热运动

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十、热学（分子热运动、能量、气体）

1、分子的大小

(1)分子：物理中所说的分子指的是做热运动时遵从相同规律的微粒。在研究热现象时，

组成物质的原子、离子或分子，统称为分子。

(2)分子的大小

①单分子油膜法粗测分子的大小

原理：把一滴油酸滴到水面上，油酸在水面上散开形成单分子油膜，

如果把分子看成球形，单分子油膜的厚度就可认为等于油膜分子的直

径，如右图所示。

把滴在水面上的油酸层当作单分子油膜层和把分子看成球形等是

理想化处理。

具体做法是：

a．测出1滴油酸的体积V；

b．让这滴油酸在水面上尽可能散开，形成单分子油膜，用方格坐

标纸测出水面上漂浮的油膜的面积S，如右图所示；

c．单分子油膜的厚度d等于油滴体积V与油膜面积S的比值。

一、知识网络

二、画龙点睛

概念

d

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d＝

V

S

②利用离子显微镜测定分子的直径

一般分子直径的数量级为10－10m。例如水分子直径是4×10－10m，氢分子直径是2.3×10

－10m。

(3)分子模型的意义

把分子看作小球，是对分子模型的简化。实际上，分子结构很复杂，并不都是小球。因

此说分子直径有多大，一般知道数量级就已经可以了。

2、阿伏加德罗常数

(1)阿伏加德罗常数：1mol的任何物质都含有相同的粒子数，这个数就叫阿伏加德罗常数。

用符号N

A

表示此常数，N

A

＝6.02×1023mol－1，粗略计算时：N

A

＝6.0×1023mol－1。

(2)宏观量与微观量及其联系

①宏观量

体积V

质量m

密度ρ＝

m

V

＝

M

mol

V

mol

摩尔体积V

mol

＝

M

mol

ρ

摩尔质量M

mol

＝ρV

mol

摩尔数n＝

m

M

mol

＝

V

V

mol

物体中所含的分子数N＝nN

A

②微观量

分子体积V

0

＝

1

6

πD3(球体模型)

分子质量m

0

③宏观量与微观量的联系──桥梁是阿伏伽德罗常数N

A

对固体和液体：分子体积V

0

＝

V

mol

N

A

对气体：每个分子占有的空间体积＝

V

mol

N

A

对固体、液体和气体：分子质量m

0

＝

M

mol

N

A

(3)阿伏伽德罗常数的计算

N

A

＝

M

mol

m

0

(对固体、液体和气体都适用)

＝

V

mol

V

0

(只对固体、液体适用)

阿伏加德罗常数是联系微观世界和宏观世界的桥梁。它把摩尔质量、摩尔体积等这些宏

观量与分子质量、分子体积（直径）等微观量联系起来。

3、物体是由大量分子组成的

例题：水的摩尔质量是1.8×10－2kg/mol，1mol水中含有6.0×1023个分子，则每个水分子的

质量是

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m

0

＝

1.8×10－2kg/mol

6.0×1023mol－1

＝3.0×10－26kg

总结：一般物体中的分子数目是很大的，一个分子质量是很小的。

例题：已知铁的原子量是56，铁的密度是7.8×105kg/m3，求：

a．质量是1g的铁块中铁原子的数目(取1位有效数字)；

b．计算出铁原子的直径。

解析：a．1g铁的物质的量是1/56mol，其中铁原子的数目是n＝1×1022个

b．1g铁原子的体积是V＝

m

ρ

＝1×10－7m3

1个铁原子的体积是V

0

＝

V

n

＝1×10－29m3

铁原子的直径3

2910

0

3

6v

d210310m



4、扩散现象

(1)扩散现象

不同的物质互相接触时彼此进入对方的现象，叫做扩散。

(2)扩散现象证实一切物体的分子都在不停地运动着

(3)与扩散快慢有关的因素

扩散的快慢与温度有关，温度越高，扩散进行的越快。

扩散现象的本质是分子在运动，扩散现象的产生条件是两不同物质(或不同浓度的物体)

