2019-2020年高中物理 第九章 固體、液體和物態(tài) 第4講 物態(tài)變化中的能量交換學(xué)案 新人教版選修3-3.doc

2019-2020年高中物理 第九章 固體、液體和物態(tài) 第4講 物態(tài)變化中的能量交換學(xué)案 新人教版選修3-3 [目標(biāo)定位]　1.知道熔化和凝固、汽化和液化的物態(tài)變化過(guò)程.2.知道物態(tài)變化過(guò)程中伴隨能量的交換.3.掌握能量守恒定律． 一、熔化熱 1．熔化和凝固 熔化：物質(zhì)從固態(tài)變成液態(tài)的過(guò)程． 凝固：物質(zhì)從液態(tài)變成固態(tài)的過(guò)程． 2．熔化熱 某種晶體在熔化過(guò)程中所需的能量與其質(zhì)量之比，稱做這種晶體的熔化熱． 二、汽化熱 1．汽化和液化 汽化：物質(zhì)從液態(tài)變成氣態(tài)的過(guò)程． 液化：物質(zhì)從氣態(tài)變成液態(tài)的過(guò)程． 2．汽化熱 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，稱做這種物質(zhì)在這個(gè)溫度下的汽化熱． 一、熔化熱的理解與計(jì)算 1．熔化時(shí)吸熱，凝固時(shí)放熱．固態(tài)物質(zhì)的分子受到周圍其他分子的強(qiáng)大作用，被束縛在一定的位置振動(dòng)，只有加熱吸收熱量，分子動(dòng)能增加，才能擺脫其他分子的束縛，從而可以在其他分子之間移動(dòng)，于是固體開始熔化． 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． 3．不同的晶體有不同的空間點(diǎn)陣，要破壞不同物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，所需的能量就不同．因此不同晶體的熔化熱也不相同． 4．非晶體液化過(guò)程中溫度會(huì)不斷改變，而不同溫度下物質(zhì)由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)時(shí)吸收的熱量是不同的，所以非晶體沒(méi)有確定的熔化熱． 例1　關(guān)于固體的熔化，下列說(shuō)法正確的是(　　) A．固體熔化過(guò)程，溫度不變，吸熱 B．固體熔化過(guò)程，溫度升高，吸熱 C．常見的金屬熔化過(guò)程，溫度不變，吸熱 D．對(duì)常見的金屬加熱，當(dāng)溫度升高到一定程度時(shí)才開始熔化 答案　CD 解析　只有晶體熔化時(shí)，溫度才不變；在溫度達(dá)到熔點(diǎn)之前，吸收的熱量主要用來(lái)增加分子的平均動(dòng)能，因而溫度一直升高；當(dāng)溫度達(dá)到熔點(diǎn)開始熔化時(shí)就不再變化． 借題發(fā)揮　(1)晶體熔化過(guò)程，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)． (2)非晶體沒(méi)有空間點(diǎn)陣，熔化時(shí)不需要去破壞空間點(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． 例2　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 D．可能是液體 E．可能是固液共存 答案　CDE 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)晶體在降溫到一定溫度時(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． 二、汽化熱的理解與計(jì)算 1．液體汽化時(shí)，液體分子離開液體表面，要克服其他分子的吸引而做功，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，所以液體汽化時(shí)的汽化熱與溫度和外界氣壓都有關(guān)系． 2．一定質(zhì)量的物質(zhì)，在一定溫度和壓強(qiáng)下，汽化時(shí)吸收的熱量與液化時(shí)放出的熱量相等． 例3　有人說(shuō)被100 ℃的水蒸氣燙傷比被100 ℃的水燙傷更為嚴(yán)重，為什么？ 