4　物態(tài)變化中的能量交換 1．熔化與熔化熱 (1)熔化：物質(zhì)從固態(tài)變成液態(tài)的過程叫熔化；而從液態(tài)變成固態(tài)的過程叫凝固。 (2)熔化熱：某種晶體熔化過程中所需的能量(Q)與其質(zhì)量(m)之比叫做這種晶體的熔化熱。 用λ表示晶體的熔化熱，則λ＝Q/m ，在國際單位制中熔化熱的單位是焦耳/千克(J/kg)。 友情提示： ①熔化過程指的是晶體在剛達到熔點，到全部熔化的這一段時間過程，而不是從剛開始加熱到晶體全部熔化這一段時間過程； ②一定質(zhì)量的晶體，熔化時吸收的熱量與凝固時放出的熱量相等； ③不同的晶體有不同的空間點陣，要破壞不同物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，所需的能量就不同，因此不同晶體的熔化熱也不相同； ④非晶體液化過程中溫度會不斷改變，而不同溫度下物質(zhì)由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)時吸收的熱量是不同的，所以非晶體沒有確定的熔化熱。 談重點：化過程的微觀理解　由于固體分子間的強大作用，固體分子只能在各自的平衡位置附近振動，對固體加熱，在其熔化之前，獲得的能量主要轉(zhuǎn)化為分子的動能，使物體溫度升高，當(dāng)溫度升高到一定程度時，一部分分子的能量足以克服其他分子的束縛，從而可以在其他分子間移動，固體開始熔化。 【例1－1】 如果已知銅制量熱器小筒的質(zhì)量是150 g，原來里面裝著100 g 16 ℃的水，放入9 g 0 ℃的冰，冰完全熔化后水的溫度是9 ℃，利用這些數(shù)據(jù)求冰的熔化熱是多少?！层~的比熱容c銅＝3.9×102 J/(kg·℃)，水的比熱容c水＝4.2×103 J/(kg·℃)〕 解析：9 g 0 ℃的冰熔化為0 ℃的水，再升高到9 ℃，總共吸收的熱量 Q吸＝m冰λ＋m冰c水(9 ℃－0 ℃) 量熱器中的水和量熱器小筒從16 ℃降到9 ℃放出的熱量 Q放＝m水c水(16 ℃－9 ℃)＋m筒c銅(16 ℃－9 ℃) 因為Q吸＝Q放，所以m冰λ＋m冰c水(9 ℃－0 ℃)＝(m水c水＋m筒c銅)(16 ℃－9 ℃) 統(tǒng)一單位后，把數(shù)值代入上式，可得 λ＝ 3.3×105 J/kg。 答案：3.3×105 J/kg 點技巧：的熔化熱　冰的熔化熱很大，1 kg 0 ℃的冰熔化成0 ℃的水吸收的熱量，相當(dāng)于把1 kg 0 ℃的水升高到80 ℃需要的熱量。冰的這一特點對自然界有重要的意義。在日常生活中，人們利用冰熔化熱大的特點來冷藏食品、冰鎮(zhèn)飲料等。 【例1－2】 為了使鉛彈受阻而停止時放出的熱量能夠熔化它，問在25 ℃下鉛彈的初速度必須多大？〔鉛的熔化熱為24.5×103 J/kg，鉛的比熱容是0.13×103 J/(kg·℃)，熔點為327 ℃〕 解析：用λ表示物質(zhì)的熔化熱，m表示物質(zhì)的質(zhì)量，Q表示熔化時所需要吸收的熱量，則 Q＝λm 熔化鉛彈(質(zhì)量為m)所需的熱量是： Q＝cmΔt＋mλ ＝0.13×103 J/(kg·℃)×m(327 ℃－25 ℃)＋24.5×103 J/kg·m＝63.8×103 J/kg·m Ek＝Q mv2＝63.8×103 J/kg·m 解得v＝ m/s≈358 m/s。 