热学性能（精选九篇）
热学性能 篇1
相变储能材料 (PCM) 是利用材料在相变过程中的吸热和放热效应, 进行热能存贮和温度调控的物质[1,2]。相变材料的应用能有效地减少空调的使用或降低空调的负荷, 其应用前景相当乐观[3]。本文以石蜡作为相变材料, 膨胀珍珠岩为载体制备复合相变材料, 对所制备的复合相变材料热学性能及耐久性进行研究, 为高性能相变材料的制备及应用奠定一定基础。
2 试验部分
2.1 制备
将膨胀珍珠岩和石蜡在恒温水浴锅中共同加热到60℃, 边加热边搅拌, 恒温30 min后, 将石蜡和膨胀珍珠岩共同倒入密闭釜中, 开动真空水泵。真空吸附一段时间以后关闭真空泵, 重复以上操作若干次, 则可制得复合相变材料。
2.2 测试与表征
2.2.1 FT-IR
采用美国热电集团尼高力分子光谱仪器公司的Nexus 670傅里叶变换红外光谱仪测定, KBr压片。
2.2.2 步冷曲线
将石蜡置于65℃的水浴中, 30 min后取出利用温度记录仪测试温度变化得到步冷曲线。
2.2.3 DSC分析
本实验采用仪器是差热分析仪, 升温速率为10℃/min, 采用铝制坩埚和氮气氛。分别将制备好的5份试样取少量加入仪器的坩埚中, 然后以恒定不变的速率10℃/min加热试样, 加热至待测试样熔化为止。
2.2.4 热学耐久性
采用质量损失法, 测量复合相变材料在凝固-熔化循环后的质量损失评价其热学耐久性能。具体方法为将一定量的复合相变材料置于50℃的恒温干燥箱中20 min, 然后拿到自然环境中放热20 min, 如此循环, 分别测试10次、20次、30次吸热、放热后的质量, 计算出质量损失率。
3 结果与讨论
3.1 FT-IR
由图1可见, 对于膨胀珍珠岩的红外吸收曲线, 3443 cm-1处为膨胀珍珠岩表面的Si-O-H伸缩振动引起的吸收峰, 在1 053 cm-1处由Si-O-Si反对称伸缩振动引起的强吸收峰, 在458 cm-1处出现吸收峰与膨胀珍珠岩中Si-O-M (金属离子) 和M-O耦合振动有关。
对于石蜡的红外吸收曲线, 2 950 cm-1和2 850 cm-1处为甲基、亚甲基的C-H键的伸缩振动吸收峰;1 468 cm-1处为甲基的不对称变形振动和-CH2的变形振动重叠引起的, 725 cm-1处为亚甲基的面内摇摆振动吸收峰;对石蜡-膨胀珍珠岩红外光谱, 在3 443、2 950、2 850、1 468、1 053、729、458 cm-1均出现吸收峰, 且无明显改变, 其红外光谱可认为是单纯叠加作用, 即石蜡和膨胀珍珠岩未发生化学反应, 未生成新的基团, 两者之间仅为物理嵌合作用。
3.2 步冷曲线
石蜡放热时间长达300 min, 未出现稳定的结晶温度 (由于石蜡是不同熔点及潜热的纯烷烃按一定质量分布混合而成的混合物) , 但总体放热效果良好。由此可见, 石蜡储能相变材料在30℃以上均可完成结晶过程并放出所储存的热量, 能很好地满足向室温环境放热的需求。
3.3 DSC
由图3可知, 石蜡吸热峰位于50℃~60℃之间, 初始相变温度49.1℃, 结束时为55.9℃, 峰值相变温度位于56.6℃附近。潜热的角度来分析, 石蜡的相变潜热为148.3 J/g, 而复合相变储热材料的相变潜热为91.3 J/g, 为单纯石蜡的62%, 要低于单一石蜡的相变焓。由此我们可以推断所选用的膨胀珍珠岩对石蜡的最佳吸附量约为62%左右[4]。
3.4 耐久性
从表1可以看出, 随着次数的增加, 其质量损失率虽然逐渐增大, 但向上的趋势较为平缓, 可以看到石蜡在每10次循环的质量损失率都几乎小于0.3‰, 试验过程中, 复合相变材料面无渗出的油腻感, 表明了以石蜡为相变材料, 膨胀珍珠岩为载体, 通过熔融物理吸附法, 制备出的石蜡-膨胀珍珠岩复合相变材料能稳定保存, 相变材料在不断的冷-热变化中, 从膨胀珍珠岩载体材料中极少渗出, 在后续的环境冷热变化中也不易失效。
4 结论
石蜡和膨胀珍珠岩之间是简单的嵌合关系, 未发生化学变化生成新的物质。
石蜡储能相变材料在30℃以上均可完成结晶过程并放出所储存的热量, 能很好地满足向室温环境放热的需求。
石蜡和改性硅藻土可制备出性能良好的复合相变储能材料, 复合材料中石蜡的适宜含量为62%, 此时相变温度为53.6℃, 相变潜热为91.3 J/g。
复合相变材料经多次冷热循环后, 没有明显的液体泄露。
参考文献
[1]郭静, 相恒学, 徐德增, 王倩倩.月桂酸—膨胀珍珠岩复合相变材料的制备及性能研究[J].大连工业大学学报, 2012, 31 (1) .
[2]吴芳, 徐仁崇, 杨长辉, 张智强.癸酸-月桂酸二元复合相变储能材料试验研究[J].武汉理工大学学报, 2009, 31 (7) .
[3]杨厚林, 董莪, 刘杰胜.月桂酸—膨胀珍珠岩复合相变材料的制备及性能研究[J].武汉工业学院学报, 2013, 32 (4) .
初中物理热学复习 篇2
1、交警在查“酒驾”时，先请司机打开车窗，若闻到酒精气味，则要求司机必须接受酒精含量的测试。交警能闻到酒精气味是因为酒精()A．分子间有空隙 B．分子很小 C．分子在不断运动 D．分子可分
2、下列现象中，属于用热传递的方法改变物体内能的是()A．刚从蒸笼里拿出的馒头，放一阵子变凉了 B．冬天天冷，通过搓手发热取暖
C．用锤子敲打石头时，锤子发热 D．给自行车车胎打气，打气筒壁变热了 1．（2010，江西南昌）下列有关热的说法正确的是
（）
A．任何温度计都不能离开被测物体读数 B．水往低处流，是因为分子在不停地运动 C．用水作汽车冷却液，是因为水的比热容较大 D．晶体在熔化过程中温度不变，内能也不变 2．（2010，福州）厨房中的一些现象和做法都含有物理知识，下列对应正确的是（）
A．打开醋瓶能闻到酸味——分子做无规则运动 B．用高压锅煮饭——利用降低气压，提高水的沸点 C．打开锅盖看到“白气”——汽化现象 D．用煤气灶烧开水——利用做功改变物体内能 4．（2010，黑龙江鸡西）下列关于能量转化的实例，你认为说法正确的是（）A．水轮机带动发电机发电 电能转化为机械能
B．燃料燃烧 化学能转化为内能 C．汽油机的做功冲程 机械能转化为内能 D．给蓄电池充电 化学能转化为电能 6．（2010，莱芜）下图表示四冲程内燃机工作时各冲程的示意图，它们正确的排列顺序为（）A．甲、乙、丙、丁 B．丁、丙、乙、甲
C．甲、丙、乙、丁 D．甲、丁、乙、丙
8.（2010，云南楚雄）关于温度、热量和内能的说法中不正确的是（）A.0的冰块也有内能
B.温度高的物体，内能一定大 C.物体吸收热量，温度不一定升高
D.物体吸收热量，内能一定增大 10.（2010，兰州）关于内能、热量和温度，下列说法中正确的是（）
A．温度低的物体可能比温度高的物体内能多 B．物体内能增加，温度一定升高 C．物体内能增加，一定要从外界吸收热量 D．物体温度升高，它的热量一定增加 14．（2010，泰州）用手反复弯折铁丝，弯折处的分子热运动_ _温度升高，这是通 的方式改变铁丝的内能． 15．（2010，常州）截至目前，中国第一大地热发电站西藏羊八井地热电站已累计发电超过24亿千瓦时，从地下井→汽轮机→发电机，其能量转化过程是：内能→ → ． 16．（2010，江苏宿迁）2010年5月，冰岛火山爆发是由于炽热的岩浆在极大的压力下，突破地壳，喷涌而出．说明流出的岩浆具有动能，它是由 能转化来的．炽热的岩浆向四周流动，越过山坡，淹没村庄．岩浆冲上山坡，把动能转化为 能． 17．（2010，常州）汽油机的一个工作循环是由 个冲程组成，其中对外做功 次．在压缩冲程中，气体的温度升高，这是通过 的方式增加内能．为了不让汽油机在工作时温度升得太高，在设计制造时，汽缸外有一个水套，让汽缸被水包围着，这是通过 的方式减少汽缸内能．用水来冷却汽缸是因为水的 较大．
