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- 2021-05-23 发布
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学案4 物态变化中的能量交换
[考纲定位] 1.了解熔化热、汽化热,并能从微观角度解释相关过程.2.会计算与熔化热、汽化热相关的问题.3.能解释生活中有关熔化、凝固、汽化、液化的物理问题.
一、熔化热
[知识复习]
固体熔化时为什么会吸热?晶体和非晶体在熔化过程中有什么差别?
答案 固体熔化时要克服分子间引力做功,吸热能增加分子势能;晶体在熔化过程中温度不变,而非晶体在熔化过程中温度会发生变化.
[要点提炼]
1.熔化指的是物质从固态变成液态的过程,而凝固指的是物质从液态变成固态的过程.
2.熔化时吸热,凝固时放热.一定质量的晶体,熔化时吸收的热量与凝固时放出的热量相等.
3.熔化热:某种晶体熔化过程中所需的能量与其质量之比,称做这种晶体的熔化热.
4.不同的晶体有不同的结构,要破坏不同晶体的结构,所需的能量就不同.因此不同晶体的熔化热不相同.熔化热是晶体的热学特征之一.
5.非晶体熔化过程中温度会不断改变,而不同温度下物质由固态变为液态时吸收的热量是不同的,所以非晶体没有确定的熔化热.
6.熔化热的计算公式
如果用λ表示物质的熔化热,m表示物质的质量,Q表示物质熔化时所需要吸收的热量,则Q=λm.
熔化热的单位是:焦耳/千克,即J/kg.
7.熔化吸热,凝固放热的原因
固体物质分子受到其他分子的强大作用,被束缚在一定的位置附近振动.对固体加热,一部分分子的能量足以摆脱其他分子的束缚,从而可以在其他分子间移动,固体开始熔化,故熔化需要吸热.凝固是熔化的逆过程,所以要放出热量.
二、汽化热
[知识复习]
液体汽化时为什么会吸热?汽化热与哪些因素有关?
答案 液体汽化时,液体分子离开液体表面成为气体分子,要克服其他液体分子的吸引而做
功,因此要吸热.汽化热与物质汽化时的温度及外界气体压强有关.
[要点提炼]
1.汽化指的是物质从液态变成气态的过程,液化指的是从气态变成液态的过程.
2.某种液体汽化成同温度的气体时所需的能量与其质量之比,称作这种物质在这个温度下的汽化热.
3.汽化时吸热,液化时放热.一定质量的物质,在一定温度和压强下,汽化时吸收的热量与液化时放出的热量相等.
4.液体汽化时的汽化热与温度和外界气压都有关系.
5.汽化热的计算公式
设某物质在一个标准大气压时,沸点下的汽化热为L,物质的质量为m,则Q=Lm.汽化热的单位为:焦耳/千克,即J/kg.
6.汽化吸热,液化放热的原因
液体汽化时吸热,一方面是因为液体分子离开液体表面成为气体分子,要克服其他液体分子的吸引而做功,另一方面是液体汽化时体积膨胀要克服外界气压做功.液化是汽化的逆过程,所以要放出热量.
一、熔化热的理解及计算
例1 关于熔化及熔化热,下列说法正确的是( )
A.熔化热在数值上等于熔化单位质量晶体所需的能量
B.熔化过程吸收的热量等于该物质凝固过程放出的热量
C.熔化时,物质的分子动能一定保持不变
D.熔化时,物质的分子势能一定保持不变
解析 只有晶体熔化过程吸收的热量等于凝固过程放出的热量,并且温度保持不变,分子动能不变.熔化吸热,对于晶体而言,只增加分子势能.对非晶体上述关系都不成立.
答案 A
例2 一电炉的功率P=200 W,将质量m=240 g的固体样品放在电炉内,通电后电炉内的温度变化如图1所示,设电能全部转化为热能并全部被样品吸收,试问:该固体样品的熔点和熔化热为多大?
图1
解析 由题图知,样品的熔点为60 ℃,熔化时间t=2 min,电流做功W=Pt.
设样品的熔化热为λ,样品熔化过程中共吸收热量Q=mλ.由W=Q,即Pt=mλ,得λ== J/kg=1×105 J/kg.
答案 60 ℃ 1×105 J/kg
二、汽化热的理解和计算
例3 关于汽化热的概念,下列描述准确的是( )
A.某种液体在一定温度下汽化时所吸收的能量与其质量之比
B.某种液体沸腾时,所吸收的热量与其质量之比
C.某种液体在特定的温度下汽化时所吸引的能量与其质量之比
D.某种液体汽化成同温度的气体时所需的能量与其质量之比
解析 汽化热是某种液体汽化成同温度的气体时所需的能量与其质量之比,所以只有D正确.
