2015版高中物理人教版选修3-3讲义：9.4　物态变化中的能量交换

课时9.4　物态变化中的能量交换
1.了解固体的熔化热,并知道不同固体有不同的熔化热。
2.了解液体的汽化热,了解液体变为气体时吸收热量是为了克服分子引力做功和克服大气压力做功。
3.了解气体液化在生产、生活与科学技术中的应用。
4.会用熔化热和汽化热计算物态变化中的有关问题,体会能的转化与守恒在物态变化中的应用。
重点难点:知道熔化和熔化热、汽化和汽化热的概念,会用熔化热和汽化热处理有关问题。会用微观结构的变化解释熔化热、汽化热。
　　教学建议:本节教材内容理论性、应用性 ( http: / / www.21cnjy.com )很强,重点是让学生了解熔化及熔化热、汽化及汽化热的概念,物态变化时能量是怎样转化的,对吸热或放热的判断,热量怎样计算,等等。学生学习时应重点探讨从微观结构用能量观点对熔化热和汽化热加以认识、解释,探究影响因素。在教法上列举生活、生产、科技应用中的现象说明、解释;用图表数据和汽化热随温度的变化曲线进行说明;通过例题加深学生对内容的理解和记忆。
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导入新课:冰箱是现代家庭常用的一种电器,有了冰箱,我们的许多食物都能够得到很好的保鲜和储存。那么,你知道冰箱能够制冷的原理吗
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1.熔化热　熔化
(1)熔化指的是物质从①固态变成②液态的过程,而凝固则是熔化的③逆过程,熔化过程吸热。
(2)晶体熔化过程中所需的能量与其质量之比,称作这种晶体的④熔化热。
2.汽化热　汽化
(1)汽化是指物质从⑤液态变成⑥气态的过程,而液化则是汽化的逆过程,汽化过程吸热。
(2)液体汽化成同等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⑦汽化热。
1.100 ℃的水和100 ℃的水蒸气都可能烫伤人,但往往水蒸气烫伤人的后果严重一些,这是什么原因
解答:水蒸气烫伤人时有个液化的过程,水蒸气在液化变成100 ℃的水时会放出大量的热,故水蒸气烫伤人的后果更严重。
2.俗话说“下雪不冷化雪冷”,你知道这是什 ( http: / / www.21cnjy.com )么原因吗 天热的时候人为什么会出汗 出汗时如果再吹电风扇会感到更凉爽,你能用所学知识解释这些生活现象吗
　　解答:因为雪融化时要吸收大量的热,所以 ( http: / / www.21cnjy.com )化雪时更冷。水蒸发汽化时也需吸收热量,所以高温天气人体靠汗液的蒸发带走热量,维持正常体温,且空气流动后蒸发加快。
3.判断下列说法是否正确:
(1)凝固指的是物质从气态变成固态的过程。
(2)晶体熔化时从外界吸收热量,其温度不断升高。
解答:(1)凝固指的是物质从液态变成固态的过程,故(1)错。
(2)晶体熔化时从外界吸收热量,但其温度不变,故(2)错。
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主题1:熔化热
问题:阅读课本中“熔化热”标题下的内容,回答下列问题。
(1)为什么固体在熔化的过程中会吸热
(2)晶体熔化时从外界吸收的热量消耗在哪里 其温度如何变化
(3)为什么不同晶体的熔化热不同 为什么非晶体没有确定的熔化热
解答:(1)固态物质的分子 ( http: / / www.21cnjy.com )受到周围其他分子的强大作用,被束缚在一定的位置,只能在这一位置附近振动。对固体加热,当温度升高到一定程度时,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之间移动,于是固体开始熔化。
(2)晶体熔化时从外界吸收的热量用来破坏晶体的分子结构,增加分子势能。故晶体熔化过程中温度不变。
(3)一定质量的晶体,熔化时吸收的热量 ( http: / / www.21cnjy.com )与凝固时放出的热量相等。不同的晶体有不同的结构,要破坏不同物质的结构,所需要的能量也就不同。因此,不同晶体的熔化热也不相同。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。