19.(2010,湖北荆门)我市城区的天鹅湖水上公园是市民休闲娱乐的好去处。走在湖边，常能闻到阵阵花香，这是由于分子做 运动的结果；阳光下湖面波光粼粼，这是光的 现象；夏天可明显感觉到湖边比马路上凉爽，这是因为水的 较大，且在蒸发时会（选填“吸热”或“放热”）。
23、一杯水，温度由30ºC加热到50ºC时吸收的热量为Q1，再由50ºC加热到70ºC时吸收的热量为Q2，Q1_______Q2（填‘大于’、‘小于’或‘等于’）。
热学性能 篇3
阴极作为行波管、速调管等高功率微波器件的核心部件,其性能好坏直接影响到整个器件的性能。随着整管性能的提高,对阴极热子组件的发射电流密度、可靠性及寿命都提出了越来越高的要求,上述三个指标都是判定阴极性能好坏的关键指标。阴极结构中,热子的寿命和其工作温度有着密切的关系,因此提高阴极热子组件的加热效率是一个至关重要的问题。
从热力学基本原理考虑,在维持相同阴极基体温度的情况下,提高加热效率必须使热量尽可能多的从热子传输到阴极基体,而不是传输到其他部件或耗散到空间去。热量传导有三种途径:传导、对流和热辐射,因此提高加热率也有三个方向:抑制热传导和热辐射。由于大多数阴极都工作在真空环境中,因此只讨论传导和热辐射。
近年来,国内外学者通过优化阴极结构,使相同阴极温度下热子温度有了显著的降低[1,2,3,4,5,6],其中采用阴极-热子组件取得了显著的效果;适当地增加热屏也显著地改善了阴极的温度分布。
ANSYS有限元分析软件在传热学理论分析上有着优异性能,可以利用该软件对阴极—热子组件在开槽与不开槽两种情况下的温度及热流进行模拟,结合实验测量,通过对比来分析该结构优化对温度的影响。这为阴极-热子组件结构的优化设计提供理论指导。
1 阴极-热子组件结构的性能研究
1.1 阴极-热子组件结构热学性能的研究
阴极-热子组件结构的热性能不仅决定了阴极平均发射电子流稳定与否,而且还是影响阴极-热子组件乃至行波管、速调管等微波器件寿命与可靠性的重要因素。优良的热学性能能够使阴极-热子组件有更出色的加热比效率、寿命等性能。而对阴极-热子组件的优化并不仅限于选择适合的金属材料用于阴极-热子组件的各个部分,若结合对其结构进行有目的的优化能更好地改善其热学性能。本文采用ANSYS软件模拟与实验测量相结合的方法对阴极热屏开槽后温度分布进行研究,并与未开槽结构的温度对比,对结果进行分析,在热子输入功率一定下,阴极基体的温度越高,组件的热学性能越好。
1.2 传热学基本理论
组件的热学性能主要是指组件上温度分布、热流的分布。热量传输也只有三种途径:热传导、热对流和热辐射;研究中只考虑热传导和热辐射。
热传导的主要理论就是傅里叶定律:
热传导的微分方程如下:
式(2)中g为单位体积、单位时间的发热量;k为导热系数;
热辐射通过电磁波传热的方法。它不需要介质,本文所研究的阴极属于不透明物体,因此发生的辐射是一种表面现象。黑体辐射的基本规律归结为三个定律——普朗克定律、斯特藩-波尔兹曼定律和兰贝特定律。
普朗克定律揭示了黑体辐射能按照波长的分布规律,即式(3)。
式(3)中,c1、c2分别为第一、第二辐射常数。
斯特藩-波尔兹曼定律表述了黑体辐射力和温度之间的关系:
Eb=σT4 (4)
黑体辐射力和温度的四次方成正比。α 为斯特藩-波尔兹曼常数,值为5.67×10-8 W/(m2·K4)。
兰贝特定律黑体辐射能量和立体角度成余弦关系:
另外,基尔霍夫定律揭示了吸收比和辐射率之间的关系。辐射还和表面辐射率,辐射面积和角系数因素有关系。由此可见辐射分析是非常复杂的分析,本文只考虑全波段和半球辐射,问题得到简化,物体之间热量的传递满足式(6)。
E=εσT4 (6)
ANSYS软件对热传导的分析已经是相当完善,而且完全可以用以分析本问题中的辐射问题。在热传导部分的单元类型本文采用热学计算的8节点的SOLID70,在热辐射部分的表面效应单元采用3D单元SURF152。本文研究的组件材料的部分属性列于表1中:
2 热屏开槽的影响
运用ANSYS对阴极-热子组件建模并对其热计算,得到热子加热功率为3.5 W时内侧热屏未开槽的热流大小图(如图1)。从图1中可看出,部分区域的热流明显高于其他地方,而内侧热屏是支撑筒和外热屏、底座之间热传导的唯一途径,其向下传输热量的功率大约为1.31 W,有相当大比例的热量从此处耗散掉,因此在内侧热屏热流大的地方开槽,对有效的抑制热量传输到底座、减少热量损耗以及提高热子的加热效率有重要意义。
对热屏开槽后温度进行分析是本论文讨论的重点问题,热屏开槽是指在内侧热屏上适当地挖去一部分形成开槽结构。(见图2)。增加热屏后的阴极-热子组件由阴极基体、支撑筒、热子、内外热屏、底座以及填充烧结的Al2O3组成。其中热子是整个组件中唯一的热源,部件间通过热传导和热辐射传输热量,并且向外空间辐射能量。
2.1 有限元模型的建立
本文比较了如下两种结构(开槽与不开槽)的阴极-热子组件的温度分布,以得到开槽后对阴极热学性能的影响。两种结构的区别仅存在于内侧热屏开槽与否,其他尺寸一样;其中,结构Ⅰ内侧热屏没有开槽,结构Ⅱ内侧热屏进行了适当地开槽,在本论文中开槽厚度为0.2 mm,间隔为1.5 mm的2组槽。(如图2所示)。
采用solid70对实体模型。对基体、支撑筒、内外侧热屏等采用体扫略划分网格,底座等温度变化缓慢的部分稍微粗略划分,并对关键线和点处进行优化,同时兼顾了仿真速度和仿真精度。划分网格后的模型如图3所示。
2.2 施加载荷及边界条件
分析类型采用瞬态分析,计算时间设置为5分钟,以便能够得到基本稳定的温度分布。热子的生热率通过将电功率换算成生热量施加到热子上,单位是W·m3,热子的加热功率设定为3.5 W。由于材料的辐射率只和材料表面的颜色有关,因此应当结合组件的实际情况来设定对应的辐射率。考虑到组件是工作在太空环境中的,热辐射空间节点的温度设定为4 K,整个组件的初始温度设定为4 K。
2.3 模拟结果分析
计算完成后采用通用后处理(General Postproc)对计算数据进行分析。
图4和图5分别为两种结构的阴极基体温度分布。由图中所示可以看出,在同样的加热功率及边界条件下,改进后阴极发射基体的温度有了显著的提升,由963 ℃提高至1 045 ℃大约提升了82 ℃。
图6和图7分别为两种结构的热子温度分布。由图中所示可以看出改进后,热子的温度由965 ℃提高至1 047 ℃大约提高了82 ℃。
由上述分析可见,对内侧热屏开槽后,阴极-热子组件的热学性能有了显著的提升,提高了热子的加热效率。
如图4—图7所示,拾取两种不同结构上相同位置的两对节点的温度,并比较其大小关系:A、A`为阴极发射基体上表面中心节点,B、B`为热子螺旋线最上侧节点。其温度如表2所列。
从表2数据可以观察出,开槽之后阴极-热子组件上A、B两点的温度明显升高,这就说明开槽使得传播到阴极上的热量增多,而耗散在底座上的热量减少了,从而极大地改善了其热学性能。
采用时间后处理器对阴极-热子组件温度随时间的变化进行分析,得出结构优化对阴极-热子组件启动时间的影响。
图8和图9分别为两种结构温度-时间曲线。图中显示,结构II阴极基体温度达到稳定状态的时间(124 s)要小于结构I的时间(168 s),对其结构优化后改善了阴极-热子组件的启动时间。
3 计算结果与温度实测比较