答案　100 ℃的水蒸氣本身溫度已經(jīng)很高，當(dāng)它遇到相對(duì)冷的皮膚還會(huì)液化放出熱量，所以被100 ℃的水蒸氣燙傷比被100 ℃的水燙傷更為嚴(yán)重． 借題發(fā)揮　解題的關(guān)鍵是應(yīng)明確汽化熱，即100 ℃的水蒸氣液化并降溫時(shí)放出的熱量比100 ℃的水溫度降低時(shí)放出的熱量多得多． 三、從能量和微觀的角度分析熔化過(guò)程與汽化過(guò)程的不同 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)克服外界壓強(qiáng)做功． 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． 熔化熱的理解與計(jì)算 1．質(zhì)量相同的下列物質(zhì)熔化熱最大的是(　　) A．鋁在熔化過(guò)程中吸收了395.7 kJ能量 B．銅在熔化過(guò)程中吸收了205.2 kJ能量 C．碳酸鈣在熔化過(guò)程中吸收了527.5 kJ能量 D．氯化鈉在熔化過(guò)程中吸收了517.1 kJ能量 答案　C 解析　熔化過(guò)程中單位質(zhì)量的物體吸收的熱叫做熔化熱． 汽化熱的理解與計(jì)算 2．1 g 100 ℃的水與1 g 100 ℃的水蒸氣相比較，下列說(shuō)法正確的是(　　) A．分子的平均動(dòng)能與分子的總動(dòng)能都相同 B．分子的平均動(dòng)能相同，分子的總動(dòng)能不同 C．內(nèi)能相同 D．1 g 100 ℃的水的內(nèi)能小于1 g 100 ℃的水蒸氣的內(nèi)能 答案　AD 解析　溫度是分子平均動(dòng)能的標(biāo)志，因而在相同的溫度下，分子的平均動(dòng)能相同，又1 g水與1 g水蒸氣的分子數(shù)相同，因而分子總動(dòng)能相同，A正確；100 ℃的水變成100 ℃的水蒸氣，分子距離變大，要克服分子引力做功，因而分子勢(shì)能增加，所以100 ℃水的內(nèi)能小于100 ℃水蒸氣的內(nèi)能． 3．在壓強(qiáng)為1.01105 Pa時(shí)，使10 kg 20 ℃的水全部汽化，需要吸收的熱量是多少？[已知水的比熱容為4.2103 J/(kg℃)，100 ℃時(shí)水的汽化熱為L(zhǎng)＝2 260 kJ/kg] 答案　2.596107 J 解析　壓強(qiáng)為1.01105 Pa時(shí)，水在達(dá)到沸點(diǎn)時(shí)的汽化熱為2 260 kJ/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＋mL＝4.210310(100－20)J＋102 260103 J＝2.596107 J. 物態(tài)變化中的能量轉(zhuǎn)換 4．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；其次分清熔化時(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C正確. (時(shí)間：60分鐘) 題組一　熔化和熔化熱 1．晶體在熔化過(guò)程中，吸收熱量的作用是(　　) A．增加晶體的溫度 B．克服分子間引力，增加分子勢(shì)能 C．克服分子間引力，使分子動(dòng)能增加 D．既增加分子動(dòng)能，也增加分子勢(shì)能 答案　B 解析　晶體在熔化過(guò)程中，溫度不變所以分子平均動(dòng)能不變，吸收的熱量增加分子勢(shì)能． 2．為了澆鑄一個(gè)銅像，使用的材料是銅，則此過(guò)程的物態(tài)變化是(　　) A．一個(gè)凝固過(guò)程 B．一個(gè)熔化過(guò)程 C．先熔化后凝固 D．先凝固后熔化 答案　C 解析　澆鑄銅像必須將銅先化成銅水澆入模子，待冷卻后才能成為銅像． 3．大燒杯中裝有冰水混合物，在冰水混合物中懸掛一個(gè)小試管，試管中裝有冰，給大燒杯加熱時(shí)，以下現(xiàn)象中正確的是(　　) A．燒杯中的冰和試管內(nèi)的冰同時(shí)熔化 B．試管內(nèi)的冰先熔化 C．在燒杯內(nèi)的冰熔化完以前，試管內(nèi)的冰不會(huì)熔化 D．試管內(nèi)的冰始終不熔化 答案　C 解析　物體間要發(fā)生熱傳遞的條件是兩者間存在溫度差．冰水混合物中的冰熔化完以前，溫度仍保持在0 ℃.