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热学

IGCSE 物理 · 第 2 主题

训练
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14:24

Thermal Physics

What is heat, really? Zoom in far enough, and everything is made of tiny particles, always moving. Heat something, and its particles move faster. Cool it, and…

英文讲解 · 内嵌中英文字幕

2.1

物质的微粒动理模型

大纲

2.1.1 States of matter

Core Supplement
1 Know the distinguishing properties of solids, liquids and gases
2 Know the terms for the changes in state between solids, liquids and gases (gas to solid and solid to gas transfers are not required)

2.1.2 Particle model

Core Supplement
1 Describe the particle structure of solids, liquids and gases in terms of the arrangement, separation and motion of the particles and represent these states using simple particle diagrams 6 Know that the forces and distances between particles (atoms, molecules, ions and electrons) and the motion of the particles affects the properties of solids, liquids and gases
2 Describe the relationship between the motion of particles and temperature, including the idea that there is a lowest possible temperature ($-273\,{}^{\circ}\text{C}$), known as absolute zero, where the particles have least kinetic energy
3 Describe the pressure and the changes in pressure of a gas in terms of the motion of its particles and their collisions with a surface 7 Describe the pressure and the changes in pressure of a gas in terms of the forces exerted by particles colliding with surfaces, creating a force per unit area
4 Know that the random motion of microscopic particles in a suspension is evidence for the kinetic particle model of matter 8 Know that microscopic particles may be moved by collisions with light fast-moving molecules and correctly use the terms atoms or molecules as distinct from microscopic particles
5 Describe and explain this motion (sometimes known as Brownian motion) in terms of random collisions between the microscopic particles in a suspension and the particles of the gas or liquid

2.1.3 Gases and the absolute scale of temperature

Core Supplement
1 Describe qualitatively, in terms of particles, the effect on the pressure of a fixed mass of gas of: (a) a change of temperature at constant volume (b) a change of volume at constant temperature 3 Recall and use the equation $pV = \text{constant}$ for a fixed mass of gas at constant temperature, including a graphical representation of this relationship
2 Convert temperatures between kelvin and degrees Celsius; recall and use the equation $T\text{ (in K)} = \theta\text{ (in }^{\circ}\text{C)} + 273$

来源:剑桥国际大纲

分子动理论:气体压强

物质以三种状态存在:固体(solid)、液体(liquid)和气体(gas)。

状态 形状 体积 粒子
固体 固定 固定 靠近,在一个规则的图案中,振动
液体 取容器的形状 固定 靠近,没有图案,能互相滑过
气体 填满容器 改变 相隔远,快,随机运动

物态变化是:熔化(固体 → 液体)、沸腾/蒸发(液体 → 气体)、凝结(condensation,气体 → 液体)和凝固(solidification,液体 → 固体)。在凝结中,气体粒子变慢并靠近在一起形成一个液体。在凝固中,液体粒子失去能量并安定在固定的位置。

词汇表 训练
英文 中文 拼音
states of matter/steɪts ɒv ˈmætə/ 物态 wù tài
solid/ˈsɒlɪd/ 固体 gù tǐ
liquid/ˈlɪkwɪd/ 液体 yè tǐ
condensation/kɒndenˈseɪʃn/ 凝结 níng jié
solidification/səˌlɪdɪfɪˈkeɪʃn/ 凝固 níng gù
kinetic particle model/kɪˈnetɪk ˈpɑːtɪkl ˈmɒdl/ 分子动理论 fèn zǐ dòng lǐ lùn
练习卷 双页
2.1

分子动理论模型

所有物质由一直在运动的微小粒子(particles)构成。这是分子动理论。

  • 在一个固体中,粒子只在固定位置周围振动(vibrate)。
  • 在一个液体中它们仍靠近但能互相滑过。
  • 在一个气体中它们相隔远,并在随机方向上快速运动。
三个粒子盒:一个固体的有序网格、一个液体的紧密杂乱,和一个气体的几个快速运动的粒子
同样的粒子在三种状态中:在一个固体中固定而有序、在一个液体中靠近但无序、在一个气体中相隔远而快