答案 D
例4 水在不同温度下有不同的汽化热,温度升高,水的汽化热________(填“增大”或“减小”).水在100 ℃时的汽化热是 2.26×106 J/kg,它表示使1 kg、100 ℃的水变成100 ℃的水蒸气需吸热______,这些热量完全用于增加水分子的______.
解析 温度越高,水分子运动的平均动能越大,越容易克服液体内部的水分子对它的束缚变成气体分子,因此汽化所需热量减少;Q=mL=1 kg×2.26×106 J/kg=2.26×106 J.水在沸点变成同温度的水蒸气时,分子平均动能不变,分子势能增大.
答案 减小 2.26×106 J 分子势能
1.(熔化热的理解)关于熔化热,下列说法正确的是( )
A.熔化热只与物质的种类有关
B.熔化热只与物质的质量有关
C.熔化热与物质的种类、质量都有关
D.以上说法都不正确
答案 A
解析 要理解熔化热就要从熔化热的概念入手,熔化热是指晶体熔化过程中所需能量与其质量的比值,故A正确.
2.(熔化热的理解)下列说法中正确的是( )
A.晶体有确定的熔化热,非晶体没有确定的熔化热
B.不同的晶体的熔化热不同
C.晶体熔化时吸收热量而温度不变,主要用于增加分子势能
D.一定质量的晶体,熔化时吸收的热量与凝固时放出的热量不相等
答案 ABC
解析 只有晶体才有固定的熔点,有确定的熔化热,A正确;熔化热与晶体的种类有关,B正确;晶体熔化时吸收热量,内能增加,但温度不变,分子平均动能不变,因此吸收的热量主要增加分子势能,C正确;一定质量的晶体,熔化时吸收的热量与凝固时放出的热量相等,D错误.
3.(汽化热的理解)用吹风机的热风吹一支蘸了酒精的温度计时,温度计的示数是( )
A.先降低后升高 B.先升高后降低
C.一直降低 D.一直升高
答案 A
解析 温度计表面的酒精要发生蒸发现象,因此要从温度计吸热,故温度计温度先降低;当蒸发完毕后,因为是热风,温度计的温度又会升高,故选A.
4.(汽化热的理解)100 ℃的水完全变成100 ℃的水蒸气的过程中( )
A.水分子的平均动能增加
B.水分子的势能增加
C.水所增加的内能小于所吸收的热量
D.水所增加的内能等于所吸收的热量
答案 BC
解析 温度不变,水分子的平均动能不变,故A错误.吸收热量使水分子的势能增加,故B正确.吸收的热量一部分增加水的内能,另一部分对外界大气做功,故C正确,D错误.
物态变化中的能量交换
题组一 熔化、凝固与熔化热
1.关于物质的熔化和凝固,下列说法正确的是( )
A.各种固体都有确定的熔点
B.各种固体都有确定的凝固点
C.各种晶体的熔点相同
D.非晶体熔化要吸热,温度不断上升
答案 D
解析 固体包括晶体和非晶体,只有晶体具有确定的熔点,且不同晶体的熔点一般不同.非晶体熔化时要吸热,在熔化过程中温度不断升高.
2.晶体在熔化过程中,吸收热量的作用是( )
A.增加晶体的温度
B.克服分子间引力,增加分子势能
C.克服分子间引力,使分子平均动能增加
D.既增加分子平均动能,也增加分子势能
答案 B
解析 晶体熔化时温度不变,分子平均动能不变,吸收的热量用于增加分子势能.
3.质量相等的0 ℃的冰比0 ℃的水使热的物体冷却效果好的原因是( )
A.冰实际上比水冷
B.冰的比热容比水的比热容大些
C.冰变成水有一个熔化过程,要吸收一定热量
D.冰含的热量比同质量水所含的热量少
答案 C
解析 0 ℃的冰先要进行熔化,在熔化过程中要吸收一定的热量,之后才变成0 ℃的水.
4.下列四个图象中,属于晶体凝固图象的是( )
答案 C
解析 首先分清晶体与非晶体的图象.晶体凝固时有确定的凝固温度,非晶体没有确定的凝固温度,故A、D图象是非晶体的图象;其次分清熔化时在达到熔点前是吸收热量,温度升高,而凝固过程则恰好相反,故C正确.
