高中物理竞赛辅导 4.4.3 固液相变与固气相变.doc
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1、 4.3固液相变与固气相变431、固液相变熔解物质从固态变成液态,叫做熔解。对于晶体来说,熔解就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。对于大多数晶体,熔解时体积增大,但还有少数的晶体,如冰、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,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,要吸收的热量,单位质量的某种物质,由固态熔解为液态时,所吸收的热量叫做物质的熔解热,记为,因此对质量为m的物体全部熔解所需
2、吸收的热量Q=m。凝固物质由液相变为固相称为凝固。其中晶体的熔液凝固时形成晶体,这个过程又称为结晶。结晶的过程是无规则排列的粒子形成空间点阵的过程,在此期间,固、液两态平衡共存,温度保持不变。在结晶过程中,单位质量的物质对外释放的热量称为凝固热。它与该物质在同温度下的熔解热相同。432、固气相变物质从固态直接变为气态的过程叫做升华。从气态直接转变为固态的过程叫凝华。常温常压下,干冰、硫、磷等有显著的升华现象。大气中水蒸气分压低于4.6mmHg,气温降到0以下,水蒸气便直接凝华成冰晶为结霜。升华时粒子直接由点阵结构变为气体分子,一方面要克服粒子间的作用力做功,同时还要克服外界压强作功。使单位质量
3、的物质升华时所吸收的热力做功,同时还要克服外界压强做功。使单位质量的物质升华时所吸收的热量称为升华热,它等于汽化热与熔解热之和,即。例:已知冰、水和水蒸气在一密闭容器内(容器内没有任何其他物质),如能三态平衡共存,则系统的温度和压强必定分别是和。现有冰、水和水蒸气各1g处于上述平衡状态。若保持总体积不变而对此系统缓慢加热,输入的热量Q=0.255kJ。试估算系统再达到平衡后,冰、水和水蒸气的质量。已知此条件下冰的升华热;水的汽化热。分析:。比较与Q的大小关系,判断出冰不能全部熔化,物态变化过程中始终是三态共存且接近平衡,所以系统的温度和压强均不变。解:估算在题给温度和压强条件下水蒸气的密度,M
4、是水蒸气的摩尔质量,代入数据,得。同样条件下水的密度,。水的三个状态在质量相同条件下,水蒸气的体积远大于水和冰的体积之和。又已知冰熔化成水时体积变化不大。在总体积不变的条件下,完全可以认为这系统的物态变化中水蒸气的体积不变,也就是系统再次平衡时水蒸气的质量是1g。这样,系统的物态变化几乎完全是冰熔化为水的过程。设再次平衡后冰、水、水蒸气的质量分别是x、y、z,则有z=1gx+y=2g将Q、数值代入得x=0.25g,y=1.75g。例:两个同样的圆柱形绝热量热器,高度均为h=75cm。第一个量热器1/3部分装有水,它是预先注入量热器内的水冷却而形成的:第二个量热器内1/3部分是温度=10的水。将
5、第二个量热器内的水倒入第一个量热器内时,结果它们占量热器的2/3。而当第一个量热器内的温度稳定后,它们的高度增加了t=0.5cm。冰的密度,冰的熔解热=340kJ/kg,冰的比热,水的比热。求在第一个量热器内冰的初温。解:如果建立热平衡后,量热器内物体的高度增加了,这意味着有部分水结冰了(结冰时水的体积增大),然后可以确信,并不是所有的水都结冰了,否则它的体积就要增大到倍,而所占量热器的高度要增加,其实按题意t只有0.5cm,于是可以作出结论,在量热器内稳定温度等于0。利用这个条件,列出热平衡方程 式中是冰的初温,而m是结冰的水的质量。前面已指出,在结冰时体积增大到倍,这意味着 式中S是量热器
6、的横截面积,从式中得出m代入式,并利用关系式得到。由此得 即 代入数据得 =-54.6说明 处理物态变化问题,确定最终的终态究竟处于什么状态十分重要,对本题,就可能存在有三种不同的终态:a、只有冰;b、冰和水的混合物;c、只有水。当然如能用定性分析的方法先确定末状态则可使解题变得较为简捷。2-3 热力学第二定律231、卡诺循环物质系统经历一系列的变化过程又回到初始状态,这样的周而复始的变化过程为循环过程,简称循环。在P-V图上,物质系统的循环过程用一个闭合的曲线表示。经历一个循环,回到初始状态时,内能不变。利用物质系统(称为工作物)持续不断地把热转换为功的装置叫做热机。在循环过程中,使工作物从
7、膨胀作功以后的状态,再回到初始状态,周而复始进行下去,并且必而使工作物在返回初始状态的过程中,外界压缩工作物所作的功少于工作物在膨胀时对外所做的功,这样才能使工作物对外做功。获得低温装置的致冷机也是利用工作物的循环过程来工作的,不过它的运行方向与热机中工作物的循环过程相反。卡诺循环是在两个温度恒定的热源之间工作的循环过程。我们来讨论由平衡过程组成的卡诺循环,工作物与温度为的高温热源接触是等温膨胀过程。同样,与温度为的低温热源接触而放热是等温压缩过程。因为工作物只与两个热源交换能量,所以当工作物脱离两热源时所进行的过程,必然是绝热的平衡过程。如图2-3-1所示,在理想气体卡诺循环的P-V图上,曲
8、线ab和cd表示温度为和的两条等温线,曲线bc和da是两条绝热线。我们先讨论以状态a为始点,沿闭合曲线abcda所作的循环过程。在abc的膨胀过程中,气体对外做功是曲线abc下面的面积,在cda的压缩过程中,外界对气体做功是曲线cda下面的面积。气体对外所做的净功就是闭合曲线abcda所围面积,气体在等温膨胀过程ab中,从高温热源吸热,气体在等温压缩过程cd中,向低温热源放热。应用绝热方程 和 得 所以 0V1V4V2V3VT1T2图2-3-1卡诺热机的效率我们再讨论理想气体以状态a为始点,沿闭合曲线adcba所分的循环过程。显然,气体将从低温热源吸取热量,又接受外界对气体所作的功W,向高温热
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