按照上述两种结构制成阴极热子组件样品,采用相同结构的热子、相同物理参数的材料、及其他主要参数,并放到测试间点亮,待温度达到稳定后测试其温度,测试数据如图10所示。
图10显示,使阴极基体达到相同的温度时结构II的加热功率低于于结构I,即结构II中热子加热效率高于结构I,这与计算机计算得到的结果吻合,至于模拟结果与实验数据之间的微小差异则是因为在理论计算的时候采用了一些简化的模型,但这并不影响结果的正确性。
4 结论
利用上述的研究结果,文章提出行波管阴极设计如下的改进方案:在内侧热屏热流大的部位开槽可以有效地减少传播到底座的热量,显著地改善了组件热学性能,这对于提高热子的加热效率非常有意义。
参考文献
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传热学论文 篇4
内燃1301赵坤
摘要：地球自有人类出现至今，已为人类的生存提供了维持生命所必须的条件,但人类社会的发展和对地球的开发利用，使得地球正遭受着毁灭性破坏。工业化革命以来，人类的活动增加了大气中的温室气体，导致了地球升温，全球气候不断恶化„„
关键词：全球变暖 温室效应 二氧化碳 对策
何为温室效应
温室效应，是指“大气中的温室气体通过对长波辐射的吸收而阻止地表热能耗散，从而导致地表温度增高的现象”。温室效应，又称“花房效应”，是大气保温效应的俗称。大气中的二氧化碳浓度增加，阻止地球热量的散失，使地球发生可感觉到的气温升高，这就是有名的“温室效应”。破坏大气层与地面间红外线辐射正常关系，吸收地球释放出来的红外线辐射，就像“温室”一样，促使地球气温升高的气体称为“温室气体”。
温室效应的一般机理
温室效应是由太阳——大气——地球系的物理学相互作用造成的,包含以下关键因素。
（1）太阳的温度大约为5800K它外发射光线,产生许多波长的光,波谱范围从紫外线到红外线,在550μm左右的可见光部分最大。
（2）这些光线的大部分通过大气传到地面,其中一部分被陆地或海洋表面吸收。
（3）地球表面也发射辐射,地球辐射的波长范围从接近红外线区域到远离红外线区域,峰值大约为10μm,比太阳光的波长长得多。如果没有大气存在,这个通量将与太阳入射通量平衡。
（4）无云的大气层对太阳光是相当透明的,但对于地球的红外辐射的透明程度则小得多,因此,大气被加热了,随后地球表面也显著增暖。
（5）大气中含有吸收红外辐射的所谓“温室气体”,包括水汽、二氧化碳、甲烷、氧化氮、臭氧和一些浓度更低但仍强烈吸引红外辐射的气体,如氯氟烃类。所有这些温室气体都在一个或多个狭窄的波长范围内吸收红外辐射,形成红外吸收带。由于含有自然吸收红外辐射气体的大气造成了大气的整个较低部分变暖,升温幅度超过30K,这一现象常常被称为自然温室效应。这种增温还可以被认为是由于发射红外辐射的有效高度增加而产生的。大气低层对于红外辐射不再是透明的,所以地球向外辐射就从更高的高度上发射,结果使得地球表面变得更暖。
温室效应加剧的原因
人类活动使温室气体含量增加
大气中的温室气体,主要有六种,包括:二氧化碳、一氧化二氟烃类物质。关于每种温室气体含量增加的原因,具体分析如下:（1）二氧化碳(CO2)。在对大气释放CO2方面,最重要的人类活动是交通、电力等部门对化石燃料的消耗,全球每年因此接受到的碳量19世纪中期为1亿吨左右,到本世纪80年代已达57亿吨。CO2增加的另一个原因是地球陆地植物系统的破坏,近几十年来,森林的砍伐和破坏日益严重,导致大气中CO2浓度增加。
（2）一氧化二氮(N2O)。海洋是一氧化二氮的一个重要来源。无机氮肥的大量使用和石化燃料及生物体的燃烧也能释放出一定量的一氧化二氮。工业革命前一氧化二氮的浓度为288cm3·m-3,目前已增加到310cm3·m-3。据以往的观测结果进行推断,大气中一氧化二氮的年增加率仍将保持在0.25%左右。
（3）甲烷最重要的来源是沼泽、稻田和反刍动物,这三项占总排放量的60%左右。天然气、煤的采掘和有机废弃物的燃烧等人类活动也产生甲烷。
（4）臭氧(O3)臭氧在大气层的上部浓度最高,并且形成我们所熟悉的臭氧层，其可以吸收大气中过量的紫外辐射,使生物的免疫系统免受损害。然而,近年来,在大气层的下部,一定数量的人造物质聚集起来,生成了低空臭氧,并且还在不断生成。
（5）氯氟烃(CFCS)氯氟烃完全是人工合成物质,因其无毒、有惰性,而被广泛应用于灭火剂、制冷剂等化工产品的制造。从上个世纪来,人工合成的卤素碳化物不断大量排入大气,使其在大气中的浓度迅速上升, 它们不仅浓度高,保留时间也很长,因而其对环境的影响也是长期的。
人类活动导致温室气体被吸收量的减少
大气中任何气体的含量,都是由其排放量与被吸收量之间的平衡来决定的。但是,人类活动破坏了这种平衡,导致温室气体含量增加。如对CO2气体,自然界主要是通过植物的光合作用进行吸收的。而人类对森林的大规模砍伐,却降低了自然界对CO2的吸收能力,破坏了CO2的排放量与被吸收量之间的平衡,导致CO2大气含量增加。
温室效应带来的后果
自然灾害
温室效应加速，地球升温，大气恶化，必然气候带迁移，冰川消融，海面上涨，自然灾害频频发生。一系列变化，人类和地球面临严峻的威胁。温室效应带来的自然灾害现总结为以下几点：
(一)海平面上升今后50或100年内，全球温度升高几摄氏度，海洋发生膨胀，山地冰川融化，和格林兰冰原南缘可能后退，海平面会升高0.2一1.5米。海平面升高，严重危及沿海地区的居住条件和生态系统。
(二)飓风和大风暴频繁 海洋升温，使其逐渐增多的水蒸气在大气中产生更强烈的对流，其结果咫风和大风暴更为频繁。已知太平洋周围易受台风袭击的地区在过去20年间大约增加了1/6。
（三）干旱地区增加 地球升温加速水份蒸发而减少河流流量，也就是说大气中水蒸气增多，意味着某些地区干早概率增加，预计2030年，低纬地区酷暑季节干早的概率增加到每3年一次，而50年代仅20年一次。
（四）地震 环境因子太阳活动和气象与地震之间存在某些联系，对地震的发生常常起有调制和触发的作用。温度效应的加速，地温升高大气变化，以及太阳表面剧烈活动释放的能量，无疑影响到地震发生的频度和强度。
对生态的影响
有人曾经说过,环境的污染和生态的破坏比战争给人类带来的威胁更大,而由温室效应引起的地球表面温度上升正在破坏着地球上的生态平衡,这主要表现在植物、动物和昆虫出现迁移现象,以适应气候变化;一些动植物因不适应环境而被毁灭，严重的影响着生物多样性。另外，一些农作物的产量由于气温上升而下降,甚至无收;沙漠地区由此不断扩大;森林面积不断减小;干旱连年发生。这种生态平衡的破坏对人类社会的发展势必产生不良影响。
促进疾病的蔓延
温室效应造成的气温升高和臭氧层变薄而引起的紫外线辐射加强会使某些疾病蔓延,同时也会损害人体自身对疾病的预防能力。紫外线的辐射不仅会导致癌症,而且还会改变或消除免疫系统,加剧了一些与皮肤有关的疾病的产生,如麻疯病、天花、皮肤溃疡和疱疹等。例如，由于气温升高,在南美洲和中美洲由吸血蝙蝠传染的狂犬病、登莱热和黄热病有可能传播到北美洲。例外据证实,臭氧层的臭氧量减少1%,放射到地面的紫外线则增多2%,皮肤癌的发病率相应增多4%—6%,过量的紫外线还可以加速艾滋病的发病率,甚至引起天然电磁场的变化,影响人类的整个健康。
温室效应的应对策略
温室效应已引起全世界的密切关注并就此展开了热烈讨论。近年来各有关专家已相继展开了一系列的地区性和国际性会议，共同商讨具体措施和对策。现总结如下：
（1）减少CO2的排放量 此是最有生命力的预防，能措施、替代能源(太阳能如光电池、生物质能)，或从煤、石油改为天然气和其他含碳量低的然料，停止焚烧和砍伐森林并大面植树造林。提出并制定“空气法”，即向每个国家规定污染权，使二氧化碳等的排放量保持在一个全球标准之下。