知识链接:晶体熔化过程中,当温度达 ( http: / / www.21cnjy.com )到熔点时,吸收的热量全部用来破坏空间点阵,增加分子势能,而分子平均动能却保持不变,所以晶体有固定的熔点。非晶体没有空间点阵,吸收的热量主要转化为分子的动能,不断吸热,温度就不断上升。
主题2:对汽化和汽化热的理解
问题:阅读课本中“汽化热”标题下的内容,回答下列问题。
(1)液体汽化时为什么会吸热 汽化热与哪些因素有关
(2)液体变气体的汽化过程也是一种物态变化,此变化过程中能量如何变化
解答:(1)液体汽化时,液体分子离 ( http: / / www.21cnjy.com )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。
(2)液体汽化时,由于体积明显增大,吸收热量,一部分用来克服分子间引力做功,另一部分用来克服外界压强做功。
知识链接:一定质量的某种物质,在一定的温度和压强下,汽化时吸收的热量与液化时放出的热量相等。
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1.(考查熔化热的物理意义)晶体在熔化过程中所吸收的热量,将主要用于(　　)。
A.增加分子的动能
B.增加分子的势能
C.既增加分子的动能,也增加分子的势能
D.既不增加分子的动能,也不增加分子的势能
【解析】晶体在熔化过程中吸收的热量全部用来破坏分子结构,增加分子势能;温度不变,分子动能不变,选项B正确,A、C、D错误。
【答案】B
　　【点评】对固体加热,在开始熔化之前,获得 ( http: / / www.21cnjy.com )的能量主要转化为分子的动能,使物体温度升高,当温度升高到一定程度,一部分分子的能量足以克服其他分子的束缚,从而可以在其他分子间移动,固体开始熔化。
2.(考查气体液化的实例分析)深秋的早晨起床时可看到房间玻璃窗上有许多小水珠,这些水珠在(　　)。
A.窗玻璃朝房内的一面
B.窗玻璃朝房外的一面
C.窗玻璃的里外两面
D.不能断定在哪一面
【解析】深秋的早晨起床时可 ( http: / / www.21cnjy.com )看到房间玻璃窗上有许多小水珠,这是屋内水蒸气靠近窗玻璃时降温导致的液化现象,故水珠出现在屋内的一面,选项A正确,B、C、D错误。
【答案】A
　　【点评】一定质量的某种物质在外界条件相同的情况下,液体汽化时吸收的热量与气体液化时放出的热量相等。
3.(考查熔化热与物体内能的关系)质量相同,温度都是0 ℃的水和冰的内能相比较,下列说法正确的是(　　)。
A.水的内能多,因为水凝结成冰时要放出热量,内能减少
B.冰的内能多,因为冰的密度比水的小,水凝结成冰时,体积是增大的,分子的势能是增大的
C.它们的内能是相等的,因为它们的温度相等
D.无法比较,因为它们的体积不一样
【解析】因为质量和温度相 ( http: / / www.21cnjy.com )同,所以冰和水的分子平均动能相同;但冰在融化成同温度的水时,要吸收热量增加分子势能,所以水的内能多,选项A正确,B、C、D错误。
【答案】A
　　【点评】熔化与凝固的图象不同:熔化是固体变成液体,达到熔点前是吸收热量,温度一直在升高,而凝固过程则恰好相反。
4.(考查汽化的特点)在烧开水时,要使水在温度高于100 ℃时才沸腾,可以采用的方法是(　　)。
A.在锅上加一个有增大压强的压力阀的盖
B.移到高山上去烧
C.延长加热时间
D.加强火力,火烧得旺些
【解析】水在标准大气压下的沸点为100 ( http: / / www.21cnjy.com ) ℃,当水面上的压强大于1个标准大气压时,沸点就高于100 ℃,故选项A正确、B错误;水在沸腾时,温度不变,不论是延长加热时间,还是加强火力,只是使得水沸腾的时间长些或是快些,直至水烧干,故选项C、D错误。
【答案】A
　　【点评】内能包括分子势能和分子动能。熔化和汽化时物体吸热的原因不同。
拓展一:物态变化过程中的能量交换判断
1.火箭在大气中飞行时,它的头部跟空气 ( http: / / www.21cnjy.com )摩擦发热,温度可达几千摄氏度。在火箭上涂一层特殊材料,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
【分析】熔化是由固体变成液体,汽化是由液体变成气体。
