的水温相等，最快的办法是( )A．竖直放置，且A在上方，B．竖直放置，且B在上方，C．如图保持原有的水平状态，D．上述三种情况下，所需时间相同．【切题技巧】热传递有三种方式，对流体来说还有对流这种特殊的传热方式，而且它传热比传导和辐射传热更快，所以为了使冷热水的温度最快的相等，应使冷水和热水对流起来，将密度大的液体放在上面，密度小的物体放在下面．【规范解答】 A【借题发挥】形成对流的原因是液体受到重力，体积相等时越重的液体越会在它自身重力作用下自动流到下方，所以形成对流应让密度大的在上，密度小的在下，一般地，同种物质温度高时密度小，温度低时密度大，所以给流体加热，为了形成对流应该使热源在下，给流体降温，应使冷源在上．北方暖气安装在房子的墙下，南方降温的空调安装在房子的上部就是这个道理．【同类拓展】在冬天，向玻璃杯内倒开水前，往往先到入一些温水，将杯子热一下后再将开水倒入杯中，这样做主要是为了( )A．清洁杯子B．使玻璃杯变得更容易热传递C．使玻璃杯内外温差不致过大，杯子不易损坏D．使玻璃杯内外温度相等，杯子不易损坏参考答案1．C 2．D 3．2；115 4．C 5．0.95KG 6．C。
高中物理竞赛热学讲义——物态变化
物态变化一、物态变化1、物态变化的特征自然界中的许多物质都是以固、液、气三种状态存在着的，它们在一定的条件（温度、压强）下既可以互相转变，也可以平衡共存。
不同物态之间的相互变化又称为相变。
物质固、液、气三态之间的转化有以下两个特征：（1）物态变化时体积变化；（2）物态变化时总伴随吸放一定的热量。
2、熔解与凝固物质由固态转变为液态的过程叫熔解，由液态转变为固态的过程叫凝固。
对于晶体来说，熔解是在一定的温度下进行的，该温度叫做这种晶体的熔点。
晶体在熔解的过程中要吸收热量，但温度保持在其熔点不变，直至全部熔解为止。
非晶体无一定的熔点。
非晶体在熔解或凝固过程中，温度不停地上升或下降。
对于大多数晶体，熔解时体积增大，但也有少数的晶体，如冰、锑、铋、灰铸铁在熔解时体积反而缩小。
晶体的熔点与晶体的种类有关。
晶体中掺杂质(指和这种晶体不同的别种元素)后，熔点一般要降低。
对于同一种晶体，其熔点与压强有关。
熔解时体积增大的物质，其熔点随压强的增加而增大；熔解时体积减小的物质，其熔点随压强的增大而减小。
晶体在熔解时，要吸收热量。
单位质量的某种物质，由固态熔解为液态时，所吸收的热量叫做该物质的熔解热。
单位是J／kg，用λ表示。
3、汽化和液化物质由液态转变为气态的过程叫汽化；由气态转变为液态的过程叫液化。
液体的汽化有蒸发和沸腾两种。
蒸发是发生在液体表面的汽化过程，它在任何温度下都可以进行。
沸腾是在整个液体内部发生的汽化过程，它只有在沸点下才能进行。
从微观上看，蒸发就是液体分子从液面跑出来的过程。
分子从液面跑出时，需要克服液体表面层中分子的引力做功，所以只有那些热运动动能较大的分子可以跑出来。
如果不吸收热量，就会使液体中剩余分子的平均动能减小，温度降低。
即蒸发时液体温度降低，从周围物体吸收热量，因而蒸发有致冷作用。
另一方面蒸气分子还会不断地返回液体中去，凝结成液体。
因此液体分子蒸发的数量，是液体分子跑出液面的数量，减去蒸气分子进入液面的数量。
【重点强化】开启物理新世界-热膨胀和热传递-讲义学案