（2）改变交通工具,完善机动车辆 汽车尾气是大气中CO2的主要来源,因而改变交通工具由机械代替机动对控制温室效应将起重大作用；另外加速研究新的装置安装在各种机动车辆上来吸收、净化其所排放的废气也是控制温室效应的重要措施。
（3）限制氯氟烃的生产,研制新的制冷剂,代替传统的气雾剂,是缓解温室效应的途径之一。另外，面对着如此严重的挑战，仅仅是某一个个人或国家的努力是不可能取得成功的，它需要我们全世界全人类的共同努力，通力合作。温室效应和臭氧层的破坏是全球性的“灾难”,因此,各国有关的专家、学者应通力合作,共同研究,并制定出科学的方法,缓解现存问题,控制未来新的温室效应的再形成。（4）保护森林的对策方案
今日以热带雨林为生的全球森林，正在遭到人为持续不断的急剧破坏。有效的因应对策，便是赶快停止这种毫无节制的森林破坏，另一方面实施大规模的造林工作，努力促进森林再生。目前由於森林破坏而被释放到大气中的二氧化碳，根据估计每年约在1～2gt.碳量左右。倘若各国认真推动节制砍伐与森林再生计划，到了二○五○年，可能会使整个生物圈每年吸收相当於0.7gt.碳量的二氧化碳。具结果得以降低七%左右的温室效应。
（5）改善其他各种场合的能源使用效率 是要改善其他各种场合的能源使用效率。今日人类生活，到处都在大量使用能源，其中尤以住宅和办公室的冷暖气设备为最。因此，对於提升能源使用效率方面，仍然具有大幅改善余地，这对二○五○年为止的地球温暖化，预计可以达到八%左右的抑制效果。
（6）鼓励使用天然瓦斯作为当前的主要能源 因为天然瓦斯较少排放二氧化碳。最近日本都市也都普遍改用天然瓦斯取代液化瓦斯，此案则是希望更进一步推广这种运动。惟其抑制温暖化的效果并不太大，顶多只有一%的程度左右。（7）鼓励使用太阳能
譬如推动所谓「阳光计划」之类。这方面的努力能使化石燃料用量相对减少，因此对於降低温室效应具备直接效果。不过，就算积极推动此项方案，对於二○五○年为止的温暖化，只具四%左右的抑制效果。其效果似乎未如人们的期待。
（8）开发替代能源
利用生物能源(Biomass Energy)作为新的乾净能源。亦即利用植物经由光合作用制造出来的有机物充当燃料，藉以取代石油等既有的高污染性能源。燃烧生物能源也会产生二氧化碳，这点固然是和化石燃料相同，不过生物能源系从大自然中不断吸取二氧化碳作为原料，故可成为重覆循环的再生能源，达到抑制二氧化碳浓度增长的效果。
结论
伴随着人类社会文明进步而来的温室效应已在无声无息地危及着人类的生存环境，因此加速对其形成原因及后果的研究对实施合理的对策来缓和清除由此而产生的后果具有重要的实际意义。控制温室气体排放,保护大气环境,不仅与我国经济可持续发展的战略目标是一致，同时也是全世界人民的共同愿望。我们每个人的手里都紧握着珍贵的资源、能源,掌握着一份民族生息发展的“命脉”。已有52位诺贝尔奖获得者和700多名美国权威科学家签名上书政府，力促联合各国通力合作，采取对策，以“稳定”全球的气候，“遏住”地球的危机。成之毁之、爱损之在于我们的一举一动。为了我们的今天更为了我们后代的明天，为了地球的长久，全世界人民更应该团结起来，共同应对日益严重的温室效应。
参考文献：
热学性能 篇5
橡胶的耐老化性能成为衡量材料使用性能好坏的重要指标之一, 而热氧老化也成为目前人们研究橡胶自然老化最为主要的手段之一[4]。本研究以实验室烘箱加速老化为研究手段, 考察了热氧老化过程中特种氟硅橡胶力学性能及热学性能的变化情况, 为氟硅橡胶材料的应用提供一定的参考和借鉴。
1 试验部分
1.1 原材料
特种氟硅橡胶, 自制;生胶为氟硅橡胶 (AFS-R-1003) , 深圳冠恒新材料科技有限公司;白炭黑 (AS-380) , 沈阳化工股份有限公司;硫化剂, 上海凌峰化学试剂有限公司;处理剂, 深圳冠恒新材料科技有限公司。
氟硅橡胶的基本配方为:生胶100份, 白炭黑50份, 过氧化二异丙苯硫化剂0.7份, 氧化铁20份, 处理剂适量。
使用上海橡胶机械厂的SK-160B型双辊筒炼塑机, 在室温下过辊, 调节辊距间隙和塑炼次数后, 逐步加入白炭黑和其它助剂, 然后再薄通10~15次, 在高温烘箱内处理数小时之后, 再薄通10次, 最后加入硫化剂, 薄通数次后打卷, 利用相应的模具制备实验所需相应的拉伸标准试样。一段硫化:165℃、10min、10MPa;二段硫化:200℃、4h、常压。二段硫化时可在高温烘箱内进行。
1.2 试验设备
1.2.1 热氧老化设备
空气热老化试验箱 (WG2002型) , 重庆四达试验设备有限公司生产。控温精度:±0.1℃。
1.2.2 力学性能设备
拉伸试验机 (RGT-10A型) , 深圳市瑞格尔仪器有限公司;邵尔橡胶硬度计 (LX-A型) , 江都市明珠试验机械厂;回弹仪, 江苏江都试验机械厂。
1.2.3 热学性能设备
采用德国耐驰 (NETZSCH) 的同步热分析仪 (STA449C型) , 对不同老化时间段的氟硅橡胶进行热重分析, 气氛为N2, 升温速率为10℃/min, 温度范围为25~750℃。
1.3 试验
1.3.1 试验标准及样品
热空气老化试验按照GB/T 3512-2001硫化橡胶或热塑性橡胶热空气加速老化和耐热试验[5]规定的相关试验方法进行;拉伸试样:Ⅰ型, 每个温度4个试样, 其中3个用于力学性能的测试, 剩余1个进行热学性能的分析, 共11批。
1.3.2 性能测试
拉伸强度、扯断伸长率和100%定伸强度:按照GB/T 528-2009硫化橡胶或热塑性橡胶拉伸应力应变性能[6]的测定。邵尔A硬度:按照GB/T 531.1-2008橡胶袖珍硬度计压入硬度试验方法[7]测定。回弹性:按照GB/T 1681-2009硫化橡胶回弹性[8]的测定。
1.3.3 试验温度及周期
特种氟硅橡胶热氧老化温度、老化时间及取样周期见表1。
1.3.4 试样调节
按照国标GB/T2941-2006橡胶物理试验方法试样制备和调节通用程序[9]中的相关规定, 对于试验周期后的试样应进行一定的后期处理, 拉伸样在标准环境 (温度23℃±2℃, 湿度50%±5%) 中, 停放16h以上, 再进行相关性能的测试。
2 结果与讨论
2.1 热氧老化过程中氟硅橡胶力学性能的变化
图1是特种氟硅橡胶在125℃、150℃和175℃的热空气加速老化温度点下, 材料的拉伸强度随老化时间的变化关系图。从图1可知, 在125℃和150℃热空气老化环境中, 特种氟硅橡胶的拉伸强度保留率在整个老化试验周期内变化相对较为缓慢, 材料的力学性能保持较好, 即使经过长达90d的加速老化后, 其拉伸强度保留率仍能保持90%以上, 可见材料的力学强度在整个老化过程中保持了较好的稳定性, 这也说明在较低的热氧老化环境中材料内部出现的热氧老化反应程度较小, 因而分子链等微观结构的破坏程度也较低, 即使经过长时间的热氧老化, 其力学强度仍保持较好;当老化温度升高至175℃时, 在老化初期 (0~10d) 材料的拉伸强度有所增加, 可能是由于在老化初期过氧化物的分解引起氟硅橡胶的交联密度增加表现出材料的拉伸强度增加, 随老化时间的增加, 这种现象逐渐消失, 拉伸强度呈逐渐下降的趋势, 特别是在老化的中期 (10~50d) , 拉伸强度的下降速率较大;进入老化的后期进入中后期, 这材料的拉伸强度保留率变化趋势相对于125℃和150℃变化明显, 进入老化中期后, 在热的催化作用下, 氧气进攻交联键, 致使交联网链的密度减少, 拉伸强度逐渐下降。然而特种氟硅橡胶经过175℃热空气老化70d后其拉伸强度保留率仍能保持在85%左右, 这表明自然状态下, 氟硅橡胶具有较好的耐热氧老化性能。
