一組熱學(xué)現(xiàn)象的微觀解釋

黃方紅

摘 要：物理學(xué)是研究物質(zhì)運(yùn)動(dòng)最一般規(guī)律和物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)的學(xué)科.初中階段的學(xué)習(xí)，大多停留在關(guān)注宏觀的物理現(xiàn)象，未曾細(xì)致深入分析隱藏在現(xiàn)象背后的微觀本質(zhì).本著對(duì)初、高中物理知識(shí)的銜接，對(duì)于像蒸發(fā)、凝固、熔化、溫度、氣體的壓強(qiáng)等物理現(xiàn)象，本文嘗試著從分子動(dòng)理論的角度進(jìn)行分析，找出其內(nèi)在機(jī)理，從而引導(dǎo)學(xué)生更加深刻地理解其物理本質(zhì).

關(guān)鍵詞：熱現(xiàn)象；分子動(dòng)理論；微觀

熱現(xiàn)象是人類在生活和生產(chǎn)中最早接觸到的自然現(xiàn)象之一.熱現(xiàn)象的本質(zhì)是什么？科學(xué)家們經(jīng)過長期的研究發(fā)現(xiàn)，熱現(xiàn)象是由物質(zhì)內(nèi)部大量微粒的運(yùn)動(dòng)引起的，后來逐步發(fā)展成為一門科學(xué)理論——分子動(dòng)理論.在初中階段，分子動(dòng)理論就是從微觀角度看待宏觀現(xiàn)象的基本理論，運(yùn)用分子動(dòng)理論，可以對(duì)物態(tài)變化等宏觀現(xiàn)象作出合理的解釋.

一、分子動(dòng)理論的基本觀點(diǎn)之一

內(nèi)容：物體是由大量分子組成的.

組成物體的分子很小，肉眼看不見，那么怎樣通過身邊的器材估測(cè)出分子的直徑呢？——油膜法估測(cè)分子的大小.

實(shí)驗(yàn)步驟和原理如下：

1.實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象為油酸分子，在實(shí)驗(yàn)前通過注射器可得出1滴油酸溶液中油酸的體積為V .

2.把1滴該溶液滴入盛水的淺盤里，待水面穩(wěn)定后，將玻璃板放在淺盤上，在玻璃板上描出油膜的輪廓，隨后把玻璃板放在坐標(biāo)紙上，其形狀如圖1所示.坐標(biāo)紙中正方形方格的邊長為a厘米，我們可以數(shù)出輪廓內(nèi)的方格數(shù)n（未滿半格的不計(jì)入格數(shù)，超過半格的算1格），從而估測(cè)出這個(gè)油膜的面積S.

3.假設(shè)油膜為油酸分子緊密排列而組成，如圖2所示，那么我們就可以估測(cè)出油膜分子的直徑d.

例1 油膜法測(cè)分子直徑，就是把油滴滴在水面上自由擴(kuò)展，最終可以看作單分子排列的油膜.現(xiàn)在有體積為1×10-3cm3的一滴石油滴在水面上，擴(kuò)展成面積是3m2的油膜，則石油分子直徑約為m.

參考答案：33×10-10.

二、分子動(dòng)理論的基本觀點(diǎn)之二

內(nèi)容：分子在永不停息地做無規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，如擴(kuò)散現(xiàn)象.分子的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)與溫度有關(guān)，溫度越高，分子的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)越劇烈，擴(kuò)散就越快.

例2 （2006湖北咸寧）1827年，植物學(xué)家布朗將植物花粉放入水中（如圖3所示），然后取一滴水在顯微鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)水中的花粉顆粒一個(gè)個(gè)都在不停地運(yùn)動(dòng)，而且還很快地改變運(yùn)動(dòng)速度和方向，這就是著名的“布朗運(yùn)動(dòng)”.在這里花粉顆粒的運(yùn)動(dòng)實(shí)際上就是由于水分子的撞擊引起的，因此布朗運(yùn)動(dòng)又一次說明了物體內(nèi)部分子在不停地做無規(guī)則的運(yùn)動(dòng).