【基础点拨】开启物理新世界之热膨胀和热传递1、热膨胀和热传递热现象热现象是自然界中很普遍的现象．当物体的温度发生变化时，物体的许多性质也会随之发生变化，如河水随着冬天的来临会结冰，冰又会随着春天的到来会融化，这种与温度有关的物理现象叫做热现象．一、物体的热膨胀1．一般物体在温度升高时膨胀，在温度降低时收缩取一个玻璃烧瓶，用一个带玻璃管的胶塞盖上，如图所示，在玻璃管的水平部分装一段带颜色的水柱．当用手给烧瓶加热时，这段水柱会向右移动，这是因为烧瓶中的空气受热温度升高时发生膨胀，体积增大．当手离开烧瓶后，水柱会向左移动，此时空气因温度降低而收缩，体积减小．各种气体都有这样的性质，即气体在温度升高时膨胀，在温度降低时收缩．若将烧瓶中灌满水，再用装有直玻璃管的胶塞盖上，此时水面会升到玻璃管中，在液面位置做标记，以便观察液面高低的变化．然后将烧瓶放入装有热水的烧杯中，如图所示，注意观察玻璃管中的液面，会发现液面上升．这是因为烧瓶中的水原来与室温相同，放入烧杯中后因受热温度升高而膨胀，所以液面上升．若将烧瓶从热水中取出，再观察液面位置，会发现液面下降．这是因为烧瓶中的水因温度下降而收缩的缘故．其他液体也有这样的性质，即液体在温度升高时膨胀，在温度降低时收缩．固体是否也有这种性质呢？我们取一个金属球和一个金属圈，此金属圈内径的大小刚好能使金属球通过．将金属球放在酒精灯上烧一段时间后，再放到金属圈上，发现金属球不能从金属圈中通过了，这个实验表明金属球受热温度升高发生膨胀．在停止加热一段时间后，金属球又能穿过金属圈了．这表明金属球温度降低后会收缩。
其他固体也有同样的性质，即：固体在温度升高时膨胀，在温度降低时收缩．2．气体、液体、固体都会在温度升高时膨胀，在温度降低时收缩但比较三次实验不难看出，气体只要用手加热就能看到明显的热膨胀；而液体则需要放在温度较高的热水中，才能观察到热膨胀现象；而金属球却要用火烧来加热，而人眼还不能看出它是否膨胀了，需要借助金属圈来判断金属球的体积是否增加了．可见气体、液体、固体受热膨胀的程度是不同的．在相同条件下，气体受热膨胀最显著，液体较小，固体最小．3．不同物质在相同条件下受热膨胀的程度一般是不同的如铝大于铜，铜大于铁．殷钢和石英玻璃在温度升高时体积变化很小，这使它们在实用上有很高的价值，可用于制造精密仪器．如标准时钟的钟摆．精密测量用的标准尺，都是用殷钢制造的．4．物体为什么会发生热膨胀用分子运动论的观点解释，即当物体的温度升高时，分子运动更加剧烈，使分子间距离增大的缘故．5．物体的体积随温度而变化，但其质量不变，因此同一物质在不同温度下密度不同由于固体体积随温度变化较小，在粗略的计算中常认为固态物质的密度值是不变的．气体密度受温度影响变化显著．6．水的反常膨胀水在受热膨胀时的情况与其他液体有所不同，当水温在0℃－4℃这一范围内，随着温度升高体积反而缩小．温度降低体积增大，这一现象称为水的反常膨胀．当水温高于4℃时，水的温度升高体积增大，与其他液体相同．一定质量的水在4℃时体积最小，因此水的密度在4℃时最大．7．当物体的热胀冷缩受到阻碍时会产生很大的力在工程技术上若没有适当的防护措施，会使建筑物等遭到严重的损坏．如在铺设铁轨时，两根铁轨之间要留空隙；建造长的铁桥时只有一端固定，另一端要架在滚轮上．这样当气温变化时，铁轨和铁桥能够自由伸缩，才不致损坏．夏天给自行车的轮胎打气不能太足，是为了防止轮胎内的气体受热膨胀将轮胎胀破．另一方面在工程技术上也常常利用固体的热胀冷缩，如在制造火车的车轮时，为了使车轮耐用，在轮上要套一个硬度大、耐磨损的轮箍，为了使它紧紧地套在轮上，轮箍的内径要做得比车轮稍小一点．