图2是特种氟硅橡胶扯断伸长率保留率在热空气老化过程中随老化时间的变化关系曲线。从图2可知, 其变化趋势与材料的拉伸强度保留率变化情况一致。即在125℃、150℃老化环境中变化较为缓慢, 经过90d加速老化后, 其扯断伸长率仍能保持90%左右;当老化温度升高至175℃时, 这种变化趋势增大, 主要表现在老化的中后期, 经过70d加速老化后, 其扯断伸长率基本保持在85%左右。
由于扯断伸长率能在一定程度上反应材料内部交联密度的变化情况, 因此根据扯断伸长率保留率的变化谱图基本可以推断, 特种氟硅橡胶的交联密度在不同加速老化温度点的初期都出现了一定程度的增加, 这很可能在硫化胶的加工过程中, 硫化剂未完全分解, 生胶还存在有部分的交联活性位点, 在老化的初期这些位点进一步交联;同时高温条件下基体也可能发生部分的氧化反应, 在生成小分子产物的同时, 也可能形成新的活性自由基, 这些自由基之间相互反应致使橡胶分子链进一步交联, 所以总体上仍以交联为主。橡胶的交联网络体系逐步完善, 表现为材料的拉伸强度、扯断伸长率在老化初期呈现出一定的上升趋势;随着老化进程的深入, 进入中期后, 交联键在热、氧的双重作用下开始出现部分的断裂, 宏观上表现为橡胶的拉伸强度、扯断伸长率开始出现了下降, 并且表现出老化温度越高, 下降趋势越明显;然而经过175℃70d的热氧加速老化后, 特种氟硅橡胶的相关性能保留率仍维持在85%左右, 从另一方面也说明了该种材料的耐热氧老化性能较好, 因此可满足于一些环境温度要求不是很高的场合密封要求。
图3为特种氟硅橡胶不同加速老化温度下材料回弹性的变化情况。从图3可知, 在125℃、150℃热氧老化环境中, 材料的回弹性变化相对较小, 而175℃环境中其回弹性的变化幅度要略大于前两者, 这可能因材料内部热氧老化的程度增加所引起的, 但就整体来看这种变化趋势相对于老化时间及老化温度而言, 变化较小, 特种氟硅橡胶保持了较好的热氧稳定性, 这主要与材料分子链的结构有关, -Si-O-Si-主链具有较好的柔顺性, 加之侧链三氟丙基的存在能在一定程度上限制材料内部热氧老化反应的发生, 同时补强剂白炭黑表面具有大量的活性自由基也能吸附、结合一部分自由基, 阻碍老化反应的出现, 因而特种氟硅橡胶在高温热氧老化环境中其能保持较好的力学性能。
特种氟硅橡胶的邵尔A硬度在125℃、150℃、175热氧老化环境中的变化见图4。在125℃、150℃环境中材料的硬度没有明显的变化, 在长达90d的加速老化过程中基本保持一致, 始终保持在66左右, 这和老化过程中材料其它的力学性能指标变化情况类似;当老化温度为175℃时, 发现材料的硬度在老化过程中整体呈增加的趋势, 增加的幅度呈现前期小、中期大、后期小的变化。分析原因是氟硅橡胶表面和空气中的氧气接触, 促使材料表层的橡胶分子链和氧气发生反应, 在分子链中生成了部分的活性自由基结合位点, 发生了部分的交联反应;随着老化时间增加、老化温度升高, 氧化反应程度也明显有所增加, 表现出体系内活性自由基也逐渐增多, 引起交联密度略有增加, 宏观上表现为氟硅橡胶的邵尔A硬度随热氧老化时间的延长呈上升趋势, 但整个老化过程来说, 即使是在高温175℃环境中材料的硬度变化也只有4%左右, 变化的幅度较小。
2.2 热氧老化过程中氟硅橡胶热学性能的变化
笔者利用TG分析技术对175℃老化温度点下不同时间段内, 材料的热学性能进行了分析, 结果见图5。从图5可知经过不同老化时间后的特种氟硅橡胶其热失重曲线基本吻合, 虽然出现部分的偏移, 但与未老化试样的失重曲线并未存在较大的差别。只是分解的起始温度表现出了细微的差别, 这可能因橡胶的交联密度变化引起的, 但从失重速率还是剩余产物含量来看, 不同老化周期的试样都保持了较好的一致性, 可以推断特种氟硅橡胶经过70d175℃热氧后, 整体上橡胶的分子主链及交联网络并未发生明显的断裂和破坏, 因而不同老化时间试样的热失重曲线基本重合。
为了进一步分析热氧老化对氟硅橡胶热学性能的影响, 分别取失重量为5%和10%的失重温度进行对比分析, 具体见表2。
从表1的数据可知无论是失重5%还是10%的温度, 都随着老化时间的增加呈先增大后减小的过程。由于氟硅橡胶的主链为-Si-O-Si-键, 具有较好的耐高温性能, 而侧基的稳定性相对于主链较差。在热的作用下, 会首先和空气中的氧气发生反应, 生成过氧化物。高温环境中这种过氧化物并不能稳定存在, 在热的作用下会发生进一步的分解反应, 生成部分具有一定稳定性的新自由基和小分子的氧化产物如一氧化碳、二氧化碳以及水等。这些小分子产物在受热过程中会从基体逸出, 而产生的自由基之间则会发生交联反应, 致使橡胶的交联密度增加, 使其耐热性增加。随着交联反应的深入, 自由基数目不断减少, 因而交联密度会出现一个最大值, 当老化时间持续增加, 在热氧的共同作用下, 这些交联网络开始发生断裂, 宏观上表现为材料的热失重温度随老化时间减小, 但下降的幅度较小, 在热氧老化过程中氟硅橡胶的分子主链及交联网络并未出现明显的破坏。
3 结论
(1) 125℃、150℃和175℃热氧老化环境中特种氟硅橡胶的拉伸强度、扯断伸长率在老化的出始阶段呈上升趋势, 这可能因基体内残余的过氧化物分解引发交联反应, 致使交联密度增加造成的;随老化时间增加, 在热、氧作用下, 交联键出现了部分的断裂、破坏, 宏观上表现为上述力学性能开始下降, 其中125℃和150℃力学性能变化较缓, 175℃下降趋势有所增加, 但经过70d的加速老化后, 材料的拉伸强度、扯断伸长率仍能保持85%左右。
(2) 175℃老化温度点下不同老化时间段内氟硅橡胶试样的热失重曲线与未老化的试样之间的差别较小, 失重曲线基本重合, 这说明氟硅橡胶具有较好的热稳定性, 可以适用于一些温度要求不是很高的场合。
(3) 热氧老化过程中, 氟硅橡胶的交联密度呈先增加后减小的变化趋势, 在初期以交联为主, 进入老化中后期后以降解反应为主, 变化的幅度较小, 具有较好的耐热氧老化性能。
摘要：考察了热氧老化过程中不同老化温度点及不同老化时间下特种氟硅橡胶力学性能的变化情况, 并利用热重分析技术研究了热氧老化对氟硅橡胶热失重的影响。结果表明, 氟硅橡胶的拉伸强度及扯断伸长率随老化时间的增加呈先上升后下降的变化趋势, 这可能是由于材料的交联密度在老化过程中先增加后减小引起的, 而材料的回弹性及硬度在整个老化过程未出现明显变化。经高温长时间热氧老化后, 材料仍能保持较好的力学性能, 且不同老化时间段内试样的热失重曲线基本一致, 表明氟硅橡胶具有较好的热氧稳定性。
关键词：热氧老化,特种氟硅橡胶,热失重
参考文献
[1]李军巍.[J].有机氟工业, 2008, (1) :3-5.
[2]王荣华, 李晖, 刘亚平, 等.[J].材料导报, 2014, 28 (2) :99-102.
[3]李振环, 杨家义, 孔建.[J].橡胶参考资料, 2011, 41 (2) :10-12.
[4]王荣华, 李晖, 李倩倩, 等.[J].合成材料老化与应用, 2013, 42 (1) :1-5.
[5]谢宇芳, 郑云中.[S].北京:北京标准出版社, 2001.
[6]费康红, 吉连忠.[S].北京:北京标准出版社, 2009.
[7]陈明华, 高富荣, 糖昌社.[S].北京:北京标准出版社, 2008.
[8]都鸣, 李子安, 陈静.[S].北京:北京标准出版社, 2009.