相接触，影响扩散快慢的因素是温度高低。扩散现象说明了组成物质的大量分子在不停地做

运动着。

5、布朗运动

(1)布朗运动：悬浮微粒在液体中所做的无规则运动，叫做布朗运动。

(2)影响布朗运动的因素

①颗粒的大小：颗粒越大，布朗运动越不明显。颗粒越小，布朗运动越明显。

②温度的高低：温度越高，布朗运动越激烈。温度越低，布朗运动越不明显。

(3)布朗运动的特点

①布朗运动是无规则的，课本中的图线还是颗粒的运动轨迹；

②各种小颗粒均可做布朗运动；

③颗粒越小、温度超高，布朗运动越明显；

④布朗运动绝不会停止。

(4)布朗运动的产生原因

布朗运动的形成原因是液体中的颗粒受到液体分子碰撞的不平衡造成的，分子永不停息

的无规则运动是产生布朗运动根本原因。

(5)布朗运动反映的实质

布朗运动既不是液体分子的运动，也不是颗粒分子的运动。布朗运动是悬浮在液体中的

固体小颗粒的无规则运动。布朗运动的无规则性反映了液体分子运动的无规则性

例题：关于布朗运动的下列说法中，正确的是（C）

A．布朗运动就是分子的运动

B．布朗运动是组成固体微粒的分子无规则运动的反映

C．布朗运动是液体或气体分子无规则运动的反映

D．观察时间越长，布朗运动就越显著

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E．阳光从缝隙射入教室，从阳光中看到的尘埃的运动就是布朗运动

