最新人教版高中物理选修3-3第九章《物态变化中的能量交换》1

4物态变化中的能量交换

1．熔化与熔化热

(1)熔化：物质从固态变成液态的过程叫熔化；而从液态变成固态的过程叫凝固。

(2)熔化热：某种晶体熔化过程中所需的能量(Q)与其质量(m)之比叫做这种晶体的熔化热。

用λ表示晶体的熔化热，则λ＝Q/m，在国际单位制中熔化热的单位是焦耳/千克(J/kg)。

友情提示：

①熔化过程指的是晶体在刚达到熔点，到全部熔化的这一段时间过程，而不是从刚开始加热到晶体全部熔化这一段时间过程；

②一定质量的晶体，熔化时吸收的热量与凝固时放出的热量相等；

③不同的晶体有不同的空间点阵，要破坏不同物质的结构，所需的能量就不同，因此不同晶体的熔化热也不相同；

④非晶体液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。

谈重点：化过程的微观理解由于固体分子间的强大作用，固体分子只能在各自的平衡位置附近振动，对固体加热，在其熔化之前，获得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时，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。

【例1－1】如果已知铜制量热器小筒的质量是150 g，原来里面装着100 g 16 ℃的水，放入9 g 0 ℃的冰，冰完全熔化后水的温度是9 ℃，利用这些数据求冰的熔化热是多少。〔铜的比热容c铜＝3.9×102 J/(kg·℃)，水的比热容c水＝4.2×103 J/(kg·℃)〕

解析：9 g 0 ℃的冰熔化为0 ℃的水，再升高到9 ℃，总共吸收的热量

Q吸＝m冰λ＋m冰c水(9 ℃－0 ℃)

量热器中的水和量热器小筒从16 ℃降到9 ℃放出的热量

Q放＝m水c水(16 ℃－9 ℃)＋m筒c铜(16 ℃－9 ℃)

因为Q吸＝Q放，所以m冰λ＋m冰c水(9 ℃－0 ℃)＝(m水c水＋m筒c铜)(16 ℃－9 ℃)

统一单位后，把数值代入上式，可得

λ＝3.3×105 J/kg。

答案：3.3×105 J/kg

点技巧：的熔化热冰的熔化热很大，1 kg 0 ℃的冰熔化成0 ℃的水吸收的热量，相当于把1 kg 0 ℃的水升高到80 ℃需要的热量。冰的这一特点对自然界有重要的意义。在日常生活中，人们利用冰熔化热大的特点来冷藏食品、冰镇饮料等。

【例1－2】为了使铅弹受阻而停止时放出的热量能够熔化它，问在25 ℃下铅弹的初速度必须多大？〔铅的熔化热为24.5×103 J/kg，铅的比热容是0.13×103 J/(kg·℃)，熔点为327 ℃〕

解析：用λ表示物质的熔化热，m表示物质的质量，Q表示熔化时所需要吸收的热量，则

Q＝λm

熔化铅弹(质量为m)所需的热量是：

Q＝cmΔt＋mλ

＝0.13×103 J/(kg·℃)×m(327 ℃－25 ℃)＋24.5×103 J/kg·m＝63.8×103 J/kg·m

E k＝Q

1

2＝63.8×103 J/kg·m

2m v

解得v＝ 1.28×105m/s≈358 m/s。

答案：358 m/s

【例1－3】一质量为50 kg的0 ℃的冰块，以5.38 m/s的速度沿水平表面滑动，由于冰块与水平表面之间摩擦的结果，使冰块滑动了一段路程之后停了下来。已知冰的熔化热为

334.5×103 J/kg ，假定没有其他热交换，问冰熔化了多少？

解析：冰的动能为12

m v 2，经过一段路程滑行后停止，设熔化的冰的质量为Δm 。 根据题意，冰块熔化时吸收的热量在数值上等于冰块动能的变化量。

则有：Δmλ＝12

m v 2 Δm ＝m v 22λ＝50×5.382

2×334.5×103 kg ≈2.16×10－3 kg 。 答案：见解析

2．汽化与汽化热

(1)汽化：物质从液态变成气态的过程叫汽化；而从气态变成液态的过程叫液化。

(2)汽化热：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，叫做这种物质在这一温度下的汽化热。其单位是焦耳/千克(J/kg)或千焦/千克(kJ/kg)。

(3)对汽化热的理解应明确以下几点：

①液体汽化时，液体分子离开液体表面，要克服其他分子的吸引而做功，因此要吸收能量。

②液体汽化时体积会增大很多，分子吸收的能量不只用于挣脱其他分子的束缚，还用于体积膨胀时克服外界气压做功，所以汽化热还与外界气体的压强有关。

③一定质量的物质，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。

④物质的汽化热是指单位质量的某种液体在某一温度、某一压强下汽化成同温度的气体时吸收的热量，通常指物质在1标准大气压下的沸点时的汽化热。

⑤汽化热的计算(通常计算在1标准大气压时，沸点下的汽化热)