热学典型错误诊断 篇6
问题1:认为烧开水时, 从壶嘴喷出的“白气”是水蒸气。
症结:对某些物质的性质不了解。
突破之道:能区分不同物质的性质是避免出现这类错误的关键。水蒸气实际上是无色透明、肉眼看不见的。人眼能看到壶嘴上方出现的“白气”, 实际上是水沸腾后从壶中跑出的水蒸气遇冷液化成的小水珠。另外, 有的同学误以为:夏天盛冰淇淋的杯子外壁“出汗”是空气液化形成的。其实, “出汗”的实质是空气中的水蒸气遇到冷的杯壁, 液化成小水珠附着于外壁形成的。
问题2:认为只要液体达到沸点, 就能沸腾。
症结:没有正确认识液体沸腾的条件。
突破之道:液体沸腾需满足两个条件: (1) 温度要达到沸点, (2) 能够继续吸热。这两个条件缺一不可, 并且液体的沸点还跟气压有关。以水为例, 若气压高于1个标准大气压时, 水的沸点将高于100℃, 此时100℃的水还没达到沸点, 水将无法沸腾。如我们熟悉的高压锅, 锅内的气压高于1个大气压, 水的温度即使达到100℃也无法沸腾。即使在一个标准大气压下, 水温升高到沸点100℃, 但如果无法从外界继续吸热, 水也不会沸腾。晶体的熔化和凝固也需要类似的条件, 所以有的同学认为“水处于0℃一定会结冰”也是错误的。因为即使水的温度达到其凝固点, 但如果无法对外继续放热, 水将无法凝固结冰。
问题3:认为“0℃的冰应比0℃的水更冷”。
症结:不明白温度的含义。
突破之道:温度是表示物体冷热程度的物理量, 因为0℃的冰与0℃的水温度相同, 所以它们应该是一样冷。形成错误的根本原因是仅仅依靠感觉去认识物理问题。用手触摸0℃的冰时, 冰会熔化, 熔化要吸热, 所以人感到更冷。再如冬天同学们用手去接触户外的铁管和木头, 感觉手接触铁管比木头冷得多, 是不是它们的温度不一样呢?其实, 铁管和木头放置在户外同一环境中, 温度都应等于户外的空气温度。温度相同, 人的感觉不一样, 实际上是铁的导热能力比木头强造成的。
问题4:认为物体减少时, 热值也减少。
症结:不理解热值是燃料的一种特性。
突破之道:燃料的热值是指单位质量的某种燃料完全燃烧放出的热量。比如汽油的质量变为原来的一半, 完全燃烧放出的热量也相应的减为原来的一半, 但放出的热量与质量的比值没有变化, 即热值的大小不变。也就是说燃料的热值与变化的热量、质量均无关, 因此我们可以认为热值是燃料的一种特性。初中阶段我们接触到的一些物理量如密度、比热容、电阻、匀速直线运动的速度等均具有类似的特征。
问题5:认为“温度越高的物体, 具有的内能越大”。
症结:对影响内能大小的因素认识不全面。
突破之道:内能的大小是由物体的温度、质量、体积、状态等因素共同决定的。同一物体若温度升高, 其内部分子的运动速度变大, 分子动能变大, 内能增大;但对于不同物体来说, 温度高的物体, 具有的内能却不一定大。因为内能的大小还与物体的质量等因素有关。如一小滴热水与一大桶冷水相比, 后者具有的内能显然更大;再比如有同学认为:0℃的冰与0℃的水温度相同, 内能应相同。形成错误的原因跟前面相似, 都是认为内能仅仅与温度有关。实际上, 由于冰熔化为同温度的水需要吸热, 所以0℃的水内能更大。
问题6:认为物体吸收热量, 温度一定会上升。
症结:不清楚热量与温度的关系。
突破之道:物体吸收热量, 温度不一定升高。例如, 晶体熔化过程中, 尽管不断地吸收热量但温度却能保持不变。因为这时分子的动能不变, 吸收的热量用来增加分子的势能。反过来, 物体温度升高, 也不一定会吸收热量。因为同一物体温度升高时, 它的内能变大, 而改变内能有两种方式——做功和热传递。例如, 一根锯条温度升高, 可能在火上烤, 通过热传递使其升温, 也可能是用手反复弯折, 通过做功使其升温。
问题7:对热量的表述不规范。
症结:不了解物理量中过程量和状态量的特点。
突破之道:热量是一个过程量, 它总是存在于热传递的过程中, 物体间没有热传递发生时, 谈不上“热量”。热量是热传递过程中内能变化的量度, 与物体的质量、比热容、温度变化量有关。对热量只能说“吸收多少”、“放出多少”, “一个物体含有 (具有) 多少热量”、“物体的热量”等表述均是错误的。同样, 对于物理量“功”, 它也是一个过程量, 做功过程中能量转化的多少用功的大小来量度。如使用电水壶烧水, 电能转化为内能的多少使用电功来量度。
练习:
1. (2007年广西柳州) 以下说法中, 正确的是 ( ) 。
A. 温度低的物体吸收的热量一定少;
B. 质量为5g、温度为100℃的水含有2.1×104J的热量;
C. 在物体对外做功过程中, 物体不断地放出内能;
D. 在热传递过程中, 物体吸收或放出的热量越多, 它的内能变化就越大。
2. (2007年湖北宜昌) 一箱汽油用掉一半后, 剩下的一半汽油与原来一箱汽油相比较 ( ) 。
A.质量变为原来的一半;
B.比热容变为原来的一半;
C.热值变为原来的一半;
D.密度变为原来的一半。
3. (2007年云南昆明红塔区) 冰在熔化过程中, 下列判断正确的是 ( ) 。
A. 内能不变, 比热容不变;
B.吸收热量, 温度不变;
C. 比热容、内能、温度都不变;
D. 比热容变大、内能增加, 温度升高。
4. (2007年湖北黄冈) 关于分子运动理论和内能, 下列说法正确的是 ( ) 。
A. 物体内能增大, 温度一定升高;
B. 物体的温度升高, 分子运动一定加剧;
C. 物体放出热量, 温度一定下降;
D. 0℃的冰没有内能。
5. (2007年广东广州) 由Q=cm (t-t0) 可得cundefined, 关于同一种物质的比热容c, 下列说法正确的是 ( ) 。
A. 若吸收的热量增大一倍, 则比热容增大一倍;
B. 若质量增大一倍, 则比热容减至一半;
C. 若加热前后的温度差增大一倍, 则比热容增大一倍;
D. 无论质量多大, 比热容都一样。
2008年热学考题分类浅析 篇7
例1 (2008年全国理综2卷考题) 对一定量的气体, 下列说法正确的是 ( )
(A) 气体的体积是所有气体分子的体积之和
(B) 气体分子的热运动越剧烈, 气体温度就越高
(C) 气体对器壁的压强是由大量气体分子对器壁不断碰撞而产生的
(D) 当气体膨胀时, 气体分子之间的势能减小, 因而气体的内能减少
解析:气体分子距离远大于分子大小, 所以气体的体积远大于所有气体分子体积之和, (A) 项错;温度是物体分子平均动能的标志, 是表示分子热运动剧烈程度的物理量, (B) 项正确;气体压强的微观解释是大量气体分子频繁撞击产生的, (C) 项正确;气体膨胀, 说明气体对外做功, 但不能确定吸、放热情况, 故不能确定内能变化情况, (D) 项错.
例2 (2008年天津理综卷考题) 下列说法正确的是 ( )
(A) 布朗运动是悬浮在液体中固体颗粒的分子无规则运动的反映
(B) 没有摩擦的理想热机可以把吸收的能量全部转化为机械能
(C) 知道某物质的摩尔质量和密度可求出阿伏加德罗常数
(D) 内能不同的物体, 它们分子热运动的平均动能可能相同
解析:布朗运动是悬浮在液体中固体小颗粒的运动, 它反映的是液体无规则的运动, 所以 (A) 错误;没有摩擦的理想热机不经过做功是不可能把吸收的能量全部转化为机械能的, (B) 错误, 摩尔质量必须和分子的质量结合才能求出阿伏加德罗常数, (C) 错;温度是分子平均动能的标志, 只要温度相同分子的平均动能就相同, 但分子势能可能不同, 分子数也可能不同, 所以内能可以不同.选项 (D) 正确.
例3 (2008年四川理综卷考题) 下列说法正确的是 ( )
(A) 物体吸收热量, 其温度一定升高
(B) 热量只能从高温物体向低温物体传递
(C) 遵守热力学第一定律的过程一定能实现
(D) 做功和热传递是改变物体内能的两种方式
解析:由热力学第一定律可知, 做功与热传递可以改变物体的内能, (D) 正确;故物体吸收热量时, 其内能不一定增大, (A) 错;由热力学第二定律可知, 宏观的热现象有方向性, 但若通过外界做功, 热量也可以从低温物体传到高温物体, (B) 、 (C) 错.
二、考查微观量及气体的估算
例4 (2008年北京理综卷考题) 假如全世界60亿人同时数1 g 水的分子个数, 每人每小时可以数5000个, 不间断地数, 则完成任务所需时间最接近 (阿伏加德罗常数NA取6×1023mol-1) ( )
(A) 10年 (B) 1千年
(C) 10万年 (D) 1千万年
解析:1 g 水的分子个数
则完成任务所需时间
约为100000年.所以选项 (C) 正确.