從上述信息可知，在布朗實(shí)驗(yàn)中，直接觀察到的是運(yùn)動(dòng)，而反映的卻是.

例3 （2013安徽）古詩“花氣襲人知驟暖”的意思是，從花的芳香氣味變濃可以知道周邊的氣溫突然升高.從物理學(xué)的角度分析，這是因?yàn)闇囟仍礁撸?

參考答案：例2、花粉顆粒在不停地；水分子在不停地做無規(guī)則的運(yùn)動(dòng)；例3、分子的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)越劇烈.

三、分子動(dòng)理論的基本觀點(diǎn)之三

內(nèi)容：1、分子間同時(shí)存在著相互作用的引力和斥力.

2、分子間作用力與分子間距離的關(guān)系：

（1）當(dāng)分子間距r=r0=10-10m時(shí)，F(xiàn)引=F斥，分子所受的合力為零，處于平衡狀態(tài)；

（2）當(dāng)分子間距r

（3）當(dāng)分子間距r>r0時(shí)，F(xiàn)引>F斥，分子間作用力的合力表現(xiàn)為引力；

（4）當(dāng)分子間距r>分子直徑10倍以上時(shí)，分子間作用力微弱，可以忽略.

（5）引力和斥力的變化過程：引力和斥力都隨分子間距離的增大而減小，隨分子間距離的減小而增大，但在變化過程中，始終是斥力變化得快.如圖4所示.

例4 荷葉上的小水滴、草葉上的露珠看起來呈球狀，如圖5所示，從分子動(dòng)理論的角度看，合理的解釋是.

例5 物質(zhì)有固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)三種形態(tài)，通常情況下，氣態(tài)很容易被壓縮，而固態(tài)、液態(tài)很難被壓縮.試用分子動(dòng)理論的相關(guān)知識(shí)解釋該現(xiàn)象：.

參考答案：例4、分子間有相互作用的引力；例5、氣態(tài)分子間距離大，作用力??；固態(tài)、液態(tài)分子間距離小，作用力大.

四、物態(tài)變化的微觀解釋

1.物質(zhì)三種狀態(tài)的微觀結(jié)構(gòu)

物質(zhì)在固態(tài)時(shí)，分子只在平衡位置附近振動(dòng)，分子間距很小，分子間的作用力很大.宏觀上表現(xiàn)為，固體有一定的形狀和體積，不易被壓縮.

物質(zhì)在液態(tài)時(shí)，分子在平衡位置上振動(dòng)一段時(shí)間，還要移動(dòng)到其它的位置上振動(dòng)，分子間距比固態(tài)大，分子間的作用力比固態(tài)小.宏觀上表現(xiàn)為，液體保持一定的體積，但是沒有一定的形狀，具有流動(dòng)性，不易被壓縮.

物質(zhì)在氣態(tài)時(shí)，分子間距很大，分子間的相互作用力十分微弱，通常可以認(rèn)為，氣體分子除碰撞外不受力的作用，可以在空間里自由移動(dòng).宏觀上表現(xiàn)為，氣體能充滿它所能到達(dá)的空間，既沒有一定的體積，也沒有一定的形狀，具有流動(dòng)性，很容易被壓縮.

2.熔化和凝固

物質(zhì)從固態(tài)變成液態(tài)的過程叫做熔化，從液態(tài)變成固態(tài)的過程叫做凝固.物質(zhì)在熔化時(shí)要吸收熱量，在凝固時(shí)要放出熱量.

固體分為晶體和非晶體.晶體和非晶體在熔化和凝固時(shí)的情況是不同的.晶體熔化和凝固都有確定的溫度，分別叫做熔點(diǎn)和凝固點(diǎn)；非晶體沒有一定的熔化溫度和凝固溫度.

