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2021年初中物理竞赛基础版系列讲义-15物态变化

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第15讲 物态变化
15.1 学习提要
15.1.1 分子动理论
1. 分子动理论基本内容
物体是由大量分子组成的;分子永不停息地做无规则运动;分子间存在着相互作用的引力和斥力。
2. 物体是由大量分子组成的
这里的分子是指构成物质的单元,即具有各种物质化学性质的最小微粒;可以是原子、离子,也可以是分子。在运动中它们遵从相同的规律,所以统称为分子。
3.分子的热运动
(1)分子热运动,物体里大量分子做永不停息的无规则运动,随温度的升高而加剧。扩散现象和布朗运动可以证明分子热运动的存在。
(2)布朗运动,是指悬浮在液体中的花粉颗粒永不停息的做无规则运动。它并不是分子本身的运动。液体分子的无规则运动是布朗运动产生的原因,布朗运动虽不是分子的运动,但其无规则性正反应了液体分子运动的无规则性。
4. 分子间的相互作用力
(1)分子间同时存在着相互作用的引力和斥力,引力和斥力都随分子间距的增大而减小,随分子间距离减小而增大,但斥力的变化比引力的变化快,实际表现出来的分子力是引力和斥力的合力。
(2)分子间作用力(指斥力和引力的合力)随分子间距离而变的规律如下:
①当分子间距离小于10-10m时表现为斥力;
②当分子间距离大于10-10m时表现为引力;
③当分子间距离大于分子直径10倍时,分子力变得十分微弱,可以忽略不计。

15.1.2 热量
物体在热传递过程中放出或吸收的能量的多少叫做热量,用字母Q表示。热量的国际单位是焦耳,简称焦。
热量是个过程量,只有在物体间发生热传递时才有意义,不能表示某物体含有多少热量。
15.1.3 熔化和凝固
1.熔化
物体由固态变为液态的过程叫熔化。
(1) 晶体熔化时,有确定的熔化温度。在熔化过程中,晶体吸收热量,但温度保持不变。
(2) 非晶体熔化时,没有确定的熔化温度,在熔化过程中,非晶体吸收热量,温度不断上升。
(3) 熔点:晶体熔化时的温度叫熔点。不同晶体的熔点不同, 非晶体没有一定的熔点。
(4) 熔化热:单位质量的某种晶体,在熔点变成同温度的液体时吸收的热量,叫做这种物质的熔化热,用字母λ表示。质量为m的某种晶体在熔点变成同温度液体时吸收的热量为 Q = λm
2. 凝固
物质从液态变成固态的过程叫凝固。
(1) 晶体凝固时,有确定的温度。在凝固过程中,晶体要放出热量,但温度保持不变。
(2) 非晶体凝固时,没有确定的温度,在凝固过程中,非晶体放出热量,温度不断降低。
(3) 凝固点:物质从液态凝固成晶体时的温度叫做凝固点。同一种物质的凝固点跟它的熔点相同,非晶体没有一定的凝固点。
(4) 单位质量的某种液体,在凝固点变成同温度的晶体时,放出的热量等于它的熔化热。
(5) 熔化和凝固随时间变化的图像,如图15-1所示
AB段:晶体吸收热量,温度升高;
BC段:晶体开始熔化直到熔化结束,在熔化过程中,固液共存,吸收热量,温度保持不变;
CD段:晶体熔液吸收热量,温度升高
DE段:晶体熔液放出热量,温度降低
EF段:晶体熔液开始凝固直到凝固结束,在凝固过程中,固液共存,温度保持不变
FG段:晶体放出热量,温度降低

15.1.4 汽化和液化
1.汽化
物质从液态变成气态的过程叫做汽化。汽化的方式有两种:蒸发和沸腾。
(1)蒸发和沸腾的区别与共同点如表15-1所示
蒸发 沸腾
区别 发生部位 只在液体表面进行 在液体表面和内部同时进行
剧烈程度 比较缓慢 剧烈
温度条件 在任何温度下均可发生 达到沸点时才能发生
温度变化 自身及周围物体温度降低有
致冷作用 温度保持不变(等于沸点)
影响因素 温度、表面积、气流速度 气压增大沸点升高
共同点 (1)都是汽化现象
(2)都要吸热
(2)沸点:液体沸腾时的温度叫做沸点,不同液体的沸点是不相同的。
(3)汽化热:单位质量的某种液体变成同温度的气体时吸收的热量,叫做这种液体的汽化热,用字母L表示,国际单位是焦/千克(J/Kg)。用质量为m的某种液体变成同温度气体时吸收的热量为 Q = Lm
2..液化
物质从气态变成液态的现象叫做液化。使气体液化的方法有降温和加压。所有的气体在温度降到足够低时,都可以液化,且气体的液化温度跟压强有关,压强越大,它的液化温度越高,越容易液化。气体液化时,要放出热量。
15.1.5 升华和凝华
1.升华
物质由固态直接变成气态叫做升华。固体升华时要吸收热量,有致冷作用。
2.凝华
物质从气态直接变成固态叫凝华。气体凝华时要放热。

