從分子視角揭示熱學現(xiàn)象的本質(zhì)

摘要：在物理教學中，教師如果引導學生從分子角度對熱學現(xiàn)象中各種物態(tài)變化、內(nèi)能變化、氣體壓強變化進行微觀分析，達到讓學生能更加透徹地理解熱學現(xiàn)象本質(zhì)的目的.所以用微觀理論來分析宏觀現(xiàn)象的思想對物理教師具有很重要的教學借鑒意義.

關(guān)鍵詞：分子動理論；物態(tài)變化；內(nèi)能；做功；氣體壓強

作者簡介：邵忠芳（1982-），男，中學一級教師，主要從事中學物理教學與研究工作

在中學物理教學中，結(jié)論或規(guī)律一般都是通過多次實驗得出來的，然后用歸納法得出結(jié)論，很少進行微觀的理論分析，其主要原因是考慮到中學生現(xiàn)有的認知水平程度.但是，在平時的教學中發(fā)現(xiàn)：對于一些熱學規(guī)律的教學，可以先通過實驗歸納出結(jié)論，待學完分子動理論后再利用分子動理論對實驗現(xiàn)象進行微觀分析，這樣能夠幫助學生從微觀角度認識熱學現(xiàn)象的本質(zhì)，加深對規(guī)律的理解，從而加深記憶.

1用分子動理論解釋物態(tài)變化

固體、液體、氣體的分子模型如圖1所示.固體分子排列規(guī)則，就像坐在座位上的學生；液體分子可以移動，就像課間教室里的學生；氣體分子幾乎不受力的作用，就像操場上亂跑的學生.所以固體和液體的體積基本是固定的，而氣體的體積是不固定的.

1.1物態(tài)變化的微觀解釋

當物體發(fā)生熔化、汽化和升華這些物態(tài)變化時，物體吸收熱量后，其分子的運動更加劇烈，使部分的分子能脫離其它分子的束縛而移動得更自由，從而發(fā)生相應的物態(tài)變化.如冰的升華過程，冰從外界吸收一定的熱量后，其表面的部分水分子運動加劇，它們脫離了其它分子的束縛，直接跑到空氣里去了，這就是升華.熔化和汽化過程與升華過程類似；而凝固、液化和凝華過程則與升華過程相反.

1.2影響蒸發(fā)的三個因素的微觀理解

蒸發(fā)的微觀過程是這樣的（以水為例）：分子作無規(guī)則運動，杯中部分速度較快的水分子向水面外運動，脫離液面的束縛跑到空氣中，使液態(tài)的水逐漸緩慢變成氣態(tài)的水蒸氣，從而杯中的水越來越少.要加快蒸發(fā)，可以從以下三個方面進行.

（1）提高液體的溫度可加快蒸發(fā)：液體溫度升高，分子運動加快，相同時間內(nèi)有更多分子跑出液面，蒸發(fā)加快；

（2）加大液體的表面積可加快蒸發(fā)：液體與空氣的接觸面積加大了，相同時間內(nèi)從液面能跑出去的分子數(shù)量變多，蒸發(fā)加快了；

（3）加快液體表面的空氣流速，可加快蒸發(fā)：當速度較大的液體分子跑出液面時，被風吹走，就不可能再回到水中，空氣流速越快，相同時間內(nèi)被風吹走的液體分子數(shù)量越多，蒸發(fā)加快了.

2用分子動理論解釋物體內(nèi)能的改變

2.1內(nèi)能的微觀解釋

分子動理論告訴我們“分子在永不停息地做無規(guī)則運動”，分子因為運動而具有動能.當分子運動速度加快時，分子的動能就會加大.“分子間還同時存在相互作用的引力和斥力”，分子間因為存在相互作用，使分子具有勢能.分子之間的相互作用力越大，分子之間的勢能就越大.而物體內(nèi)所有分子的動能和勢能的總和就是物體的內(nèi)能.

2.2用分子動理論解釋熱傳遞改變物體的內(nèi)能

在絕大部分情況下，當物體通過熱傳遞吸收熱量后，物體溫度升高，分子運動速度增加，分子動能增加，從而使物體內(nèi)能增加.相反物體放出熱量后，物體溫度下降，分子運動速度降低，分子動能減小，物體內(nèi)能減少.但在一些特殊過程中，如晶體熔化過程中，物體吸熱溫度不變，分子動能基本不變；但熱量會使分子的排列發(fā)生變化，分子之間的距離增大以及分子離開原來的位置移動，這樣熱量就用來克服分子之間的引力做功， 使分子間的相互作用發(fā)生改變，使物體呈現(xiàn)液態(tài).也就是說，晶體熔化過程，吸收的熱量主要轉(zhuǎn)化為分子之間的勢能；分子動能基本不變，因此，物體的溫度就沒有顯著的改變.

物體通過熱傳遞放出熱量后內(nèi)能的變化過程，恰好與上述分析過程相反.

2.3用分子動理論解釋做功改變物體的內(nèi)能（以氣體為例）

（1） 物體對外界做功，物體溫度下降，分子的無規(guī)則運動的速度減慢，導致分子的動能減小，導致分子內(nèi)能減小.

（2）外界對物體做功，物體溫度上升，分子的無規(guī)則運動的速度加快，導致分子的動能增大，導致分子內(nèi)能增大.

3用分子動理論解釋氣體的壓強

氣體的壓強產(chǎn)生的原因是：大量的氣體分子頻繁地碰撞容器壁，分子對容器壁產(chǎn)生壓力，單位面積的容器壁上受到分子的碰撞作用力的大小就是氣體的壓強.氣體壓強與氣體的體積、質(zhì)量和溫度等因素有關(guān).

（1）氣體壓強與體積的關(guān)系：緩慢壓縮氣體，氣體體積減小，溫度不變，單位體積內(nèi)氣體分子數(shù)目增多，使單位面積內(nèi)容器壁受到氣體分子碰撞的次數(shù)增多，氣體的壓強變大.相反，氣體膨脹對外做功，氣體體積變大，單位體積內(nèi)氣體的分子數(shù)目減少，氣體壓強變小.

（2）氣體壓強與質(zhì)量的關(guān)系：增加氣體的質(zhì)量，單位體積內(nèi)氣體分子的數(shù)目增多，單位面積內(nèi)器壁受到氣體分子碰撞的次數(shù)增多，氣體壓強變大.

（3）氣體壓強與溫度的關(guān)系：加熱氣體，氣體溫度升高，氣體分子的速度增大，單位面積內(nèi)器壁受到氣體分子的碰撞作用力增大，氣體壓強變大.

分子動理論是認識微觀世界的基礎(chǔ)，是宏觀與微觀聯(lián)系的紐帶.在學完分子動理論后，教師如果能夠結(jié)合分子動理論，引導學生對宏觀的熱學現(xiàn)象進行微觀分析，就能減輕學生的學習負擔，更加透徹地了解熱學現(xiàn)象的本質(zhì).

參考文獻：

[1] 羅春焱，利用“氣體壓強的微觀解釋”分析幾個問題 ， 《物理教師》， 2011（8）：44-44.

[2] 王海昭，分子動理論與內(nèi)能，《文教資料》2002-06.