（1）晶體物質(zhì)的微粒是按一定的規(guī)則排列的，形成有規(guī)則的空間點(diǎn)陣結(jié)構(gòu).這些物質(zhì)微粒在一定的位置附近做無規(guī)則振動(dòng)，微粒的熱運(yùn)動(dòng)不足以克服它們的相互作用而遠(yuǎn)離.給晶體加熱時(shí)，晶體物質(zhì)吸熱溫度升高，物質(zhì)微粒的無規(guī)則振動(dòng)加劇，達(dá)到一定的溫度（即熔點(diǎn)）時(shí)，再繼續(xù)吸收熱量，一部分微粒的能量能夠克服相互間的作用力而離開各自的平衡位置，空間點(diǎn)陣開始解體，晶體開始熔化.在熔化過程中，外界供給晶體的能量，全部用來破壞晶體的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，增加分子間的勢(shì)能，所以溫度不發(fā)生變化.

反過來，液體向外放熱而溫度降低，物質(zhì)微粒的無規(guī)則振動(dòng)減弱，到一定程度，相互間的作用力把它們束縛在一定的平衡位置上，使得它們不再能隨意移動(dòng)，這些物質(zhì)微粒將重新按一定的規(guī)則排列起來，這就是凝固.在凝固過程中，晶體溶液中的物質(zhì)微粒又會(huì)形成空間點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，微粒間的勢(shì)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.

（2）非晶體的微觀結(jié)構(gòu)跟液體非常類似，不具有規(guī)則的空間點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，在熔化過程中不必為破壞點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)而消耗能量，因此非晶體表現(xiàn)為隨溫度升高而逐漸軟化，直至熔化.

（3）熔化熱

晶體在熔化過程中不斷從外界吸收熱量，但溫度保持不變.吸收的熱量絕大部分用于破壞晶體的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，增加分子間的勢(shì)能.對(duì)大多數(shù)熔化時(shí)體積增大的物質(zhì)來說，還有一部分熱量用來克服外界壓強(qiáng)做功.

①定義：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，用字母λ表示.

②單位：在國際單位制中，熔化熱的單位：焦/千克，符號(hào)：J/kg.

③計(jì)算公式：Q=λm.

3.汽化和液化

物質(zhì)從液態(tài)變成氣態(tài)的過程叫做汽化，從氣態(tài)變成液態(tài)的過程叫做液化.物質(zhì)在汽化時(shí)要吸收熱量，液化時(shí)要放出熱量.

汽化有兩種方式：蒸發(fā)和沸騰.蒸發(fā)是只在液體表面進(jìn)行的汽化現(xiàn)象，沸騰是在液體表面和內(nèi)部同時(shí)進(jìn)行的汽化現(xiàn)象.液體沸騰有確定的溫度，這個(gè)溫度叫做沸點(diǎn).

使氣體液化可以采用降低溫度和壓縮體積兩種方法.

（1）液體中的分子都在不停地運(yùn)動(dòng)著，它們的平均動(dòng)能跟溫度有關(guān)，但在任何溫度下，總有一部分分子的動(dòng)能比平均動(dòng)能大.那些處在液體表面層附近的動(dòng)能足夠大的分子，能夠掙脫周圍分子的引力，飛出液面而形成氣體分子，這就是蒸發(fā).

（2）液體溫度越高，分子的平均動(dòng)能就越大，具有足夠大的動(dòng)能因而能夠飛出液面的分子也就越多.所以，溫度越高，蒸發(fā)得越快.

（3）液體的表面積越大，處在表面層中的分子就越多，能夠從液面飛出的分子也就越多.所以，表面積越大，蒸發(fā)得越快.

（4）飛出液面的分子如果停留在液面附近，由于分子的熱運(yùn)動(dòng)，有的分子會(huì)撞到液面，被液體分子重新拉回到液體中去，這樣蒸發(fā)就變慢了.如果設(shè)法加快液體表面的空氣流速，把液面形成的蒸汽分子吹散，使蒸汽的密度變小，蒸汽分子回到液體中的數(shù)量比同時(shí)從液面跑出的分子數(shù)量少得多，蒸發(fā)就會(huì)加快.所以，蒸發(fā)的快慢還跟液面上方氣體流動(dòng)的快慢有關(guān)系，氣體流動(dòng)得越快，蒸發(fā)得越快.