Temperature and particle energy

当你加热一个物质时,它的粒子移动更快,所以它们有更多的动能(kinetic energy)。温度(temperature)是粒子平均动能的一个量度。

可能最低的温度是绝对零度(absolute zero),$-273\,{}^{\circ}\text{C}$。在这一点粒子有可能最少的能量。

一个白色数字温度计,带一个长金属探头和一个小屏幕,旁边它的存储盒
一个数字温度计通过感知它接触的粒子的动能来测量温度

Gas pressure

气体粒子撞击它们容器的壁。每次撞击是一个微小的推。气体的压强(pressure)是这些撞击每单位面积的总力。

一个盒子里向所有方向运动的气体粒子,撞击壁
气体压强是无数粒子撞击在壁每单位面积上的总力
  • 加热一个气体(在恒定体积)使粒子移动更快、撞击更用力、更频繁,所以压强上升。
  • 把一个气体挤进一个更小的体积(在恒定温度)意味着每单位面积每秒更多的撞击,所以压强上升。

对于恒定温度的一个固定质量的气体:

$$pV = \text{constant}$$

所以若体积减半,压强翻倍。

一条压强对体积的曲线,陡峭下降然后趋平,点显示体积减半使压强翻倍
在恒定温度,压强-体积图是一条曲线:体积减半而压强翻倍,所以 $pV$ 保持不变

例题。 一个气体在 $100\ \text{kPa}$ 的压强下有 $200\ \text{cm}^3$ 的体积。它在恒定温度被挤到 $50\ \text{cm}^3$。求新压强。

因为 $pV$ 保持不变,$p_1 V_1 = p_2 V_2$:

$$100 \times 200 = p_2 \times 50 \quad\Rightarrow\quad p_2 = \frac{20\,000}{50} = 400\ \text{kPa}$$

Brownian motion

若你在显微镜下看空气中的烟,你看到微小的斑点以一种颠簸、随机的方式运动。这是布朗运动(Brownian motion)。这些斑点被快速、看不见的空气粒子撞击它们而被推动。它是分子动理论的强证据。

一个大的烟粒在一条之字形路径上,被小的快速空气粒子撞击它围绕
来自快速空气粒子的随机撞击把一个烟粒沿一条颠簸、随机的路径推动

The kelvin scale

科学家常常用开尔文(kelvin,K)温度标度,它从绝对零度开始。要转换:

$$T\text{ (in K)} = \theta\text{ (in }^{\circ}\text{C}) + 273$$

所以 $0\,{}^{\circ}\text{C} = 273\ \text{K}$

例题。$25\,{}^{\circ}\text{C}$ 转换成开尔文,把 $200\ \text{K}$ 转换成摄氏度。

$$25 + 273 = 298\ \text{K}, \qquad 200 - 273 = -73\,{}^{\circ}\text{C}$$
探索

Squeeze a gas (Boyle's law)

Slide the piston in to shrink the volume. The same particles get crammed into less space, so they hit the walls more often and the pressure climbs — while pressure × volume stays constant.

词汇表 训练
英文 中文 拼音
gas/ɡæs/ 气体 qì tǐ
particle/ˈpɑːtɪkl/ 粒子 lì zi
vibrate/vaɪˈbreɪt/ 振动 zhèn dòng
kinetic energy/kɪˈnetɪk ˈenədʒi/ 动能 dòng néng
temperature/ˈtemprɪtʃə/ 温度 wēn dù
absolute zero/ˈæbsəluːt ˈzɪərəʊ/ 绝对零度 jué duì líng dù
pressure/ˈpreʃə/ 压强 yā qiáng
Brownian motion/ˈbraʊnɪən ˈməʊʃn/ 布朗运动 bù lǎng yùn dòng
kelvin/ˈkelvɪn/ 开尔文 kāi ěr wén
thermometer/θɜːˈmɒmɪtə/ 温度计 wēn dù jì
2.2