解析：布朗运动指的是悬浮在液体或气体里的固体微粒的运动，不是分子本身的运动，所以A

错；

布朗运动是由于液体或气体分子无规则运动碰撞固体微粒产生的，因此可以从布朗运动

间接反映液体或气体分子的无规则运动，所以B错，C正确。

布朗运动的激烈程度与固体微粒的大小及温度有关，与观察时间长短无关，所以D是错

误的。

本题正确的答案：C

6、热运动：分子的无规则运动叫热运动。

7、分子间的相互作用力

(1)分子间同时存在相互作用的引力和斥力

(2)分子间的相互作用力是引力和斥力的合力

(3)分子间的作用力随距离变化的特点

①分子间引力和斥力随距离变化的特点

F斥↓

r↑→

F引↓

F斥↑

r↓→

F引↑

②分子间的作用力与分子间距离的关系

a、当r＝r

0

时，引力和斥力相等，分子力F＝0，此时分子

所处的位置为平衡位置。r

0

的数量级为10－10m，如甲图；

b、当r＜r

0

时，斥力大于引力，分子力F表现为斥力，如

乙图；

c、当r＞r

0

时，引力大于斥力，分子力F表现为引力，如

丙图。

(4)分子间作用力的范围

当分子间距离r大于10－9m时，分子力可以忽略不计。

8、固体、液体和气体的分子运动情况

(1)固体分子的运动情况

固体子间距离数量级在10－10m，分子之间作用很大，绝大部分分子只能在各自平衡位置

附近做无规则的振动。因而固体有一定的形状和体积。

(2)液体分子的运动情况

液体分子间有较强的作用力，分子无规则运动主要表现为在平衡位置附近振动。分子也

存在移动性。所以液体在宏观上有一定的体积，而又有流动性，没有固定的形状。

(3)气体分子的运动情况

气体分子间距离的数量级在10－9m，分子间除碰撞时有相互作用力外，彼此之间一般几乎

没有分子作用力，分子在两次碰撞之间是自由移动的。所以气体在宏观上表现出没有一定的

体积形状，可以充满任何一种容器。

9、分子的动能温度

(1)运动的分子具有动能：做热运动的分子具有动能。

(2)分子热运动的平均动能：物体里所有分子的动能的平均值，叫做分子热运动的平均动能。

r＝r

0

F斥F引

F引F斥

甲

r＜r

0

F斥F引

F引F斥

乙

r＞r

0

F斥F引

F引F斥

丙

→斥力变化比引力快

F

r

排

斥

力

吸

引

力

O

r

0

分子力F

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(3)温度的微观含义

①温度的微观含义：温度是物体分子热运动的平均动能的标志。

②说明：温度是宏观统计量；同一温度下，不同物质的分子平均动能一定相同。

10、分子势能

(1)分子势能：由于分子间存在相互作用力，分子间具有由它们的相对位置决定的势能。

(2)分子势能的特点

①r＞r

0

→F为引力，r↑→E

P

↑，r↓→E

P

↓

②r＜r

0

→F为斥力，r↑→E

P

↓，r↓→E

P

↑

③r＝r

0

→F＝0，分子势能最小

当它们之间的距离发生变化时，相互作用力如果是做正功，势能要减小，如果是做负功，

势能要增大。

(3)分子势能跟物体的体积有关：分子势能跟物体的宏观体积有关。

11、物体的内能

(1)物体的内能：物体中所有分子做热运动的动能和分子势能的总和，叫做物体的热力学

能，也叫内能。

(2)任何物体都具有内能

(3)与物体的内能有关的因素

从微观上看：内能由分子的平均动能、分子势能和分子总数共同决定；

从宏观上看：内能取决于物体的温度、体积、摩尔数和物态。

内能与其它能量一样，同样是状态量，因而内能由物体的状态决定。

(4)内能与机械能的区别

①两者反映的能量不同

②两者的数值不同

③两者的变化情况不同

④两种形式的能量之间可以相互转化

12、改变内能的两种方式

(1)做功可以改变物体的内能：外界对物体做功，物体的内能增加；物体对外界做功，物

体的内能减少。

(2)热传递可以改变物体的内能

①热传递：没有做功而使物体内能改变的物理过程，叫做热传递。

发生热传递的条件：存在温度差。

热传递的方式：传导、对流和辐射。

②热传递可改变物体的内能

物体吸收热量，内能增加；物体放出热量，内能减少。

(3)内能改变的量度

①做功使物体的内能发生改变的时候，内能的改变就用功的数值来量度。

②热传递使物体的内能发生改变的时候，内能的改变是用热量来量度。

(4)做功和热传递对改变物体内能的等效性

①)做功和热传递对改变物体内能的等效性

②做功和热传递在能量改变上存在本质区别

做功：

分子无规则运动的能量←内能其它形式的能→分子有规则运动的能量。

热传递：

分子无规则运动的能量←内能内能←分子无规则运动的能量。

转化

转移

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(5)内能和热量的区别

内能与物体的状态(温度和体积)有关，是状态量，与状态对应。

热量是热传递过程中内能变化的量度，是过程量，与状态变化相联系。

例题：下列叙述中正确的是()

A．物体的内能与物体的温度有关，与物体的体积无关

B．.物体的温度越高，物体中分子无规则运动越剧烈

C．物体体积改变，内能可能不变

D．物体被压缩时，内有可能减少

解析：由于物体所属不具体，因此，判断时首先考虑到一般物体（固体、液体、非理想气体），

还要考虑到特殊物体（理想气体），其次，要根据一般物体和理想气体的内能关系，分别判知，

A错，B、C、D正确。

例题：以下说法正确的是()

A．机械能为零，内能不为零是可能的

B．温度相同，质量相同的物体具有相同内能

C．温度越高，物体的内能越大

D．０℃的冰的内能比等质量的0℃的水内能大

解析：A．正确，因为机械能为零，但内能不能为零；

B．不正确，因为物体的内能由物体的温度、体积、物态等因素决定；

C．不正确，原因同上；

D．由于０℃的冰的体积比０℃的水大，温度相同，有的同学错认Ｄ正确，实际上有较为

复杂的反常膨胀的现象，我们用体积来讨论其内能是不适合的，我们可以从能量角度来讨论.