答案：358 m/s 【例1－3】 一質(zhì)量為50 kg的0 ℃的冰塊，以5.38 m/s的速度沿水平表面滑動，由于冰塊與水平表面之間摩擦的結(jié)果，使冰塊滑動了一段路程之后停了下來。已知冰的熔化熱為334.5×103 J/kg，假定沒有其他熱交換，問冰熔化了多少？ 解析：冰的動能為mv2，經(jīng)過一段路程滑行后停止，設(shè)熔化的冰的質(zhì)量為Δm。 根據(jù)題意，冰塊熔化時吸收的熱量在數(shù)值上等于冰塊動能的變化量。 則有：Δmλ＝mv2 Δm＝＝ kg≈2.16×10－3 kg。 答案：見解析 2．汽化與汽化熱 (1)汽化：物質(zhì)從液態(tài)變成氣態(tài)的過程叫汽化；而從氣態(tài)變成液態(tài)的過程叫液化。 (2)汽化熱：某種液體汽化成同溫度的氣體時所需的能量與其質(zhì)量之比，叫做這種物質(zhì)在這一溫度下的汽化熱。其單位是焦耳/千克(J/kg)或千焦/千克(kJ/kg)。 (3)對汽化熱的理解應(yīng)明確以下幾點： ①液體汽化時，液體分子離開液體表面，要克服其他分子的吸引而做功，因此要吸收能量。 ②液體汽化時體積會增大很多，分子吸收的能量不只用于掙脫其他分子的束縛，還用于體積膨脹時克服外界氣壓做功，所以汽化熱還與外界氣體的壓強有關(guān)。 ③一定質(zhì)量的物質(zhì)，在一定的溫度和壓強下，汽化時吸收的熱量與液化時放出的熱量相等。 ④物質(zhì)的汽化熱是指單位質(zhì)量的某種液體在某一溫度、某一壓強下汽化成同溫度的氣體時吸收的熱量，通常指物質(zhì)在1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的沸點時的汽化熱。 ⑤汽化熱的計算(通常計算在1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓時，沸點下的汽化熱) 設(shè)某物質(zhì)在1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的沸點時的汽化熱為L，物質(zhì)的質(zhì)量為m，則Q＝Lm。 特別提醒：晶體只在達到熔點時才可能熔化，而液體可在任何溫度下汽化。講汽化熱要指明在什么溫度下的汽化熱。 【例2】 在大氣壓為1.013×105 Pa的條件下，要使m＝2.0 kg、t＝100 ℃的水全部變成水蒸氣，至少需要多少熱量？(水的汽化熱L＝2.4×106 J/kg) 解析：100 ℃的水全部變成水蒸氣需要吸收的熱量為 Q＝ mL＝2×2.4×106 J＝4.8×106 J。 答案：4.8×106 J 3．圖象法理解汽化熱與溫度的關(guān)系 對與熔化和汽化有關(guān)的生活現(xiàn)象，應(yīng)從生活現(xiàn)象中抽象出熔化或汽化現(xiàn)象的本質(zhì)，并結(jié)合實際事例具體說明。 汽化熱與溫度的關(guān)系： 水的汽化熱與溫度的關(guān)系 根據(jù)圖象，對在任何溫度下均能汽化的解釋： 晶體只在熔點時熔化，而液體可以在任何溫度下汽化，所以提到汽化熱時一定要注意在什么溫度下的汽化熱。液體汽化時體積會增大很多，分子吸收的熱量不只用于掙脫其他分子的束縛，還用于膨脹時克服外界氣壓做功，所以汽化熱還與外界氣體的壓強有關(guān)。 【例3－1】 下列給出了水的各汽化熱值，請你判斷汽化溫度最高的是(　　) A．2 500 J/g　　　B．200 J/g　　　C．