（5）不同液體的分子間作用力大小不同，分子間作用力大的液體不容易蒸發(fā).所以，在相同條件下，不同液體蒸發(fā)的快慢不同.

（6）在蒸發(fā)過程中，從液體中飛出的是動(dòng)能較大的分子，這些分子飛出后，留在液體中的分子的平均動(dòng)能減小，液體的溫度要降低，這時(shí)它就要從周圍的物體吸收熱量，因而液體蒸發(fā)具有致冷作用.

（7）汽化熱

液體在汽化過程中體積增大很多，體積膨脹時(shí)要克服外界氣壓做功，因此也要吸收熱量.

①定義：某種液體汽化成同溫度的氣體時(shí)所需的能量（Q）與其質(zhì)量（m）之比，叫做這種物質(zhì)在這個(gè)溫度下的汽化熱，用字母L表示.

②單位：在國際單位制中，汽化熱的單位：焦/千克，符號(hào)：J/kg.

③計(jì)算公式：Q=Lm.

4.升華和凝華

物質(zhì)由固態(tài)直接變成氣態(tài)的過程叫做升華，從氣態(tài)直接變成固態(tài)的過程叫做凝華.升華要吸熱，而凝華要放熱.

固體表面的動(dòng)能較大的分子克服鄰近分子之間的結(jié)合力逸出固體表面，直接變?yōu)檎羝肿?，這就是升華的本質(zhì).

蒸汽分子由于無規(guī)則運(yùn)動(dòng)而靠近固體表面，或者由于溫度降低而無規(guī)則運(yùn)動(dòng)減慢時(shí)，蒸汽分子又可能被固體表面分子吸引而回到固體中，這就是凝華的本質(zhì).

固態(tài)物質(zhì)在升華時(shí)，粒子直接由點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝肿?，一方面要克服固態(tài)粒子之間的結(jié)合力做功；另一方面因體積膨脹還要克服外界的壓力做功，所以物質(zhì)升華時(shí)需要吸收大量的熱.反之，物質(zhì)凝華時(shí)需要放出大量的熱.

例6 （2017安徽）當(dāng)晶體被加熱時(shí)，其分子運(yùn)動(dòng)更加劇烈，分子間的束縛隨之減弱，以致有的分子能較自由地“游動(dòng)”，呈流動(dòng)性，其宏觀表現(xiàn)就是晶體的（選填物態(tài)變化名稱）.

例7 （2016安徽）液體和空氣接觸的表面存在一個(gè)薄層——表面層，如圖6所示.由于液體分子做無規(guī)則運(yùn)動(dòng)，表面層中就存在一些具有較大能量的分子，它們可以克服分子間相互作用的力，脫離液體跑到空氣中去.其宏觀表現(xiàn)就是液體的 （填物態(tài)變化名稱）.

注意 處在表面層的分子比液體內(nèi)部稀疏些，分子間距比液體內(nèi)部大些，引力和斥力都減小，但斥力減小得更快，所以分子間的相互作用表現(xiàn)為引力.

例8 液體中的部分分子因?yàn)榫哂凶銐虻哪芰慷撾x液面直接進(jìn)入空氣中，這是蒸發(fā)的本質(zhì)；其實(shí)，固體表面也有部分分子因?yàn)榫哂凶銐虻哪芰慷撾x固體表面直接進(jìn)入空氣中，這一過程發(fā)生的物態(tài)變化是.

例9 熔化熱是指單位質(zhì)量的晶體熔化成同溫度的液態(tài)物質(zhì)所需要的熱量，通常情況下冰的熔化熱是335×105J/kg.現(xiàn)給1kg、0℃的冰加熱直至沸騰（設(shè)環(huán)境為通常狀況）.求冰熔化成水，直至沸騰至少所需的熱量（c水=42×103J/（kg·℃））.

參考答案：例6、熔化；例7、引力、蒸發(fā)；例8、升華；例9、755×105J.