【解析】在火箭前端涂有特殊材料的部 ( http: / / www.21cnjy.com )分叫整流罩,它的作用是把火箭主体与大气摩擦产生的热量通过这种特殊材料的熔化和汽化吸收掉,防止火箭主体温度过高而损坏,达到保护火箭的目的。选项B正确。
【答案】B
【点拨】物态变化时发生能量交换,要知道常见的物态变化过程中能量是怎样变化的,会判断物理过程是吸热还是放热。本题考查熔化和汽化的知识。
拓展二:物态变化过程中的图象问题
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2.质量一定的某种物质,在压强不变的条件 ( http: / / www.21cnjy.com )下,由液态Ⅰ到气态Ⅲ(可看成理想气体)变化过程中温度(T)随加热时间(t)的变化关系如图所示。单位时间所吸收的热量可看作不变。以下说法正确的是(　　)。
A.在区间Ⅱ,物质的内能不变
B.在区间Ⅲ,分子势能不变
C.从区间Ⅰ到区间Ⅲ,物质的内能增加
D.在区间Ⅰ,物质分子的平均动能随着时间的增加而增大
【分析】从图象可知,区间Ⅰ是液体温度上升的过程,区间Ⅱ是液体沸腾汽化的过程,区间Ⅲ是气体升温的过程。
【解析】在区间Ⅱ,物质温度不变但吸收 ( http: / / www.21cnjy.com )热量,所以物质的内能增加,故选项A错误;在区间Ⅲ,物质处于气态且可看作理想气体,因此,分子势能为零,始终不变,故选项B正确;从区间Ⅰ到区间Ⅲ的过程中内能增加,选项C正确;物质分子的平均动能与温度有关,温度越高,分子的平均动能越大,故选项D正确。
【答案】BCD
【点拨】图象是表达物理规律和物理过程的重要方法。在物态变化的图象中往往可以判断固体是否属于晶体、晶体的熔点、液体的沸点等信息。
拓展三:计算汽化和液化过程中的热量
3.阅读下面的材料,回答有关问题。
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“热管”是80年代研制出来的一种导热本 ( http: / / www.21cnjy.com )领非常强的装置,它比铜的导热本领强上千倍。“热管”的结构并不复杂,它是一根两端封闭的金属管,管内壁衬了一层多孔的材料,叫作吸收芯,吸收芯中充有酒精或其他容易汽化的液体(如图所示),当管的一端受热时,热量会很快传到另一端。其原理为:“热管”的一端受热时,这一端吸收芯中的液体因吸热而汽化,蒸汽沿着管子由受热一端跑到另一端。另一端由于未受热,温度低,蒸汽就在这一端放热而液化。冷凝的液体被吸
收芯吸附,通过毛细作用又回到了 ( http: / / www.21cnjy.com )受热的一端。如此往复循环,热管里不断地进行着汽化和液化,把热量从一端传递到另一端。液体汽化和气体液化时分别吸收和放出大量的热,热管正是利用了这一性质,达到高效传递热量的目的。“热管”在一些高新技术领域发挥着重要作用。请回答:
(1)“热管”被加热的那一端的温度为什么不会很快升上去 “热管”没有被加热的那一端的温度为什么会升高
(2)下列物体都能导热,其中导热本领最好的是(　　)。
A.铁管 　　B.铝管　 　C.铜管　　 D.热管
(3)用“热管”可以很快地把一个物体内部产生的热量散发出来,你能想出它的一个应用实例吗
【分析】液体的汽化能吸收大量的热量,气体的液化又能放出大量的热量,汽化发生在“热管”的左端,液化发生在“热管”的右端。
【解析】(1)“热管”被加热的一端,吸 ( http: / / www.21cnjy.com )收芯中的液体在汽化时要吸热,因此这一端的温度不会很快升上去;没有被加热的那一端,原来温度较低,吸收芯中液体汽化后的蒸汽在这一端液化放热,因此,它的温度会升高。
(2)由热管的原理知,液体汽化后的气体流动导热,它比金属导热要快,故选项D正确。
(3)将“热管”安装在航天器上。
【答案】(1)见解析　(2)D　(3)将“热管”安装在航天器上
【点拨】本题是汽化和液化现象在技术上的应用 ( http: / / www.21cnjy.com ),属于信息分析类的问题。解决这类问题的关键是正确分析题目所给的信息,抓住问题中的物理现象和原理,灵活运用学过的知识进行分析、回答。
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物态变化中的能量交换