15.2 难点解释
15.2.1 晶体和非晶体
固体分为晶体和非晶体。石英、云母、明矾、食盐等晶体,玻璃、橡胶、松香、沥青等是非晶体。晶体和非晶体在外形和物理性质上有很大的区别。
晶体具有规则的天然几何外形,它的外形是若干个平面围城的多面体。如食盐晶体是立方体,石英晶体中间是六面棱柱,两端是六面棱锥,明矾晶体是八面体。而非晶体则没有规则的几何外形。
晶体加热熔化时有固定不变的温度。晶体加热过程中,随加热时间增加,它的温度升高,从晶体开始熔化到全部熔化完毕,这段时间内虽然继续给它加热,温度却保持不变,此温度叫晶体的熔点。晶体全部熔化成为液体后,继续加热,温度又不断升高。相反的过程,即液体凝固成晶体,也是在一定的温度下发生的,在这个过程中,液体虽然不断向外放出热量,温度却保持不变,这个温度叫做晶体的凝固点。
非晶体对的熔化不同于晶体。非晶体受热时,先从硬变软,然后逐渐变为液体,在这个过程中,温度不断升高,没有一定的熔化温度。
1912年人们用X射线探测晶体内的内部结构得出结论:晶体内部的物质微粒(分子、原子或离子)依照一定的规律在空间排成整齐的行列,构成所谓空间点阵。晶体的物质微粒的空间点阵结构排列有两个特点:一是周期性,二是对称性。晶体外形的规则性实际上是物质微粒的规则排列引起的。
非晶体固体实际上可以看成是粘滞性极大的液体。非晶体内部物质微粒的排列是无规则的,起结构非常类似液体。因此非晶体没有规则天然几何外形,也没有固定的熔化温度。严格说来,只有晶体才是真正的固体。
晶体和非晶体在适当条件下也是也可以转化的。
15.2.2 晶体熔化时吸收热而温度不变
晶体的分子是按一定的规则排列成为空间点阵。分子只能在平衡位置附近不停地振动,因此它具有动能,同时,在空间点阵中,由于分子之间相互作用,它同时具有势能。晶体在开始熔化之前,从热原获得的能量,主要转变为分子的动能,因而使物质的温度升高。但在溶解开始时,热原传递给它的能量,使分子有规则的排列发生变化,分子之间的距离增大以及分子离开原来的平衡位置移动。这样加热的能量就用来克服分子之间的引力做功。使分子结构涣散而呈现液态,也就是说,在破坏晶体空间点阵的过程中,热原传入的能量主要转变为分子间的势能,分子动能的变化很小,因此,物质的温度也就没有显著的改变。所以溶解过程是在一定温度下进行的。不同的晶体,由于空间点阵不同,一般熔点也不相同。
15.2.2 晶体熔化时吸收热而温度不变
从分子动力学角度看,在液体表面,只有动能足够大的分子才有可能逃脱其他分子的束缚,脱离液体表面而成为气态分子。液体的温度高,液体的表面积大,都为这些分子脱离液体表面提供了有利条件;另一方面,液体表面分子脱离液体表面进入空气,液体表面空气的压强越小,密度越低,空气的流速越大,液体表面分子脱离表面的条件就越优越。所以蒸发的快慢跟液体的温度、表面积和液面气流速度有关。
沸腾是液体表面和内部同时发生的剧烈的汽化现象。当液体温度升高时,液体内部的分子开始汽化,并与液体中的空气共同形成气泡。气泡中的气体是该温度下的饱和气,在上升过程中,当它的压强比外界大气压小时,将逐渐变小,直至消失。只有当气泡中的饱和气压和外界中的大气压相等时,气泡才可能上升到页面破裂,所以沸腾时必须达到一定的温度。当外部气压降低时,气泡内的饱和气压也随之降低,所以气压减小,沸点降低、
15.3 例题解析
15.3.1 晶体的熔点
例1 海波(硫代硫酸钠)是一种晶体,它的熔点是48℃,那么温度是48℃的海波一定是( )
A 固态 B 液态 C 固液共存态 D 以上三种情况都有可能
【点拨】海波的熔点是48℃,凝固点也是48℃
【解析】海波的熔化和凝固图像如图15-2所示。由15-2可知,如果是晶体海波吸热升温,温度刚好达到熔点48℃时,即图像中B点,海波应该是固体;如果是继续吸热,就开始熔化但温度不变,即图像中的BC段,这时候海波固液共存态;再继续吸热,海波刚好达到完全熔化时,即图中的C点,这时海波是液态。所以48℃的海波可能是固液共存态或者液态。
【答案】D