5.大烧杯中装有冰水混合物,在冰水混合物中悬挂一个小试管,试管内装有冰,给大烧杯加热时,以下现象正确的是( )
A.烧杯内的冰和试管内的冰同时熔化
B.试管内的冰先熔化
C.在烧杯内的冰熔化完以前,试管内的冰不会熔化
D.试管内的冰始终不会熔化
答案 C
解析 熔化需要满足两个条件:达到熔点和继续吸热.
烧杯中冰水混合物温度与试管中的冰达到热平衡时温度相等,不发生热传递,因此在烧杯内的冰熔化完以前,试管内的冰不会熔化.
6.如图1所示,试说明晶体从开始加热到全部熔化为液体的过程中内能的转化情况(分熔化前、熔化时、熔化后三个阶段说明).
图1
答案 见解析
解析 熔化前:晶体从外界吸收热量,主要用来增加组成点阵结构的分子的平均动能,使晶体的温度升高,也有小部分能量用来增加分子的势能.
熔化时:当温度升高到熔点时,点阵结构中的一部分分子已有足够的动能,能够克服其他分子的束缚离开平衡位置,破坏点阵结构,晶体开始熔化.继续加热,晶体所吸收的热量不再用来增加分子的平均动能,而完全用在破坏点阵结构上,即用来增加势能.
熔化后:液体吸收的能量主要转变为分子动能,只要继续加热,温度就要升高.
题组二 汽化、液化与汽化热
7.下列液体现象中属于降低气体温度而液化的是( )
A.霜的形成
B.自然界中的雾和露
C.自来水管外壁的小水珠
D.锅炉出气口喷出的“白汽”
答案 BCD
8.能使气体液化的方法是( )
A.在保持体积不变的情况下,不断降低气体的温度
B.在保持体积不变的情况下,使气体温度升高
C.在保持温度不变的情况下增大压强,能使一切气体液化
D.降低气体的温度到某个特殊温度以下,然后增大压强
答案 AD
解析 从能量转换的角度分析只要放出热量,就可以使气体液化,但从影响气体液化的因素分析,只要无限度地降低温度或降低温度到某一特定值以下,再增大压强就可以使气体液化.
9.吉尼斯大全中,记述了一个人赤着脚在650 ℃的燃烧着的一长堆木炭上步行约7.5米的“世界之最”纪录.下面说法正确的是( )
A.这个表演者一定在脚下事先抹上了一种高级绝热防护剂
B.这个表演者一定是跳跃式地走过去的,这样做接触时间短,炭火来不及灼伤脚
C.这个表演者一定是用汗脚踩在炭火上一步步轻轻地走过去的
D.这个表演者一定是轻轻地踮着脚走过去的,这样做接触面积小,即使灼伤也不厉害
答案 C
解析 当赤着的脚踩上炭火时,灼热的炭火使脚底的汗水迅速汽化,立即在脚底下形成一个很薄的蒸气层.由于气体是热的不良导体,在一段短暂的时间内,对脚底板起到绝热防护作用,行走中步与步之间脚上流出的汗水部分地补偿了汽化所需的水分.如果脚底下还沾上了一层炭灰(未汽化完的汗水成为调合剂),将使表演者能多走上几步.这里的关键是表演者要有足够的汗水和不让保护层失效,所以只能是轻轻地一步一步走.因为跳跃、踮着脚走均不能提供足够的汗水,且容易使脚陷进炭火,从而使保护层失效,C正确.
题组三 熔化热与汽化热的综合考查
10.火箭在大气中飞行时,它的头部跟空气摩擦发热,温度可达几千摄氏度,在火箭上涂有一层特殊材料,这种材料在高温下熔化并且汽化,能起到防止烧坏火箭头部的作用,这是因为( )
A.熔化和汽化都放热
B.熔化和汽化都吸热
C.熔化吸热,汽化放热
D.熔化放热,汽化吸热
答案 B
解析 物质在熔化和汽化过程中都是吸收热量的,故选项B正确.
11.绝热容器里盛有少量温度为0 ℃的水,从容器里迅速往外抽气的时候,部分水急剧地蒸发,而其余的水都凝结成0 ℃的冰.则凝结成的冰的质量是原有水质量的多少倍?已知0 ℃的水的汽化热L=2.49×106 J/kg,冰的熔化热λ=3.34×105 J/kg.
答案 0.88
解析 水蒸发时需要的热量是由其余的水凝结成冰所释放的热量提供的.
设蒸发的水的质量是m1,凝结成的冰的质量是m2,蒸发所需吸收的热量Q1=m1L,水凝结成冰放出的热量Q2=m2λ,由于容器与外界不发生热交换,则Q1=Q2,即m1L=m2λ
得=
所以凝结成的冰的质量与原有水的质量之比为
==≈0.88.