100 J/g　　　D．50 J/g 解析：同種液體溫度不同時汽化熱不同，溫度升高，汽化熱減小。這是由于同種液體分子間的引力大小相同，溫度較高的液體分子，它的平均動能較大，只需供給它較少的熱量就足以使這些分子克服周圍分子的引力而飛出液體，所以汽化熱較小。 答案：D 【例3－2】 在吉尼斯大全中，記述了一個人創(chuàng)造了赤著腳在650 ℃的燃燒著的一長堆木炭上步行了約7.5 m的“世界之最”紀錄。關(guān)于他創(chuàng)下的這個奇跡，下面說法正確的是(　　) A．這個表演者一定在腳下事先抹上了一種高級絕熱防護劑 B．這個表演者一定是跳躍式地走過去的，這樣做接觸時間短，炭火來不及灼傷腳 C．這個表演者可能是用汗腳踩在炭火上一步步輕松地走過去的 D．這個表演者一定是輕輕地踮著腳走過去的，這樣做接觸面積小，即使灼傷也不厲害 解析：當(dāng)赤著的腳踩上炭火時，灼熱的炭火使腳底的汗水迅速汽化，立即在腳底下形成一個很薄的蒸氣層。由于氣體是熱的不良導(dǎo)體，在一段短暫的時間內(nèi)，對腳板將起到絕熱防護作用，行走中腳上流出的汗水部分地補償了汽化所需的水分。因為跳躍、踮著腳走均不能提供足夠的汗水，且容易使腳陷進炭火，從而使保護層失效。故應(yīng)選C。 答案：C 4．熔化過程的微觀解釋 在晶體中，粒子(分子、原子或離子)之間的相互作用力使粒子規(guī)則地聚集在一起，形成空間點陣。粒子只能在它的平衡位置附近做無規(guī)則的微小振動，在低于熔點的情況下，粒子的熱運動不足以克服其間的相互作用。給晶體加熱時，晶體從外界得到能量，粒子的熱運動加劇。達到一定的溫度——熔點時，一部分粒子具有了足夠的動能，能夠克服粒子間的作用力，離開平衡位置。粒子之間的引力再不能維持它們的有序排列，而逐漸轉(zhuǎn)向無序。這時晶體的點陣結(jié)構(gòu)被破壞，晶體開始熔化。 凝固時，情況正好相反，粒子排列成點陣結(jié)構(gòu)，由無序轉(zhuǎn)向有序排列時，粒子間的勢能減小，因此雖然放出能量，溫度卻保持不變，直到全部凝固成晶體。 非晶體的微觀結(jié)構(gòu)跟液體類似，非晶體在吸熱熔化過程中不必為破壞點陣結(jié)構(gòu)而消耗能量，所以溫度不停地上升。 【例4－1】 下列關(guān)于晶體熔化過程的微觀說法中正確的是(　　) A．固態(tài)下物質(zhì)分子受到周圍其他分子的作用力較大 B．固態(tài)下的分子是不動的，熔化過程是使分子運動起來的過程 C．晶體的溫度達到熔點時，有一部分分子的能量能擺脫其他分子的束縛 D．熔化過程就是分子由只在平衡位置振動變成能在其他分子之間移動的過程 解析：固態(tài)下物質(zhì)分子間作用力較大，使分子規(guī)則地聚集在一起，形成空間點陣，分子在其平衡位置附近做無規(guī)則振動。熔化過程中晶體從外界吸收能量，分子運動加劇，克服分子間作用力，離開平衡位置，變成能在其他分子之間移動。綜上所述A、C、D正確。 答案：ACD 【例4－2】 一定質(zhì)量的0 ℃的冰熔化成0 ℃的水時，其分子動能之和Ek和分子勢能之和Ep的變化情況是(　　) A．Ek變大，Ep變大　　　　　　B．Ek變小，Ep變小 C．Ek不變，Ep變大 D．Ek不變，Ep變小 解析：0 ℃的冰熔化成水，溫度不變，故分子的平均動能不變，分子總數(shù)不變，故Ek不變；冰熔化過程中吸收的熱量用來增大分子的勢能，故C正確。 答案：C 3