因为0℃的冰熔化为0℃的水要吸收热量或对它做功，所以有其他形式的能转化为内能或内能

转移给冰，所以0℃的水的内能比等质量的０℃的冰的内能大，所以Ｄ不正确。

13、理想气体及其内能

(1)气体膨胀时对外做功，压缩时外界对气体做功

(2)理想气体

(3)理想气体的分子势能不随体积的变化而改变

(4)理想气体的内能变化由温度决定

14、气体的状态及状态参量

(1)气体的平衡状态：气体的分布不随时间而变时，气体所处的状态，称之为气体的平衡

状态。

(2)气体的状态参量

①温度：温度是气体分子无规则热运动平均动能的标志。是气体内分子无规则热运动激

烈程度的反映。

②体积：气体的体积就是指气体分子所能达到的空间，也就是气体所充满的容器的容积。

③压强(1)气体的压强：指的是气体对容器器壁的压强，是器壁单位面积上受到的压力。

(2)单位：国际单位制中，压强的单位是帕斯卡，简称帕，符号是Pa。

1Pa＝1N/m2

(3)气体压强的微观意义

A气体压强的产生原因：是大量气体分子与器壁碰撞作用在器壁单位面积上的平均作用

力。

B与气体压强有关的因素

气体分子的密集程度(单位体积内的分子数n)n↑→P↑

a、微观的角度

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气体分子的平均动能v↑→P↑

气体密度ρρ↑→P↑

b、宏观的角度

气体温度TT↑→P↑

气体的压强，指的是气体对于容器器壁的压强，是器壁单位面积上受到的压力。

15、气体压强和体积的关系

(1)气体压强和体积的关系

一定质量的气体，在温度不变的前提下，体积减小时，压强增大；体积增大时，压强减

小。

(2)微观解释

m一定→分子总数N一定，T一定→分子热运动的平均动能E

K

一定。

V↑→分子的密集程度↓→单位时间与单位面积器壁碰撞的次数↓→P↓

V↓→分子的密集程度↑→单位时间与单位面积器壁碰撞的次数↑→P↑

16、气体体积、压强和温度的关系

(1)气体的体积和温度的关系

①气体的体积和温度的关系

一定质量的气体，在压强不变的情况下，当温度升高时，体积增大；当温度降低时，体

积减小。

②微观解释

m一定→分子总数N一定。

每碰撞一次的作用力↑

T↑→分子平均动能E

K

↑→→P↑

单位时间与单位面积器壁碰撞的次数↑

V↑→分子的密集程度↓→单位时间与单位面积器壁碰撞的次数↓→P↓

(2)气体的压强和温度的关系

①气体的压强和温度的关系

一定质量的气体，在体积不变的情况下，当温度升高时，压强增大；当温度降低时，压

强减小。

②微观解释

m一定→分子总数N一定，V一定→分子的密集程度一定。

每碰撞一次的作用力↑

T↑→分子平均动能E

K

↑→→P↑

单位时间与单位面积器壁碰撞的次数↑

每碰撞一次的作用力↓

T↓→分子平均动能E

K

↓→→P↓

单位时间与单位面积器壁碰撞的次数↓

1、热力学第一定律

规律

P不变

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(1)ΔU＝Q＋W

上述所表示的功、热量跟内能改变之间的定量关系，在物理学中叫做热力学第一定律。

(2)符号法则

物理量符号意义符号意义

W

＋

外界对物体做功

－

外界对物体做功

Q

＋

物体吸收热量

－

物体放出热量

ΔU

＋

内能增加

－

内能减少

例题：一定质量的气体，在被压缩的过程中，外界对气体做功300J，但这一过程中气体的内

能减少了300J，问气体在这一过程中是吸热还是放热？吸收(或放出)多少热量？

解析：由题意知

W＝300J，ΔU＝－300J。根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W，可得

Q＝ΔU－W＝－300J－300J＝－600J

Q为负值，表示气体放热。

所以，气体在这一过程中放出600J的热量。

例题：用力F压缩气缸中的气体，力F对气体做了1800J的功，同时气体向外放热2000J，空

气的内能改变了多少？

解析：由热力学第一定律：ΔU＝Q＋W

得：ΔU＝＋1800J+(－2000)J

ΔU＝－200J

即空气内能减少了200J

例题：关于物体内能的变化，下列说法中正确的是()

A．物体吸收热量，内能一定增大

B．物体对外做功，内能一定减少

C．物体吸收热量，同时对外做功，内能可能不变

D．物体放出热量，同时对外做功，内能可能不变

解析：根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W，物体内能的变化与外界对气体做功（或气体对外界

做功），气体从外界吸热（或向外界放热）两种因素有关，物体吸收热量，但有可能同时对外

做功，故内能有可能不变甚至减小，故A错。同理，物体对外做功的同时有可能吸热，故内

能不一定减小，B错；若物体吸收的热量与对外做功相等，则内能不变，Ｃ正确。而放热与对

外做功是使物体内能减小，所以Ｄ错。

所以本题正确答案为：Ｃ

2、能量守恒定律

(1)能量在转化或转移中守恒

①机械能与内能相互转化时守恒

②其它形式的能和内能相互转化时守恒

③热传递使内能在物体之间发生转移时守恒

大量的事实证明：各种形式的能都可以相互转化，并且在转化过程中守恒。

(2)能的转化和守恒定律

①内容：能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为别的形式，

或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中其总量不变，这就是能量守恒定律。

②能量守恒定律发现的意义：能的转化和守恒定律是19世纪自然科学中三大发现之一，

是分析解决问题的一个极为重要的武器之一。

3、永动机不可能制成

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(1)永动机：不消耗任何能量，却可以源源不断地对外做功，这种机器叫永动机。