當(dāng)試管中的冰達(dá)到0 ℃時(shí)，兩者不再傳遞熱量，故開始時(shí)試管內(nèi)的冰不能熔化，只有當(dāng)燒杯中的冰熔化完畢，溫度開始上升時(shí)，試管中的冰才開始熔化，所以C選項(xiàng)正確． 題組二　汽化和汽化熱 4．下列說(shuō)法正確的是(　　) 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．不同非晶體的熔化熱不相同 D．汽化熱與溫度、壓強(qiáng)有關(guān) 答案　ABD 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；非晶體液化過(guò)程中溫度會(huì)不斷變化，而不同溫度下物質(zhì)由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)時(shí)吸收的熱量是不同的，所以非晶體沒(méi)有確定的熔化熱，故C不正確；汽化熱與溫度、壓強(qiáng)都有關(guān)，故D正確． 5．下列液化現(xiàn)象中屬于降低氣體溫度而液化的是(　　) A．家用液化石油氣 B．自然界中的霧和露 C．自來(lái)水管外壁的小水珠 D．鍋爐出氣口噴出的“白汽” 答案　BCD 6．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)特殊溫度以下，然后增大壓強(qiáng) 答案　AD 解析　從能量轉(zhuǎn)換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． 7．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． 8．在大氣壓強(qiáng)為1.013105Pa的條件下，要使m＝2.0 kg、t＝100 ℃的水全部變成水蒸氣，至少需要多少熱量？(水的汽化熱L＝2.26106J/kg) 答案　4.52106 J 解析　100 ℃水全部變成水蒸氣，需要吸收的熱量： Q＝mL＝2.02.26106 J＝4.52106 J 題組三　綜合應(yīng)用 9．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 ℃的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)． 10．關(guān)于液體的汽化，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)溫度相對(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 11．在一個(gè)大氣壓下，1克100 ℃的水吸收2.26103 J熱量變?yōu)?克100 ℃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．2.26103 J＝汽的內(nèi)能＋水的內(nèi)能 B．2.26103 J＝汽的內(nèi)能－水的內(nèi)能 C．2.26103 J＝汽的內(nèi)能＋水的內(nèi)能＋水變成水蒸氣時(shí)體積膨脹對(duì)外界做的功 D．2.26103 J＝汽的內(nèi)能－水的內(nèi)能＋水變成水蒸氣時(shí)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)． 12．橫截面積為3 dm2的圓筒內(nèi)有0.6 kg的水，太陽(yáng)光垂直照射了2 min，水溫升高了1 ℃，設(shè)大氣頂層的太陽(yáng)能只有45%到達(dá)地面，試估算出太陽(yáng)的全部輻射功率為多少？(保留一位有效數(shù)字，設(shè)太陽(yáng)與地球之間的平均距離為1.51011 m) 答案　41026 W 解析　水溫升高1 ℃所吸收的熱量設(shè)為Q，則Q＝cmΔt＝4.21030.61 J＝2.52103 J．設(shè)地球表面單位時(shí)間、單位面積上獲得的熱量為Q′，則Q′＝＝ W/m2＝7.0102 W/m2.太陽(yáng)向地球表面單位面積上輻射能量的功率為P′＝＝≈1.56103 W/m2.以太陽(yáng)與地球間距離為半徑的球體的表面積為S′＝4πr2＝43.14(1.51011)2m2≈2.81023 m2，太陽(yáng)的全部輻射功率為P＝P′S′＝1.561032.81023 W≈41026 W.