在套轮箍前先将轮箍烧得很热，这样轮箍膨胀，内径变得稍大于车轮时将它套在车轮上，待轮箍冷却收缩后就紧紧箍在车轮上了．把滚珠轴承安装到钢轴上；热铆等都是利用类似的方法．人们还利用不同金属在相同条件下热膨胀不同，制成了双金属片．如将长、宽、厚都相同的铜片和铁片紧紧地铆合在一起制成的双金属片．当温度升高时，铜片比铁片膨胀得多，因此双金属片向铁片弯曲，当温度降低时，铜片比铁片收缩得多，此时双金属片向铜片弯曲．双金属片的这一特点在自动控制上发挥了重要作用，如恒温箱、自动防火报警装置等都是利用双金属片在温度变化时控制电路的通断来工作的．在制造机器、仪器或建筑工程中，又常常需要各种不同材料制成的物体热膨胀的情况是相同的，这就要求在选择材料及设计制造上加以考虑．如在电灯泡中，有一段金属线是包在玻璃中的，灯泡亮时灯丝温度升得很高，因此要求这段金属线与玻璃的热膨胀必须相同，金属线才不会把玻璃胀破，也不会与玻璃松脱造成灯泡漏气损坏．在钢筋混凝土建筑中，钢筋和混凝土的热膨胀也要相同，否则建筑物就不可能坚固．温度计也是利用物体热膨冷缩的性质制成的．二、热传递1．热传递的定义热从高温物体传到低温物体，或从物体的高温部分传到低温部分的现象叫做热传递．2．热传递的条件只要物体间或同一物体不同部分间存在着温度差，就会发生热传递，并且一直持续到温度相等时为止．同外界接触的物体，其内部温度各处均匀，并等于外界温度的状况称之为热平衡．如将金属块放在沸水中煮相当长一段时间后，若金属块各部分的温度都等于沸水温度时，即达到了热平衡，此时热传递停止．3．热传递的方式热传递能够以传导、对流、辐射三种方式进行．（1）传导传导是热沿着物体，从高温部分向低温部分，或从高温物体向低温物体传递．各种物质都能传热，但不同物质传热的本领不同．善于传热的物质叫做热的良导体，如各种金属都善于传导热，其中最善于传热的是银，其次是铜、铝．不善于传热的物质叫做热的不良导体，如木头、玻璃、纸、皮革、瓷等都是热的不良导体，最不善于传热的是羊毛、羽毛、毛皮、棉花、石棉、软木和其他松软的物质．液体除水银外都不善于传热．气体比液体更不善于传热．冬天穿棉衣、羽绒服觉得暖和，这是由于在棉花、羽绒的纤维间有不流动的空气，它是热的不良导体，因此身体的热不易散失．（2）对流将水壶放在火炉上加热，水很快就沸腾了，水是热的不良导体，火炉从水壶下面加热，上层水怎么变热呢？这是靠水的流动来完成的．靠液体或气体的流动来传递热的方式叫做对流。
物态变化和热传递知识点
物态变化和热传递知识点物态变化是物质从一种状态转变为另一种状态的过程，常见的物态变化包括固体的熔化、汽化，液体的凝固、汽化，气体的凝结、升华等。
而热传递则是指热量从高温区传递到低温区的过程。
在本文中，我们将详细介绍物态变化和热传递的相关知识点。
一、物态变化物态变化是由于温度或压力的变化引起的，下面我们将分别介绍不同物态变化的特点及过程。
1.固体的熔化和凝固固体的熔化是指将固体物质加热到一定温度时，固体内部的分子或原子开始振动剧烈，分子间的结合力逐渐减弱，最终使得固体由固态转变为液态。
而固体的凝固则是指将液体物质冷却到一定温度时，液体内部的分子或原子振动减弱，结合力增强，最终使得液体由液态转变为固态。
2.液体的汽化和凝结液体的汽化是指将液体加热到一定温度时，液体内部的分子或原子振动增强，结合力减小，最终使得液体由液态转变为气态。