五、內(nèi)能

物體中所有分子的熱運(yùn)動(dòng)動(dòng)能與分子勢(shì)能的總和，叫做物體的內(nèi)能.組成任何物體的分子都在做無規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)，所以任何物體都具有內(nèi)能.

1.由于溫度升高時(shí)分子的熱運(yùn)動(dòng)加劇，因此，溫度是分子熱運(yùn)動(dòng)劇烈程度的標(biāo)志，也就是分子熱運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能的標(biāo)志；

2.物體的體積變化時(shí)，分子間的距離將發(fā)生變化，因而分子勢(shì)能隨之改變.

所以，一般說來物體的溫度和體積變化時(shí)，它的內(nèi)能都會(huì)隨之改變.

例10 （2015哈爾濱道外模擬）一杯開水經(jīng)過一段時(shí)間后，變?yōu)橐槐氐乃瑒t下列說法錯(cuò)誤的是（ ）

A.這杯水的內(nèi)能變小

B.水分子平均動(dòng)能變小

C.水分子無規(guī)則運(yùn)動(dòng)的劇烈程度變緩慢

D.水的比熱容變小

例11 晶體在凝固時(shí)要放熱，因此0℃的水凝固成0℃的冰時(shí)的內(nèi)能減小，減小的內(nèi)能主要是以（選填“分子動(dòng)能”或“分子勢(shì)能”）的形式存在的.

參考答案：例10、D；例11、分子勢(shì)能.

六、氣體熱現(xiàn)象的微觀意義

1.氣體分子運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)：氣體分子間的距離比較大，分子間的作用力很弱，通常認(rèn)為，氣體分子除了相互碰撞或者跟器壁碰撞外，不受力而做勻速直線運(yùn)動(dòng)，因而氣體會(huì)充滿它能達(dá)到的整個(gè)空間.

2.氣體溫度的微觀意義：溫度越高，分子的熱運(yùn)動(dòng)越劇烈，溫度是分子平均動(dòng)能的標(biāo)志.

3.氣體壓強(qiáng)的微觀意義：從微觀的角度看，氣體對(duì)容器的壓強(qiáng)是大量氣體分子對(duì)容器的碰撞引起的.氣體壓強(qiáng)的大小跟兩個(gè)因素有關(guān)：一個(gè)是氣體分子的平均動(dòng)能，一個(gè)是分子的密集程度.

例12 氣體的壓強(qiáng)與體積的關(guān)系：質(zhì)量一定的氣體，溫度不變時(shí)，氣體的體積越小壓強(qiáng)越大，氣體體積越大壓強(qiáng)越小.為什么？

微觀解釋：一定質(zhì)量的氣體，溫度保持不變時(shí)，分子的平均動(dòng)能是一定的.在這種情況下，體積減小時(shí)，分子的密集程度增大，氣體的壓強(qiáng)就增大.

例13 氣體的壓強(qiáng)與溫度的關(guān)系：在體積不變時(shí)，一定質(zhì)量的氣體，溫度越高，壓強(qiáng)越大；溫度越低，壓強(qiáng)越小.為什么？

微觀解釋：一定質(zhì)量的氣體，體積保持不變時(shí)，分子的密集程度保持不變.在這種情況下，溫度升高時(shí)，分子的平均動(dòng)能增大，氣體的壓強(qiáng)就增大.

例14 夏天，如果將自行車內(nèi)胎充氣過足，又放在陽光下曝曬，車胎極易爆裂.關(guān)于這一現(xiàn)象以下描述錯(cuò)誤的是（ ）（曝曬過程中內(nèi)胎容積幾乎不變）

A.車胎爆裂，是車胎內(nèi)氣體溫度升高，氣體分子間斥力急劇增大的結(jié)果

B.在爆裂前的過程中，氣體溫度升高，分子無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)加劇，氣體壓強(qiáng)增大

C.在爆裂前的過程中，氣體吸熱，內(nèi)能增加

D.在車胎突然爆裂的瞬間，氣體內(nèi)能減少

參考答案：A.

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