热学性质与温度

大纲

2.2.1 Thermal expansion of solids, liquids and gases

Core Supplement
1 Describe, qualitatively, the thermal expansion of solids, liquids and gases at constant pressure 3 Explain, in terms of the motion and arrangement of particles, the relative order of magnitudes of the expansion of solids, liquids and gases as their temperatures rise
2 Describe some of the everyday applications and consequences of thermal expansion

2.2.2 Specific heat capacity

Core Supplement
1 Know that a rise in the temperature of an object increases its internal energy 2 Describe an increase in temperature of an object in terms of an increase in the average kinetic energies of all of the particles in the object
3 Define specific heat capacity as the energy required per unit mass per unit temperature increase; recall and use the equation
$$c = \frac{\Delta E}{m\Delta\theta}$$
4 Describe experiments to measure the specific heat capacity of a solid and a liquid

2.2.3 Melting, boiling and evaporation

Core Supplement
1 Describe melting and boiling in terms of energy input without a change in temperature 6 Describe the differences between boiling and evaporation
2 Know the melting and boiling temperatures for water at standard atmospheric pressure
3 Describe condensation and solidification in terms of particles
4 Describe evaporation in terms of the escape of more-energetic particles from the surface of a liquid 7 Describe how temperature, surface area and air movement over a surface affect evaporation
5 Know that evaporation causes cooling of a liquid 8 Explain the cooling of an object in contact with an evaporating liquid

来源:剑桥国际大纲

当物质被加热时,它的粒子运动更多并占据更多的空间,所以材料膨胀。气体膨胀最多,然后液体,然后固体。这个顺序来自粒子之间的力:在一个固体中粒子被紧紧地固定在一个晶格(lattice,一个固定的图案)中,所以它们只能振动得稍微多一点;在一个液体中它们被固定得没那么紧;在一个气体中力非常弱,所以粒子铺开得多得多。

日常例子:铁轨之间留有间隙;桥坐在滚轮上;一个紧的金属盖在被加热时松开。

两条铁轨,凉时有一个小间隙,然后热时膨胀并接触
铁轨之间凉时留一个小间隙,所以当它们在热中膨胀时间隙闭合而不是使轨道弯曲
探索

Heating and specific heat capacity

Q = mcΔT

The heat energy needed is proportional to the temperature rise for a given mass of material.

词汇表 训练
英文 中文 拼音
thermal expansion/ˈθɜːml ekˈspænʃn/ 热膨胀 rè péng zhàng
lattice/ˈlætɪs/ 晶格 jīng gé
观看视频课 练习卷 双页
2.2

内能与比热容

一个物体的内能(internal energy)是它所有粒子的总能量。加热一个物体提高它的内能,而且通常它的温度。

比热容(specific heat capacity)是把 1 kg 的一个材料的温度提高 1 °C 所需的能量。

$$c = \frac{\Delta E}{m\,\Delta\theta}$$

一个有高比热容的材料(像水)需要很多能量来升温,而且冷却缓慢。

例题。$2.0\ \text{kg}$ 的水从 $20\,{}^{\circ}\text{C}$ 加热到 $70\,{}^{\circ}\text{C}$ 需要多少能量?水的比热容是 $4200\ \text{J/(kg}\,{}^{\circ}\text{C)}$

重排 $c = \frac{\Delta E}{m\,\Delta\theta}$ 给出 $\Delta E = mc\,\Delta\theta$,其中 $\Delta\theta = 70 - 20 = 50\,{}^{\circ}\text{C}$:

$$\Delta E = 2.0 \times 4200 \times 50 = 420\,000\ \text{J} = 420\ \text{kJ}$$

测量比热容。 对于一个固体,用一个有两个孔的金属块:一个孔放一个电加热器(heater),一个孔放一个温度计(thermometer)。测量金属块的质量 $m$。把加热器打开一段测量过的时间 $t$,并记录电流 $I$ 和电压 $V$,这样供应的能量是 $E = IVt$(或从一个焦耳计读出能量)。记录温度上升 $\Delta\theta$。然后 $c = \dfrac{E}{m\,\Delta\theta}$。对于一个液体,在一个容器里加热一个测量过质量的液体并搅拌它,使温度处处相同。把金属块或容器包上隔热材料(insulating material),这样逃到空气中的能量更少。