而液体的凝结则是指将气体冷却到一定温度时，气体内部的分子或原子振动减弱，结合力增大，最终使得气体由气态转变为液态。
3.气体的凝结和升华气体的凝结是指将气体冷却到一定温度时，气体内部的分子或原子振动减弱，结合力增大，最终使得气体由气态转变为液态。
而气体的升华则是指将固体加热到一定温度时，固体内部的分子或原子振动增强，结合力减小，最终使得固体由固态转变为气态。
二、热传递热传递是热量从高温区传递到低温区的过程，常见的热传递方式包括导热、对流和辐射。
1.导热导热是指热量通过固体、液体或气体的传导而传递。
固体的导热主要依靠分子间的碰撞传递热量，热量从高温区传递到低温区。
导热的速率受到物质的导热系数和温度梯度的影响。
2.对流对流是指热量通过流体（液体或气体）的流动而传递。
当流体受热后，密度减小，上升；而冷却后，密度增大，下沉。
这种上升和下沉形成了对流，导致热量传递。
3.辐射辐射是指热量通过电磁波的辐射而传递。
热辐射不需要介质，可以在真空中传播。
辐射的强度与温度的四次方成正比，即辐射强度随温度的升高而增大。
热膨胀与热传递
热膨胀与热传递热膨胀和热传递是热学中两个重要的概念。
本文将分别介绍热膨胀和热传递的概念、原理、应用以及相关实验。
1. 热膨胀热膨胀指的是物体在温度变化时其尺寸会发生变化的现象。
这是由于物体的分子在温度升高时运动加剧，导致物体内部分子间的相互作用力减弱而使物体膨胀。
反之，当温度降低时，分子的运动减弱，相互作用力增强，物体缩小。
热膨胀的原理可以通过热力学和统计物理学解释。
根据理想气体状态方程和基尔霍夫定律，物体的体积与温度之间的关系可以用下式表示：ΔV = V₀ * α * ΔT其中，ΔV表示温度变化引起的体积变化，V₀为起始体积，α为热膨胀系数，ΔT为温度变化量。
热膨胀系数是物质的一个重要参数，不同材料的热膨胀系数各不相同。
热膨胀现象在实际生活中有广泛的应用。
例如，铁路铺轨时需要留出一定的伸缩空间以适应温度变化引起的钢轨膨胀；建筑物的设计中也需要考虑材料的热膨胀问题，以避免温度变化引起的结构变形和破坏。
2. 热传递热传递是指热量从高温物体传递到低温物体的过程。
热传递有三种基本机制：传导、对流和辐射。
2.1 传导传导是指热量在物体内部由高温区域传递到低温区域的过程。
这是由于物质内部分子间的相互作用力导致的能量传递。
传导的速率与物质的导热性有关，导热性好的物质传导速率较快，反之较慢。
传导的数学描述可以用傅里叶定律表示：Q = -k * A * ΔT/Δx其中，Q表示单位时间内通过物体的热量，k为物体的导热系数，A为热传导面积，ΔT为温度差，Δx为热传导路径长度。
2.2 对流对流是指流体（气体或液体）中的热量通过流动而进行传递的过程。
它是传导和运动的结合，通过流体的对流运动将热量从高温区域带到低温区域。
对流的速率与流体的速度、温度差和流体的性质有关。
对流可以分为自然对流和强制对流两种。
自然对流是由于密度差引起的流动，如热气体上升、冷气体下沉。
强制对流是通过外力（如风）或机械设备（如泵）进行流动的，如水的循环、空调的制冷。