设某物质在1标准大气压下的沸点时的汽化热为L ，物质的质量为m ，则Q ＝Lm 。 特别提醒：晶体只在达到熔点时才可能熔化，而液体可在任何温度下汽化。讲汽化热要指明在什么温度下的汽化热。

【例2】 在大气压为1.013×105 Pa 的条件下，要使m ＝2.0 kg 、t ＝100 ℃的水全部变成水蒸气，至少需要多少热量？(水的汽化热L ＝2.4×106 J/kg)

解析：100 ℃的水全部变成水蒸气需要吸收的热量为

Q ＝ mL ＝2×2.4×106 J ＝4.8×106 J 。

答案：4.8×106 J

3．图象法理解汽化热与温度的关系

对与熔化和汽化有关的生活现象，应从生活现象中抽象出熔化或汽化现象的本质，并结合实际事例具体说明。

汽化热与温度的关系：

水的汽化热与温度的关系

根据图象，对在任何温度下均能汽化的解释：

晶体只在熔点时熔化，而液体可以在任何温度下汽化，所以提到汽化热时一定要注意在什么温度下的汽化热。液体汽化时体积会增大很多，分子吸收的热量不只用于挣脱其他分子的束缚，还用于膨胀时克服外界气压做功，所以汽化热还与外界气体的压强有关。

【例3－1】 下列给出了水的各汽化热值，请你判断汽化温度最高的是( )

A ．2 500 J/g

B ．200 J/g

C ．100 J/g

D ．50 J/g

解析：同种液体温度不同时汽化热不同，温度升高，汽化热减小。这是由于同种液体分

子间的引力大小相同，温度较高的液体分子，它的平均动能较大，只需供给它较少的热量就足以使这些分子克服周围分子的引力而飞出液体，所以汽化热较小。

答案：D

【例3－2】在吉尼斯大全中，记述了一个人创造了赤着脚在650 ℃的燃烧着的一长堆木炭上步行了约7.5 m的“世界之最”纪录。关于他创下的这个奇迹，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．这个表演者可能是用汗脚踩在炭火上一步步轻松地走过去的

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，对脚板将起到绝热防护作用，行走中脚上流出的汗水部分地补偿了汽化所需的水分。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。故应选C。

答案：C

4．熔化过程的微观解释

在晶体中，粒子(分子、原子或离子)之间的相互作用力使粒子规则地聚集在一起，形成空间点阵。粒子只能在它的平衡位置附近做无规则的微小振动，在低于熔点的情况下，粒子的热运动不足以克服其间的相互作用。给晶体加热时，晶体从外界得到能量，粒子的热运动加剧。达到一定的温度——熔点时，一部分粒子具有了足够的动能，能够克服粒子间的作用力，离开平衡位置。粒子之间的引力再不能维持它们的有序排列，而逐渐转向无序。这时晶体的点阵结构被破坏，晶体开始熔化。

凝固时，情况正好相反，粒子排列成点阵结构，由无序转向有序排列时，粒子间的势能减小，因此虽然放出能量，温度却保持不变，直到全部凝固成晶体。

非晶体的微观结构跟液体类似，非晶体在吸热熔化过程中不必为破坏点阵结构而消耗能量，所以温度不停地上升。

【例4－1】下列关于晶体熔化过程的微观说法中正确的是()

A．固态下物质分子受到周围其他分子的作用力较大

B．固态下的分子是不动的，熔化过程是使分子运动起来的过程

C．晶体的温度达到熔点时，有一部分分子的能量能摆脱其他分子的束缚

D．熔化过程就是分子由只在平衡位置振动变成能在其他分子之间移动的过程

解析：固态下物质分子间作用力较大，使分子规则地聚集在一起，形成空间点阵，分子在其平衡位置附近做无规则振动。熔化过程中晶体从外界吸收能量，分子运动加剧，克服分子间作用力，离开平衡位置，变成能在其他分子之间移动。综上所述A、C、D正确。

答案：ACD

【例4－2】一定质量的0 ℃的冰熔化成0 ℃的水时，其分子动能之和E k和分子势能之和E p的变化情况是()

A．E k变大，E p变大B．E k变小，E p变小

C．E k不变，E p变大D．E k不变，E p变小

解析：0 ℃的冰熔化成水，温度不变，故分子的平均动能不变，分子总数不变，故E k 不变；冰熔化过程中吸收的热量用来增大分子的势能，故C正确。

答案：C