Boiling water: internal energy rises with temperature; specific heat capacity is energy per kg per °C
Boiling water: internal energy rises with temperature; specific heat capacity is energy per kg per °C
词汇表 训练
英文 中文 拼音
internal energy/ɪnˈtɜːnl ˈenədʒi/ 内能 nèi néng
specific heat capacity/spəˈsɪfɪk hiːt kəˈpæsɪti/ 比热容 bǐ rè róng
heater/ˈhiːtə/ 加热器 jiā rè qì
insulating material/ˈɪnsjuːleɪtɪŋ məˈtɪərɪəl/ 隔热材料 gé rè cái liào
boiling/ˈbɔɪlɪŋ/ 沸腾 fèi téng
2.2

熔化、沸腾与蒸发

熔化(melting)和沸腾(boiling)需要能量,但在状态变化时温度保持不变。这个能量打破粒子之间的力。对于正常气压下的水,熔化在 $0\,{}^{\circ}\text{C}$、沸腾在 $100\,{}^{\circ}\text{C}$

一条温度对时间的加热曲线,在熔化期间和沸腾期间有平坦的平台
当物质熔化时和当它沸腾时温度保持平坦,即使能量仍在被添加

蒸发(evaporation)是当一个液体在它的表面、低于沸点变成一个气体时。最快的粒子从表面逃逸。因为最快(最有能量)的粒子离开,留下的那些的平均能量下降,所以液体冷却(cools down)。一个接触正在蒸发的液体的物体也冷却,因为液体从它那里取走能量:这就是为什么汗液使你的皮肤凉下来。

蒸发在温度更高、表面积更大,以及表面上有更多空气流动时更快。

探索

The heating curve — watch the temperature pause

While the substance is melting or boiling the temperature stays flat, even though heat is still going in — the energy breaks bonds instead of warming it.

词汇表 训练
英文 中文 拼音
melting/ˈmeltɪŋ/ 熔化 róng huà
evaporation/ɪˌvæpəˈreɪʃn/ 蒸发 zhēng fā
cools down/kuːlz daʊn/ 冷却 lěng què
transfer of thermal energy/ˈtrænsfɜː ɒv ˈθɜːml ˈenədʒi/ 热能传递 rè néng chuán dì
2.3

热能的传递

大纲

2.3.1 Conduction

Core Supplement
1 Describe experiments to demonstrate the properties of good thermal conductors and bad thermal conductors (thermal insulators) 2 Describe thermal conduction in all solids in terms of atomic or molecular lattice vibrations and also in terms of the movement of free (delocalised) electrons in metallic conductors
3 Describe, in terms of particles, why thermal conduction is bad in gases and most liquids
4 Know that there are many solids that conduct thermal energy better than thermal insulators but do so less well than good thermal conductors

2.3.2 Convection

Core Supplement
1 Know that convection is an important method of thermal energy transfer in liquids and gases
2 Explain convection in liquids and gases in terms of density changes and describe experiments to illustrate convection

2.3.3 Radiation

Core Supplement
1 Know that thermal radiation is infrared radiation and that all objects emit this radiation
2 Know that thermal energy transfer by thermal radiation does not require a medium 4 Know that for an object to be at a constant temperature it needs to transfer energy away from the object at the same rate that it receives energy
3 Describe the effect of surface colour (black or white) and texture (dull or shiny) on the emission, absorption and reflection of infrared radiation 5 Know what happens to an object if the rate at which it receives energy is less or more than the rate at which it transfers energy away from the object
6 Know how the temperature of the Earth is affected by factors controlling the balance between incoming radiation and radiation emitted from the Earth’s surface
7 Describe experiments to distinguish between good and bad emitters of infrared radiation
8 Describe experiments to distinguish between good and bad absorbers of infrared radiation
9 Describe how the rate of emission of radiation depends on the surface temperature and surface area of an object