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高二物理竞赛(5)物态变化、热传递和热膨胀-CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN高二物理竞赛（5）物态变化、热传递和热膨胀班级：_____________ 姓名：_________________ 座号：_____________一、物理小组的同学在寒冷的冬天做了一个这样的实验：他们把一个实心的大铝球加热到某温度t，然后把它放在结冰的湖面上（冰层足够厚），铝球便逐渐陷入冰内。
当铝球不再下陷时，测出球的最低点陷入冰中的深度h。
将铝球加实验顺序数 1 2345 6 7 8热铝球的温度55 70 85 92 104 110 120 140t/℃陷入深度h/cm 9.0 12.9 14.8 16.0 17.0 18.0 17.0 16.8已知铝的密度约为水的密度的3倍，设实验时的环境温度及湖面冰的温度均为0℃。
已知此情况下，冰的熔解热λ=3.34×105J/kg。
（1）试采用以上某些数据估算铝的比热c；（2）对未被你采用的实验数据，试说明不采用的原因，并作出解释。
二、在野外施工中，需要使质量m=4.20kg的铝合金构件升温。
除了保温瓶中尚存有温度t=90.0℃的1.200kg的热水外，无其他热源。
试提出一个操作方案，能利用这些热水使构件从温度t0=10℃升温到66.0℃以上（含66.0℃），并通过计算验证你的方案。
已知铝合金的比热容c=0.880×l03J·(kg·℃)-1，水的比热容c0=4.20×103J·(kg·℃)-1，不计向周围环境散失的热量。
三、地球上的能量从源头上说来自太阳辐射到达地面的太阳辐射（假定不计大气对太阳辐射的吸收）一部分被地球表面反射到太空，其余部分被地球吸收。
被吸收的部分最终转换成为地球热辐射（红外波段的电磁波）。
热辐射在向外传播过程中，其中一部分会被温室气体反射回地面，地球以此方式保持了总能量平衡。
作为一个简单的理想模型，假定地球表面的温度处处相同，且太阳和地球的辐射都遵从斯忒蕃一玻尔兹曼定律：单位面积的辐射功率J与表面的热力学温度T的四次方成正比，即J=σT4，其中σ是一个常量。
已知太阳表面温度T s=5.78×103K，太阳半径R s=6.69×105km，地球到太阳的平均距离d=1.50×108km。
假设温室气体在大气层中集中形成一个均匀的薄层，并设它对热辐射能量的反射率为ρ=0.38。
（1）如果地球表面对太阳辐射的平均反射率α=0.30，试问考虑了温室气体对热辐射的反射作用后，地球表面的温度是多少？（2）如果地球表面一部分被冰雪覆盖，覆盖部分对太阳辐射的反射率为α1=0.85，其余部分的反射率为α2=0.25，问冰雪覆盖面积占总面积多少时地球表面温度为273K。
四、温度开关用厚度均为0.20mm的钢片和青铜片作感温元件；在温度为20℃时，将它们紧贴，两端焊接在一起，成为等长的平直双金属片。
若钢和青铜的线膨胀系数分别为1.0×10-5/度和2.0×10-5/度，当温度升高到120℃时，双金属片将自动弯成圆弧形，如图所示。
试求双金属片弯曲的曲率半径。
（忽略加热时金属片厚度的变化）五、致冷机是通过外界对机器做功，把从低温处吸取的热量连同外界对机器做功所得到的能量一起送到高温处的机器；它能使低温处的温度降低，高温处的温度升高。
已知当致冷机工作在绝对温度为T1的高温处和绝对温度为T2的低温处之间时，若致冷机从低温处吸取的热量为Q，外界对致冷机做的功为W，则有Q W≤T2T1－T2，式中“=”对应于理论上的理想情况。