三、综合考查热学定律与气体的状态参量的关系
例5 (2008年重庆理综卷考题) 地面附近有一正在上升的空气团, 它与外界的热交换忽略不计.己知大气压强随高度增加而降低, 则该气团在此上升过程中 (不计气团内分子间的势能) ( )
(A) 体积减小, 温度降低
(B) 体积减小, 温度不变
(C) 体积增大, 温度降低
(D) 体积增大, 温度不变
解析:本题考查气体的有关知识, 本题为中等难度题目.随着空气团的上升, 大气压强也随着减小, 那么空气团的体积会增大, 空气团对外做功, 其内能会减小, 因为不计分子势能, 所以内能由其温度决定, 则其温度会降低.则空气团的体积增大、温度降低、压强减小, 故选项 (C) 正确.
例6 (2008年上海物理卷考题) 已知理想气体的内能与温度成正比.如图1所示的实线为汽缸内一定质最的理想气体由状态1到状态2的变化曲线, 则在整个过程中汽缸内气体的内能 ( )
(A) 先增大后减小
(B) 先减小后增大
(C) 单调变化
(D) 保持不变
解析:由PV/T为恒量, 由图像与坐标轴围成的面积表达PV乘积, 从实线与虚线等温线比较可得出, 该面积先减小后增大, 说明温度T先减小后增大, 内能先减小后增大.所以选项 (B) 正确.
四、考查用热学知识解决实际问题
例7 (2008年上海物理卷考题) 汽车行驶时轮胎的胎压太高容易造成爆胎事故, 太低又会造成耗油上升.已知某型号轮胎能在-40℃～90℃正常工作, 为使轮胎在此温度范围内工作时的最高胎压不超过3.5 atm, 最低胎压不低于1.6 atm, 那么在 t=20℃时给该轮胎充气, 充气后的胎压在什么范围内比较合适? (设轮胎容积不变)
解析:由于轮胎容积不变, 轮胎内气体做等容变化.设在T0=293K充气后的最小胎压为Pmin, 最大胎压为Pmax.依题意, 当T1=233K时胎压为P1=1.6 atm.根据查理定律
解得 Pmin=2.01 atm.
当T2=363K时胎压为P2=3.5 atm.根据查理定律
解得 Pmax=2.83 atm.
例8 (2008年山东理综卷物理3-3考题) 如图2所示, 喷雾器内有10L水, 上部封闭有1 atm 的空气2L.关闭喷雾阀门, 用打气简向喷雾器内再充入1 atm 的空气3L (设外界环境温度一定, 空气可看作理想气体) .
(1) 当水面上方气体温度与外界温度相等时, 求气体压强, 并从微观上解释气体压强变化的原因.
(2) 打开喷雾阀门, 喷雾过程中封闭气体可以看成等温膨胀, 此过程气体是吸热还是放热?简要说明理由.
解析: (1) 设气体初态压强为 p1, 体积为V1;末态压强为 p2, 体积为V2, 由玻意耳定律
p1V1=p2V2,
代入数据得 p2=2.5 atm.
微观察解释:温度不变, 分子平均动能不变, 单位体积内分子数增加, 所以压强增加.
(2) 吸热.气体对外做功而内能不变, 根据热力学第一定律可知气体吸热.
热学中的“一二三四” 篇8
一、一个基本理论
一个基本理论是指分子运动理论, 除了少数大分子之外, 分子的直径的数量级一般为10-10m.熟记相关公式:已知物体的质量为m, 体积为V, 所含分子数为n, 密度为ρ, 物质摩尔质量为M, 摩尔体积为Vm, 则:密度, 分子质量, 分子体积 (固体、液体) .分子数:.
例1已知铜的密度为8.9×103kg/m3, 原子量为64, 通过估算可知铜中每个铜原子所占体积为 ()
(A) 7×10-6m3 (B) 1×10-29m3
(C) 1×10-26m3 (D) 8×10-24m3
解析:铜的摩尔体积
每个铜原子所占体积
答案: (B) .
二、两个基本模型
分子的球体模型和正方体模型.一般是固体和液体分子视为球体模型, 气体分子视为正方体模型.这两个模型在估算分子直径时很有用.
例2某气泡内气体的密度为ρ=1.29kg/m3, 平均摩尔质量为M=0.029 kg/mol.阿伏加德罗常数NA=6.02×1023mol-1, 取气体分子的平均直径为d=2×10-10m, 若气泡内的气体能完全变为液体, 请估算液体体积与原来气体体积的比值. (结果保留1位有效数字)
解析:设气体体积为V0, 液体体积为V1
三、三个基本定律
(1) 热力学第一定律:ΔU=W+Q, 不管定性分析, 还是定量计算时都要注意W、Q、ΔU正、负号的确定.符号法则:外界对物体做功, W取正值, 物体对外界做功, W取负值;物体吸收热量, Q取正值, 物体放出热量, Q取负值;物体内能增加, △U取正值, 物体内能减少, △U取负值.
(2) 热力学第二定律:两种表述是等价的, 并可从一种表述导出另一种表述.对热力学第二定律, 关键是理解自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性.
(3) 能量守恒定律:要牢记定律内容.
例3关于热力学定律, 下列说法正确的是 ()
(A) 在一定条件下物体的温度可以降到0K
(B) 物体从单一热源吸收的热量可全部用于做功
(C) 吸收了热量的物体, 其内能一定增加
(D) 压缩气体总能使气体的温度升高
解析:根据绝对零度不可能达到可知 (A) 错;物体能够从外界吸收热量、对外做功, 根据热力学第一定律可知内能可能增加、减小和不变, (C) 错;压缩气体, 外界对气体做正功, 可能向外界放热, 内能可能减少、温度降低, (D) 错;由第二定律物体从单一热源吸收的热量可全部用于做功而引起其他变化是可能的, (B) 对.
答案: (B) .
例4若一气泡从湖底上升到湖面的过程中温度保持不变, 将气泡内的气体视为理想气体, 气泡从湖底上升到湖面的过程中, 对外界做了0.6 J的功, 则此过程中的气泡________ (填“吸收”或“放出”) 的热量是________J.气泡到达湖面后, 温度上升的过程中, 又对外界做了0.1 J的功, 同时吸收了0.3 J的热量, 则此过程中, 气泡内气体内能增加了________J.
解析:从热力学第一定律入手, 抓住理想气体内能只与温度有关的特点进行处理.理想气体等温过程中内能不变, 由热力学第一定律ΔU=W+Q, 物体对外做功0.6 J, 即W=-0.6 J, 则Q=0.6 J, 即一定同时从外界吸收热量0.6 J, 才能保证内能不变.而温度上升的过程, W=-0.1 J, Q=0.3 J, 因此内能增加了0.2 J.
四、四个重要关系
1. 布朗运动与分子运动的关系
布朗运动:在显微镜下看到的悬浮在液体中的花粉颗粒的永不停息的无规则运动, 颗粒越小, 运动越明显;温度越高, 运动越激烈, 布朗运动是液体分子永不停息地做无规则热运动的反映, 是微观分子热运动造成的宏观现象.
例5布朗运动是指悬浮在液体中的固体微粒的运动, 不是固体、液体分子的运动.做布朗运动实验, 得到某个观测记录如图1所示.图中记录的是 ()
(A) 分子无规则运动的情况
(B) 某个微粒做布朗运动的轨迹
(C) 某个微粒做布朗运动的速度-时间图线
(D) 按等时间间隔依次记录的某个运动微粒位置的连线
解析:布朗运动是悬浮在液体中的固体小颗粒的无规则运动, 而非分子的运动, 故 (A) 项错误;既然运动是无规则的, 所以微粒没有固定的运动轨迹, 故 (B) 项错误, 对于某个微粒而言在不同时刻的速度大小和方向均是不确定的, 所以无法确定其在某一个时刻的速度, 故也就无法描绘其速度—时间图线, 故 (C) 项错误;只有 (D) 项正确.
答案: (D) .
2. 温度与分子动能的关系
温度是分子平均动能的标志, 温度越高, 分子平均动能越大, 但并不意味着每个分子的动能都将增大.
例6气体内能是所有气体分子热运动动能和势能的总和, 其大小与气体的状态有关, 分子热运动的平均动能与分子间势能分别取决于气体的 ()
(A) 温度和体积 (B) 体积和压强
(C) 温度和压强 (D) 压强和温度
解析:由于温度是分子平均动能的标志, 所以气体分子的动能宏观上取决于温度;分子势能是由分子间作用力和分子间距离共同决定, 宏观上取决于气体的体积.因此 (A) 正确.
答案: (A) .
3. 分子力做功与分子势能变化的关系
对于分子力做功与分子势能变化的关系问题, 分子间作用力 (指引力和斥力的合力) 随分子间距离而变化的规律, 牢记EP-r曲线、F-r曲线即可.