2.3.4 Consequences of thermal energy transfer

Core Supplement
1 Explain some of the basic everyday applications and consequences of conduction, convection and radiation, including: (a) heating objects such as kitchen pans (b) heating a room by convection 2 Explain some of the complex applications and consequences of conduction, convection and radiation where more than one type of thermal energy transfer is significant, including: (a) a fire burning wood or coal (b) a radiator in a car

来源:剑桥国际大纲

热能以三种方式从更热的地方移动到更冷的地方。

Conduction

热传导(conduction)是热能穿过一个材料而材料不移动的传递。一个固体中的粒子坐在一个晶格中。被加热的粒子振动更多并把能量传给它们的邻居。在金属中,自由(离域)电子(delocalised electrons,自由电子)快速携带能量,所以金属是好的热导体(thermal conductors)。

导得差的材料(像空气、木头和塑料)是热绝缘体(thermal insulators)。

测试导体。 用一点蜡把一枚图钉固定在铜、铁、玻璃和木头棒的一端,并同等地加热另一端。图钉最先从铜棒掉下,然后是铁棒,最后(或永远不)从玻璃和木头掉下:金属是最好的导体。一根拿在火焰里的金属棒很快感觉热;一根木棒不会。

气体和大多数液体是差的导体,因为它们的粒子相隔远,只在碰巧碰撞时才传递能量。没有晶格,也没有自由电子。

一根一端被加热的金属棒,它的粒子振动并把能量传向凉的一端
在热传导中振动的粒子把能量传给它们的邻居,所以能量从热的一端流向凉的一端

Convection

对流(convection)在液体和气体中发生。当一个流体被加热时它膨胀、变得密度更小,并上升。更凉、密度更大的流体下沉以取代它的位置。这个移动流体的循环是一个对流

一个从下面被加热的水烧杯,一个循环箭头显示热水上升、凉水下沉
被加热的流体上升,而更凉的流体下沉,建立一个对流

显示对流。 把一粒紫色的高锰酸钾(potassium permanganate)晶体放进一个烧杯的水中,并在晶体下方轻轻加热烧杯。一股有颜色的水流在加热处上方上升、在顶部铺开,并在两侧下沉。在空气中,一个烟箱的一个烟囱下方点燃的蜡烛把烟从另一个烟囱拉下去,再从火焰上方拉上来。

对流不能在一个固体中发生,因为粒子不能从一个地方移动到另一个。

Radiation

热辐射(thermal radiation)是红外线(infrared)波携带的能量。所有物体发射它,而它不需要材料来穿过——它能越过空的空间(这就是能量如何从太阳到达我们)。

一个暗淡(dull)而黑的表面是一个好的红外线发射体(emitter)和好的吸收体(absorber)。一个闪亮而白的表面是一个差的发射体和好的反射体(reflector)。

一个暗淡的黑色表面放出许多红外线波,挨着一个放出很少的闪亮表面
一个暗淡的黑色表面发射(并吸收)红外线比一个闪亮、白的好得多

比较表面。 把两个罐子,一个暗淡的黑色、一个闪亮的银色,装满同样温度的热水,并在每个里放一个温度计。黑色的罐子冷却得更快,所以它是更好的发射体。然后把同样的两个罐子装满冷水,放在离一个加热器相等的距离处。黑色的罐子变暖得更快,所以它是更好的吸收体。一个莱斯利立方体(Leslie cube,一个每一面是一种不同表面的金属盒)显示同样的事。