某致冷机在冬天作为热泵使用（即取暖空调机），在室外温度为-5.00℃的情况下，使某房间内的温度保持在20.00℃。
由于室内温度高于室外，故将有热量从室内传递到室外。
本题只考虑传导方式的传热，它服从以下的规律：设一块导热层，其厚度为l，面积为S，两侧温度差的大小为T，则单位时间内通过导热层由高温处传导到低温处的热量为H=k ΔTl S，其中k称为热导率，取决于导热层材料的性质。
（1）假设该房间向外散热是由面向室外的面积S=5.00m2、厚度l=2.00mm的玻璃板引起的。
已知该玻璃的热导率k=0.75W/(m·K)，电费为每度0.50元。
试求在理想情况下该热泵工作12h需要多少电费？（2）若将上述玻璃板换为“双层玻璃板”，两层玻璃的厚度均为2.00mm，玻璃板之间夹有厚度l0=0.50mm的空气层，假设空气的热导率k0=0.025W/(m·K)，电费仍为每度0.50元。
若该热泵仍然工作12h，问这时的电费比上一问单层玻璃情形节省多少？六、热机和热泵利用物质热力学循环实现相反功能：前者从高温处吸热，将部分热量转化为功对外输出，其余向低温处放出；后者依靠外界输入功，从低温处吸热，连同外界做功转化成的热量一起排向高温处，按热力学第二定律，无论热机还是热泵，若工作物质循环过程中只与温度为T1，T2的两个热源接触，则吸收的热量Q1，Q2满足不等式12120Q QT T+≤，其中热量可正可负，分别表示从热源吸热与向热源放热。
原供暖设备原本以温度T0的锅炉释放的热量向房间直接供暖，使室内温度保持恒温T1，高于户外温度T2。
为提高能源利用率，拟在利用原有能源的基础上采用上述机器改进供暖方案，与直接供暖相比，能耗下降的理论极限可达到多少？七、南极冰架崩裂形成一座巨型冰山，随洋流漂近一个城市。
有人设计了一个利用这座冰山来发电的方案，具体过程为：（a）先将环境中一定量的空气装入体积可变的容器，在保持压强不变的条件下通过与冰山接触容器内空气温度降至冰山温度；（b）使容器脱离冰山，保持其体积不变，让容器中的冰空气从环境中吸收热量，使其温度升至环境温度；（c）在保持容器体积不变的情况下让空气从容器中喷出，带动发电装置发电。
如此重复，直至整座冰山融化。
已知环境温度T a=293K，冰山的温度为冰的熔点T1=273K，可利用的冰山的质量m=1.0×1011kg，为了估算可能获得的电能，设计者做出的假设和利用的数据如下：1．空气可视为理想气体。
2．冰的熔解热L=3.34×105J/kg；冰融化成温度为T1的水之后即不再利用。
3．压强为p、体积为V的空气内能U=2.5pV。
4．容器与环境之间的热传导良好，可以保证喷气过程中容器中空气温度不变。
5．喷气过程可分解为一连串小过程，每次喷出的气体的体积都是u，且u远小于容器的体积。
在每个小过程中，喷管中的气体在内外压强差的作用下加速，从而获得一定动能ΔE，从喷嘴喷出。
不考虑喷出气体在加速过程中体积的改变，并认为在喷气过程中容器内的气体压强仍是均匀的，外压强的大气压。
6．假设可能获得的电能是ΔE总和的45％。
7．当|x|<<1时，ln(1+x)≈x。
试根据设计者的假设，计算利用这座冰山可以获得的电能。
八、一厚度为t的薄金属盘悬吊在温度为300.0K的空气中，其上表面受太阳直射，温度为360.0K，下表面的温度为340.0K。
空气的温度保持不变，单位时间内金属盘每个表面散失到空气中的能量与此表面和空气的温度差以及此表面的面积成正比，忽略金属盘侧面的能量损失。