15.3.2 影响蒸发快慢的三个因素
例2 如图15-3所示,某教师在汽化教学中使用的演示实验装置。置于讲桌上的两个完全相同的烧杯,内盛从同一自来水管口流入的清水。已知甲杯中的质量大于乙杯中水的质量,关于甲乙两杯中水蒸发快慢的以下说法中,正确的是( )
A 甲被中水蒸发快
B 乙杯中水蒸发快
C 甲乙两杯中水的蒸发快慢相同
D 无法判断

【点拨】从影响蒸发快慢的三个因素着手
【解析】“置于讲桌上的两个烧杯”表明水面上方空气流动快慢相同;“内盛从同一自来水管口流入的清水”表明水的温度相同;“完全相同的两个烧杯”表明杯内水面积相同。因此,甲乙两杯水的蒸发快慢相同。
【答案】C
【反思】在解题中要注意“快慢”“多少”的语义是不同的。同时要将液体质量这个影响蒸发快慢的无关变量从思维中剔除掉。
15.3.3 控制变量的科学方法
例3 某同学在研究影响蒸发快慢因素的实验中,用滴管将酒精分别滴在课桌的不同位置上,再摊开成面积大小不同的两块,稍后一会。通过观察发现,面积较大的酒精先消失,这表明______________________________________.
【点拨】影响蒸发快慢的因素有液体温度、表面积和液面气流速度。本实验中研究蒸发与液体表面积的关系,应该控制液体的温度和液面气流速度,使其保持不变。
【解析】通过观察发现,面积较大的酒精先消失。这表明在液体的温度和液面气流速度均不变的情况下,液体的表面积越大,蒸发越快。
【答案】在液体温度和液面气流速度均不变的情况下,液体的表面积越大,蒸发越快。
【反思】本题答案蕴含着控制变量这个重要的思想。所以完整答案应包括对相关控制量的语言叙述与交代。
15.3.4 汽化现象
例4 将水滴滴在烧得很热的铁板上,会看到水滴在铁板上反复跳动,然后消失。试解释这种现象。
【点拨】水滴在铁板上向上跳动,说明水滴受到了向上的作用力;水滴反复跳动,说明水滴受到向上的作用力时有时无。
【答案】水滴滴在烧得很热的铁板上时,接触处的水急剧汽化形成一层水蒸气,这层水蒸气托起了尚未汽化完全的水滴,减缓了水滴汽化的速度。由于水蒸气的散失,水滴下落又与热铁板接触,再次形成汽化而托起水滴,如此反复,水滴不断跳动并且逐渐减小直至消失。
15.3.5 复沸现象
例5 把透明容器中的水加热至沸腾后密封,同时停止加热并迅速在容器外表浇以冷水加以冷却,这时可以看到()
A 水迅速蒸发 B 水温急剧下降
C 水又沸腾起来 D 什么现象也没有发生
【点拨】沸点与外界气压有关
【解析】气压减小,沸点降低;气压增大,沸点升高。当水沸腾以后,将容器密封,水的上部空间充满水蒸气的饱和汽。在停止加热后迅速在容器外表浇以冷水时,水蒸气遇冷凝结成水。由于水蒸气的液化使密封气体压强明显变小,这时水的沸点也随之降低,水又沸腾起来,这种现象成为“复沸现象”
【答案】C
15.3.6 物态变化的综合应用
例6 在一个与外界隔热的容器内,盛有一些0℃的水,如果将容器内的空气迅速抽出去,那么发生是现象是
A 一部分水结成冰,冰和水均为0℃ B 容器内只有0℃的水,水的质量不变
C 容器内是有℃的水,水的质量减小 D 容器内只有0℃以下的冰,水全部被抽走
【点拨】液体蒸发要吸热,晶体溶液在凝固时温度不变。
【解析】容器内的空气迅速抽去,造成气压下降,容器内0℃的水因放热而凝结为0℃的冰。但水的快速蒸发造成液面上气压变大,快速蒸发不再继续,因而容器内有一部分水结成冰,冰和水的温度均为0℃。
【答案】A


A 卷

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