一只手的三张图:在普通光中、然后在一台热像仪中温暖并发出黄光、然后更凉、更暗
一台热(红外)相机把一只温暖的手放出的红外线变成一张图;更亮意味着更热

当一个物体以与它吸收能量相同的速率发射能量时,它保持在一个恒定的温度。当表面更热、更大时发射速率更大。若一个物体吸收能量比它发射得快,它的温度上升;若它发射得比吸收快,它的温度下降。

地球的温度。 地球吸收来自太阳的辐射,并把红外辐射发射回太空。只有当两个速率相等时,它的平均温度才保持恒定。任何改变这个平衡的东西都改变温度。大气(atmosphere)中的气体(如二氧化碳)吸收一些发射出的红外线并把一部分送回地面,所以这些气体越多,地球越暖。云和冰反射入射的阳光,所以冰越少,被吸收的能量越多,地球进一步变暖。

Everyday examples

  • 一个平底锅有一个把能量快速传导给食物的金属底,和一个作为绝缘体的塑料或木头把手,所以你能拿住它。
  • 一个散热器(radiator)通过对流给一个房间加热:挨着它的空气变暖、上升,更凉的空气流进来取代它的位置,所以整个房间变暖。
  • 坐在一堆火旁边,你立刻在脸上感觉到它的辐射;你和火之间的空气是差的导体。
  • 一个保温瓶(vacuum flask)通过阻止全部三种传递来保持一杯饮料热:它双层壁之间的真空阻止传导和对流,而它闪亮的银色表面阻止辐射。
探索

Heat transfer lab

Compare the routes by which thermal energy moves.

词汇表 训练
英文 中文 拼音
conduction/kənˈdʌkʃn/ 热传导 rè chuán dǎo
delocalised electrons/dɪˈlɒkəlaɪzd ɪˈlektrɒnz/ 自由电子 zì yóu diàn zi
thermal conductor/ˈθɜːml kənˈdʌktə/ 热导体 rè dǎo tǐ
thermal insulator/ˈθɜːml ˈɪnsjuːleɪtə/ 热绝缘体 rè jué yuán tǐ
convection/kənˈvekʃn/ 对流 duì liú
potassium permanganate/pəˈtæsɪəm pəˈmæŋɡəneɪt/ 高锰酸钾 gāo měng suān jiǎ
thermal radiation/ˈθɜːml ˌreɪdɪˈeɪʃn/ 热辐射 rè fú shè
infrared/ˌɪnfrəˈred/ 红外线 hóng wài xiàn
dull/dʌl/ 暗淡 àn dàn
emitter/ɪˈmɪtə/ 发射体 fā shè tǐ
absorber/əbˈsɔːbə/ 吸收体 xī shōu tǐ
reflector/rɪˈflektə/ 反射体 fǎn shè tǐ
Leslie cube/ˈlesli kjuːb/ 莱斯利立方体 lái sī lì lì fāng tǐ
atmosphere/ˈætməsfɪə/ 大气 dà qì
radiator/ˈreɪdɪeɪtə/ 散热器 sàn rè qì
vacuum flask/ˈvækjuːm flæsk/ 保温瓶 bǎo wēn píng
2.3

考试技巧

  • 分子动理论中,加热一个气体使它的粒子移动更快、更用力、更频繁地撞击壁,所以压强上升。粒子本身不变大。
  • 蒸发只在表面、在任何温度发生;沸腾在一个固定的温度贯穿整个液体发生。蒸发使留下的液体冷却,因为最快的粒子逃逸。
  • 熔化沸腾期间温度保持恒定,即使能量仍在被供应——那个能量打破粒子之间的力。
  • 对于比热容$\Delta E = mc\,\Delta\theta$,其中 $\Delta\theta$ 是温度的变化,不是最终温度。
  • 暗淡的黑色表面是红外线的最好发射体和吸收体;闪亮、浅色的表面是最好的反射体。对流需要一个流体流动,所以它不能在一个固体中发生。

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