(2)第一类永动机：不消耗能量的机器叫做第一类永动机。

(3)永动机不可能制成的原因：违背了能量守恒定律。

4、热传导的方向性

(1)热量自发地从高温物体传给低温物体

(2)热量从低温物体传给高温物体必须借助外界的帮助

(3)热传导具有方向性

(4)所有的宏观自发过程都具有单向性

5、第二类永动机

(1)热机：①概念：热机是把内能转化成机械能的装置。

②热机的效率热机做的功W和它从热源吸收的热量Q

1

的比值，叫做热机的效率。

η＝

W

Q

1

热机的效率不可能达到100%。

(2)第二类永动机

①第二类永动机：从单一热源吸收的热量，可以全部用来做功而不引起其他变化的热机，

叫第二类永动机。

②第二类永动机不可能制成的原因

第二类永动机虽不违背守恒定律，不可能制成，是因为机械能和内能的转化过程具有方

向性。

6、热力学第二定律

(1)扩散现象具有方向性

(2)热力学第二定律

①两种表述：不可能使热量由低温物体传到高温物体，而不引起其他变化；

不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化。也

可以表述为第二类永动机是不可能制成的。

②两种表述是等效

7、绝对零度不可能达到

(1)绝对温度：－273.15℃，叫做绝对零度，又叫热力学零度。

以绝对零度为起点的温度叫做热力学温度，用T表示，单位是开尔文，符号是K。

(2)热力学温度与摄氏温度的关系

T＝t＋273.15K

ΔT＝Δt

(3)热力学第三定律

热力学零度不可能达到，这个结论称做热力学第三定律。

例题：电冰箱是一种类型的制冷机，是用机械的方式制造人工低温的装置。下图为电冰箱的

原理图，一般电冰箱使用氟里昂12，即二氯二氟甲烷（CCl

2

F

2

）作为制冷剂。试回答下列问题：

①叙述电冰箱的工作原理。

②一小孩看到电冰箱能制冷，便打开电冰箱使室内凉快些，

试问此方法是否可行？

③压缩机工作时，强迫制冷剂在冰箱内外的管道中不断循

环，那么下列说法中正确的是

高温物体

低温物体

自发进行

不能自发进行

机械能内能

自发全部转化

不能自发全部转化

压缩机

蒸

发

器

毛细管

冷凝器

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A．在电冰箱的内管道中，制冷剂迅速膨胀并吸收热量。

B．在电冰箱的外管道中，制冷剂迅速膨胀并放出热量。

C．在电冰箱的内管道中，制冷剂剧烈压缩吸收热量。

D．在电冰箱的外管道中，制冷剂被剧烈压缩放出热量。

解析：①热量不会自发地从低温热源移向高温热源，要实现这种逆向传热，需要外界做功。

气态的制冷剂二氯二氟因压缩机中经压缩成高温气体，送入冷凝器，将热量传给空气或水，

同时制冷剂液化成液态氟里昂，再通过膨胀阀或毛细管进行节流减压膨胀后，进入箱内蒸发

器，液态氟里昂在低压下可以在较低的温度下蒸发为气体，在蒸发过程中制冷剂吸热，使周

围温度降低，产生低温环境，蒸发后汽态的制冷剂再送入压缩机，这样周而复始，由外界（压

缩机）做功，系统（制冷剂）从低温热源（蒸发器）吸热，把热量传到高温热源（冷凝器），

从而在冰箱内产生低于室温的温度。

②因为电冰箱的吸热装置（蒸发器）和散热器（冷凝器）同处室内，因此无法使室内温

度降低，由于压缩机不断消耗电能做功转化为内能，室内温度还会升高。

③根据前面的分析可知，本题正确答案为：A、D

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