例7如图2所示, 甲分子固定在坐标原点O, 乙分子位于x轴上, 甲分子对乙分子的作用力与两分子间距离的关系如图中曲线所示, F>0为斥力, F<0为引力, a、b、c、d为x轴上四个特定的位置, 现把乙分子从a处静止释放, 则 ()
(A) 乙分子从a到b做加速运动, 由b到c做减速运动
(B) 乙分子由a到c做加速运动, 到达c时速度最大
(C) 乙分子由a到b的过程中, 两分子间的分子势能一直减少
(D) 乙分子由b到d的过程中, 两分子间的分子势能一直增加
解析:分子力曲线图2所示, 由图象可知, 在乙分子从a到b和由b到c的过程中, 受到甲分子的作用力都是引力, 故乙分子从a到b和由b到c的过程中都做加速运动, 选项 (A) 错误.当乙分子到达c时, 受到甲分子的作用力为0, 超过c点分子力为斥力, 乙分子将做减速运动, 所以乙分子到达c时速度最大, 选项 (B) 正确.乙分子从a到b的过程中, 受引力作用, 速度增大, 即分子力做正功, 动能增大, 分子势能减小, 故选项 (C) 正确.乙分子由b到d的过程中, 先受引力作用, 引力做正功, 分子势能减少;后受斥力作用, 乙分子克服分子力做功, 分子势能增加.所以乙分子从b运动到d的过程中分子势能先减少后增加, 故选项 (D) 也是错误的.分子势能的变化也可以通过图3所示的EP-r曲线来判断, 图3中r0的位置就是图2中的c点, a到c分子势能减小, c到d分子势能增加.
答案: (B) 、 (C) .
4. 气体的三个状态参量及变化关系
气体的三个状态参量满足方程, 定性分析时要抓住C为常数这个关键量;定量计算时, 需找出理想气体初、末状态的P、V、T三个参量, 需要注意的是未知的要设出, 分析P时要用到受力分析, 列出方程, 即可定性分析或者定量计算.
例8图4中系统由左右两个侧壁绝热、底部截面均为S的容器组成.左容器足够高, 上端敞开, 右容器上端由导热材料封闭.两个容器的下端由可忽略容积的细管连通.容器内两个绝热的活塞A、B下方封有氮气, B上方封有氢气.大气的压强为p0, 温度为T0=273 K, 两个活塞因自身重量对下方气体产生的附加压强均为0.1 p0.系统平衡时, 各气体柱的高度如图4所示.现将系统的底部浸入恒温热水槽中, 再次平衡时A上升了一定的高度.用外力将A缓慢推回第一次平衡时的位置并固定, 第三次达到平衡后, 氢气柱高度为0.8 h.氮气和氢气均可视为理想气体.求:
(1) 第二次平衡时氮气的体积;
(2) 水的温度.
解析: (1) 考虑氢气的等温过程.该过程 (第一次平衡到第三次平衡) 的氢气初态压强为pH1=p0, 体积为VH1=hS, 末态体积为VH3=0.8hS.
设末态的压强为pH3=p
由pH1VH1=pH3VH3
活塞A从最高点被推回第一次平衡时位置的过程是等温过程.该过程 (第二次平衡到第三次平衡) 氮气的初态压强为pN2=1.1p0, 体积为VN2=V;末态的压强为pN3, 体积为VN3.
则pN3=p+0.1p0=1.35p0
VN3= (2+0.2) hS
由pN2VN2=pN3VN3
(2) 活塞A从最初位置升到最高点的过程为等压过程.该过程 (第一次平衡到第二次平衡) 氮气的初态体积和温度分别为VN1=2hS和TN1=T0=273 K, 末态体积为VN2=2.7 hS.
设末态温度为TN2
例9如图5所示, 粗细均匀的弯曲玻璃管A、B两端开口, 管内有一段水银柱, 右管内气体柱长为39 cm, 中管内水银面与管口A之间气体柱长为40 cm.先将口B封闭, 再将左管竖直插入水银槽中, 设整个过程温度不变, 稳定后右管内水银面比中管内水银面高Δh=2 cm, 求:
(1) 稳定后右管内的气体压强p;
(2) 左管A端插入水银槽的深度h. (大气压强p0=76 cmHg)
解析: (1) 对于右管内气体:初始状态:p右1=p0, V右1=l0S, 插入水银槽后, 末状态气体体积:.
由p右1V右1=p右2V右2得:
解得p=78 cmHg.
(2) 对于左、中管内气体, 初始状态:
p左1=p0, V左1=lS, 插入水银槽后, 末状态气体压强:p左2=p+Δh=80 cmHg, V左2=l'S.
由p左1V左1=p左2V左2
得p0lS= (P+Δh) l'S
解得l'=38 cm
此时左管内外水银面高度h:p左2=p0+h
则h=p左2-p0=4 cm
热学部分常见的“四”个模型 篇9
一、球体模型
在估算固体和液体分子直径大小时,一般把分子看成球体.设分子直径为d,则一个分子体积即为d,所以.
例1试估算一个水分子的直径.(结果保留2位有效数字)
解析:由于水的摩尔质量为M=1.8×10-2kg/mol,水的密度为ρ=1.0×103 kg/m3,则水的摩尔体积为
所以一个水分子的体积为
将水分子看做一个球体,由公式得,水分子的直径
二、立方体模型
在估算相邻分子间距离时,一般把分子看成立方体.设相邻分子间距离为L,每个分子所占的空间体积为V,则V=L3,所以.
注意:(1)对于固体和液体来说,分子间距离很小,我们常常把固体和液体分子看成是一个个紧挨在一起的,所以在估算相邻固体和液体分子之间距离时,即可以看成是一个立方体模型,也可以看成是一个球体模型,其结果数量级是一样的.
(2)对于气体来说,由于在一般情况下分子间距离很大,并不象固体和液体那样紧密排列,所以在计算相邻气体分子间距离时,不能看成是球体模型,必须看成是立方体模型.
例2已知水的密度ρ=1.0×103 kg/m3,水的摩尔质量为Mmol=1.8×10-2 kg/mol,求:相邻水分子间的距离.(阿伏加德罗列常数取NA=6.02×1023mol-1)
解析:水的摩尔体积为
建立水分子的立方体模型,则有,所以相邻水分子间距离
建立水分子的球体模型,则有,所以相邻水分子间距离
通过计算可以看出对于液体来说,在估算相邻分子间距离时,无论把分子看成是立方体模型还是球体模型,最后结果数量级是一样的.
例3估算标准状态下相邻气体分子间的平均距离.
解析:在标准状态下,1 mol任何气体分子的体积都是22.4L,除以阿伏加德罗常数就可以得到每个分子平均占有的空间,把这个空间看成立方体,则该空间的大小是相邻气体分子间平均距离L的立方,即,
所以
三、弹簧模型
因为分子间的分子力作用规律与如图1所示的弹簧模型类似,所以分子势能可形象地表现为弹簧的弹性势能.当分子间距r=r0(10-10 m)时,两分子间的“弹簧”处于原长状态,相对应的分子间引力和斥力的合力为零,分子势能最小;当分子间距r>r0时,两分子间的“弹簧”处于伸长状态,相对应的分子间引力和斥力的合力表现为引力,分子势能比r=r0时大;当分子间距r
例4分子甲和乙相距较远时,它们之间的分子力可忽略.现让分子甲固定不动,将分子乙由较远处逐渐向甲靠近直到不能再靠近,在这一过程中()
(A)分子力总是对乙做正功
(B)分子乙总是克服分子力做功
(C)先是分子力对乙做正功,然后是分子乙克服分子力做功
(D)分子力先对乙做正功,再对乙做负功,最后又对乙做正功
解析:分子甲固定不动,分子乙由较远处逐渐向甲靠近直到不能再靠近过程中,类似于“弹簧”先由伸长状态恢复到原长,再由原长逐渐压缩到最短.所以先是分子力对乙做正功,然后是分子乙克服分子力做功,所以正确答案为(C)选项.
四、球面模型
太阳向外辐射能量时,呈球面向外辐射.对地球来说,照到阳光的部分就像球面上的一小部分,并且光线是平行入射.
例5横截面积为3 dm2的圆筒内装有0.6 kg的水,太阳光垂直照射了2 min,水温升高了1℃,设大气顶层的太阳能只有45%到达地面,试估算出太阳的全部辐射功率为多少?(保留1位有效数字,设太阳与地球之间平均距离为1.5×1011m)
解析:0.6 kg的水温度升高了1℃所吸收的热量设为Q,则
地球表面单位时间、单位面积上获得的热量Q'为:
太阳向地球表面单位面积上发射的能量功率为:
以太阳与地球间距离为半径的球体的表面积为: