固体液体和物态变化第3节物态变化中的能量交换讲义-人教版高中物理选修3-3讲义练习

第3节物态变化中的能量交换
1．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。

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，称做这种物质在这个温度下的汽化热。

一、汽化 1．汽化
物质从液态变成气态的过程。

2．汽化的两种方式比较
二、熔化热与汽化热 1．物态变化中的能量交换
2．熔化热
(1)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。

(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结构，要破坏不同物质的结构，所需的能量也就不同，因此不同
晶体的熔化热也不相同。

(4)非晶体在不同温度下熔化时吸收的热量是不同的，因此非晶体没有确定的熔化热。

3．汽化热
(1)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，称做这种物质在这个温度下的汽化热。

(2)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。

1．自主思考——判一判
(1)蒸发只发生在液体表面，而且是在一定温度下才能发生。

(×)
(2)物质从液态变成固态的过程是凝固。

(√)
(3)晶体熔化时向外界放出热量，其温度不断降低。

(×)
2．合作探究——议一议
(1)为什么盛在敞口容器中的水，经过一段时间后就没有了；而盛在密闭容器中的水经过相当长的时间后仍然跑不掉？
提示：这是因为盛在敞口容器中的水蒸发掉了，而盛在密闭容器中的水蒸发后能形成一种动态平衡，水蒸气的密度不再变化，液体水也不再减少。

(2)为什么高海拔地区煮东西煮不熟？
提示：液体沸腾时需要达到的温度叫沸点。

沸点与大气压有关，大气压越大，沸点越高。

而在高海拔地区大气压强小，沸点低，故煮东西煮不熟。

1．晶体的熔化过程
(1)能量特点
固体分子间的强大作用使固体分子只能在各自的平衡位置附近振动。

对固体加热，在其开始熔化之前，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，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)温度特点
晶体熔化过程中，当温度达到熔点时，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。

(3)熔化热的计算
如果用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。

熔化热的单位：焦耳/千克，即J/kg。

2．液体的汽化过程
(1)能量特点
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。

(2)汽化热的计算(通常计算在1个标准大气压时，在沸点下的汽化热)
设某物质在1个标准大气压下，在沸点时的汽化热为L，物质的质量为m，则Q＝Lm。

汽化热的单位：焦耳/千克，即J/kg。

[典例] 如果已知铜制量热器小筒的质量是150 g，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＝3.9×102J/(kg·℃)，水的比热容c水＝4.2×103J/(kg· ℃)]
[思路点拨]
(1)该过程中量热器小筒和水放热，热量利用Q＝cm(t1－t2)计算。

(2)冰融化吸热，热量为Q＝mλ。

[解析] 9 g 0 ℃的冰融化为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 ℃)
把数值代入上式，可得λ≈3.3×105 J/kg。

[答案] 3.3×105 J/kg
物态变化互逆过程的能量特点
(1)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。

(2)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。

1．下列说法不正确的是( )
A ．不同晶体的熔化热不相同
B ．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
C ．不同非晶体的熔化热不相同
D ．汽化热与温度、压强有关
解析：选C 不同的晶体有不同的结构，要破坏不同物质的结构，所需的能量也不同，因此，不同晶体的熔化热也不相同，故A 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，故B 正确；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，故C 项不正确；汽化热与温度、压强有关，故D 正确。

2．今有1 kg 温度为90 ℃的水，在标准状况下把它变成100 ℃的水蒸气，共吸收了44.05 kJ 的热量，求水的汽化热L 。

[假设在整个过程中无热量损失，水的比热容为4.2 kJ/(kg·℃)]
解析：根据能量守恒得c 水m Δt ＋mL ＝Q ， 所以L ＝Q －c 水m Δt m
代入数值得L ＝2.05 kJ/kg ＝2.05×103
J/kg 。

答案：2.05×103
J/kg
1.如图所示，在一个大烧杯A 内放一个小烧杯B ，杯内都放有水，现对A
的底部加热，则( )
A ．烧杯A 中的水比
B 中的水先沸腾 B ．两烧杯中的水同时沸腾
C ．烧杯A 中的水会沸腾，B 中的水不会沸腾
D ．上述三种情况都可能
解析：选C 沸腾的条件：(1)达到沸点；(2)能继续吸热。

对烧杯A 加热到水的沸点后，若继续加热，烧杯A 中的水会沸腾。

由于沸腾时水的温度保持在沸点不变，烧杯A 中的水对烧杯B 中的水加热使其也达到沸点，但由于它与烧杯A 中的水处于热平衡状态，两者无温度差，无法再从烧杯A 的水中吸热，因此烧杯B 中的水只能保持在沸点不会沸腾。

2．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( ) A ．先降低后升高 B ．先升高后降低 C ．一直降低
D ．一直升高
解析：选A 开始时，温度计上的酒精汽化，带走热量，使温度降低，故示数降低；酒精
完全汽化后，温度计在热风作用下温度升高，A 正确。

3．一定质量的0 ℃的冰融化成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：选C 0 ℃的冰融化成0℃的水，温度不变，故分子的平均动能不变，分子总数不变，所以E k 不变；冰融化过程中吸热，吸收的热量用来增大分子的势能，所以E p 变大，故C 正确。

4.[多选]如图所示是水在大气压强为1.01×105
Pa 下的汽化热与温度的关系图线，则( )
A ．大气压强为1.01×105
Pa 时，水的沸点随温度升高而减小 B ．该图线说明温度越高，单位质量的水汽化时需要的能量越小 C ．由该图线可知水蒸气液化时，放出的热量与温度有关 D ．该图线在100 ℃以后并没有实际意义，因为水已经汽化了
解析：选BC 液体的沸点与温度无关，大气压强为1.01×105
Pa 时，水的沸点是100 ℃，不变，选项A 错误；题图所示图线说明温度t 越高，单位质量的水汽化时需要的能量Q 越小，选项B 正确；液化与汽化是相反的过程，汽化热与温度有关，则水蒸气液化放出的热量也与温度有关，选项C 正确；题图所示图线在100 ℃以后是水的过热状态，可以理解为水没有来得及汽化，选项D 错误。

5．质量为m 的0 ℃的冰雹，在空中由静止下落，由于空气阻力的作用，其中1%质量的冰在下落过程中完全融化成0 ℃的水脱离冰雹，若落地时的速度为400 m/s ，求：(冰的熔化热λ＝3.34×105
J/kg ，g 取10 m/s 2
)
(1)冰雹下落的高度。

(2)若落地时，动能全部转化成热，问能否将冰雹融化？
解析：由于存在空气阻力，冰雹下落时将重力势能转化为内能和动能。

内能被冰吸收使部分冰发生融化。

(1)根据能量守恒定律：
mgh －12
(1－1%)mv 2＝m ×1%λ，
所以h ＝
m ×1%λ＋
1
2
－
mv 2
mg
＝
3.34×105
×1%＋
12
－
2
10 m
＝8 254 m 。

(2)假设能全部融化，
则需满足12
(1－1%)mv 2
≥m (1－1%)λ。

而12m (1－1%)v 2＝12m ×(1－1%)×4002 J ＝0.8×105
m J ， (1－1%)m λ≈3.31×105
m J 。

显然由动能全部转化成的热不足以满足冰全部融化的需要，故不能将冰雹融化。

答案：(1)8 254 m (2)不能将冰雹融化。