若金属盘的厚度变为原来的2倍，求金属盘上、下表面的温度。
九、在水平放置的洁净的玻璃板上一些水银，由于重力与表面张力的影响，水银近似呈圆饼形状（侧面向外突出），过圆饼轴线的竖直截面如图所示。
为了计算方便，水银和玻璃的接触角可按180°计算。
已知水银的密度hρ=13.6×103kg/m3，水银的表面张力系数σ=0.49N/m。
当圆饼的半径很大时，试估算其厚度h的数值大约是多少（取1位有效数字即可）十、在一个横截面积为S的密闭容器中，有一个质量为M的活塞把容器隔成Ⅰ、Ⅱ两室，Ⅰ室中为饱和水蒸气，Ⅱ室中有质量为m的氮气。
活塞可在容器中无摩擦地滑动。
原来，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T0=373K，压强同为p0，如图1所示。
今将整个容器缓慢地转到图2所示的直立位置，两室内的温度仍是T0，并有少量水蒸气液化成水。
已知水的汽化热为L，水蒸气和氮气的摩尔质量分别为μ1和μ2。
求在整个过程中，Ⅰ室内的系统与外界交换的热量。
氮气水蒸气图复15 - 4 - 1图复15 - 4 -2ⅠⅡⅡⅠ图图十一、有人曾用如图所示的装置测量液体的体膨胀系数。
A 、B 为粗细均匀的U 形细玻璃管，竖直放置，两臂分别插在恒温容器C （较热的）和D （较冷的）内。
U 形管内盛有适量的待测液体。
通过测量C 、D 内的温度和U 形管两臂内液面的高度，就可计算出待测液体的体膨胀系数。
试导出计算公式。
不计玻璃管的热膨胀。
十二、正确使用高压锅（见图1）的办法是：将已加上密封锅盖的高压锅加热，当锅内水沸腾时，加上一定重量的高压阀，此时可以认为锅内空气已全部排除，只有水的饱和蒸汽。
继续加热，水温将继续升高，到高压阀被蒸汽顶起时，锅内温度即达到预期温度。
某一高压锅的预期温度为120℃，如果某人在使用此锅时，未按上述程序，而在水温被加热至90℃时就加上高压阀（可以认为此时锅内水汽为饱和汽），问当继续加热到高压阀开始被顶起而冒汽时，锅内温度为多少？已知：大气压强P 0=1.013×105帕；90℃时水的饱和汽压P W (90)=7.010×105帕；120℃时水的饱和汽压P W (120)=1.985×105帕；在90℃到120℃之间水的饱和汽压P W 和温度t （℃）的函数关系P W (t )如图2所示。
A B CD℃图复14 - 2 - 1图复14 - 2 - 2图图十三、如图所示，将端点相互连接的三根细线掷在水面上，其中第1、2条线各长1.5cm，第3条线长1cm。
（1）若在图中A点滴下某种杂质，使表面张力系数减小到原来的25，求每根线的张力；（2）然后又把该杂质滴在B点，求每根线的张力变为多少。
（已知水的表面张力系数σ=0.07N/m）十四、如图所示，使用一直径为d=0.1m，焦距f=0.5m的凸透镜B在一粗糙的黑色薄圆盘A上形成一个太阳C的聚焦像，像的大小与薄圆盘正好一样大。
假设太阳的黑体温度是T=6000K，太阳中心与地球中心距离为a=1.5×1011m，太阳半径为R S=1.4×109m，试问圆盘可能达到的最高温度是多少？十五、当压强不变、温度变化量Δt不太大时，液体或固体在某一温度下的体膨胀系数α可以表示为VV tα∆=∆，其中V为该温度时的体积，ΔV为体积的变化量。
一般来说，在常温下液体和固体的体膨胀系数分别为10-6/K和10-5/K量级。