从分子视角揭示热学现象的本质

摘要：在物理教学中，教师如果引导学生从分子角度对热学现象中各种物态变化、内能变化、气体压强变化进行微观分析，达到让学生能更加透彻地理解热学现象本质的目的.所以用微观理论来分析宏观现象的思想对物理教师具有很重要的教学借鉴意义.
关键词：分子动理论；物态变化；内能；做功；气体压强
作者简介：邵忠芳（1982-），男，中学一级教师，主要从事中学物理教学与研究工作
在中学物理教学中，结论或规律一般都是通过多次实验得出来的，然后用归纳法得出结论，很少进行微观的理论分析，其主要原因是考虑到中学生现有的认知水平程度.但是，在平时的教学中发现：对于一些热学规律的教学，可以先通过实验归纳出结论，待学完分子动理论后再利用分子动理论对实验现象进行微观分析，这样能够帮助学生从微观角度认识热学现象的本质，加深对规律的理解，从而加深记忆.
1用分子动理论解释物态变化
固体、液体、气体的分子模型如图1所示.固体分子排列规则，就像坐在座位上的学生；液体分子可以移动，就像课间教室里的学生；气体分子几乎不受力的作用，就像操场上乱跑的学生.所以固体和液体的体积基本是固定的，而气体的体积是不固定的.
1.1物态变化的微观解释
当物体发生熔化、汽化和升华这些物态变化时，物体吸收热量后，其分子的运动更加剧烈，使部分的分子能脱离其它分子的束缚而移动得更自由，从而发生相应的物态变化.如冰的升华过程，冰从外界吸收一定的热量后，其表面的部分水分子运动加剧，它们脱离了其它分子的束缚，直接跑到空气里去了，这就是升华.熔化和汽化过程与升华过程类似；而凝固、液化和凝华过程则与升华过程相反.
1.2影响蒸发的三个因素的微观理解
蒸发的微观过程是这样的（以水为例）：分子作无规则运动，杯中部分速度较快的水分子向水面外运动，脱离液面的束缚跑到空气中，使液态的水逐渐缓慢变成气态的水蒸气，从而杯中的水越来越少.要加快蒸发，可以从以下三个方面进行.
（1）提高液体的温度可加快蒸发：液体温度升高，分子运动加快，相同时间内有更多分子跑出液面，蒸发加快；
（2）加大液体的表面积可加快蒸发：液体与空气的接触面积加大了，相同时间内从液面能跑出去的分子数量变多，蒸发加快了；
（3）加快液体表面的空气流速，可加快蒸发：当速度较大的液体分子跑出液面时，被风吹走，就不可能再回到水中，空气流速越快，相同时间内被风吹走的液体分子数量越多，蒸发加快了.
2用分子动理论解释物体内能的改变
2.1内能的微观解释
分子动理论告诉我们“分子在永不停息地做无规则运动”，分子因为运动而具有动能.当分子运动速度加快时，分子的动能就会加大.“分子间还同时存在相互作用的引力和斥力”，分子间因为存在相互作用，使分子具有势能.分子之间的相互作用力越大，分子之间的势能就越大.而物体内所有分子的动能和势能的总和就是物体的内能.
2.2用分子动理论解释热传递改变物体的内能
在绝大部分情况下，当物体通过热传递吸收热量后，物体温度升高，分子运动速度增加，分子动能增加，从而使物体内能增加.相反物体放出热量后，物体温度下降，分子运动速度降低，分子动能减小，物体内能减少.但在一些特殊过程中，如晶体熔化过程中，物体吸热温度不变，分子动能基本不变；但熱量会使分子的排列发生变化，分子之间的距离增大以及分子离开原来的位置移动，这样热量就用来克服分子之间的引力做功， 使分子间的相互作用发生改变，使物体呈现液态.也就是说，晶体熔化过程，吸收的热量主要转化为分子之间的势能；分子动能基本不变，因此，物体的温度就没有显著的改变.
物体通过热传递放出热量后内能的变化过程，恰好与上述分析过程相反.
2.3用分子动理论解释做功改变物体的内能（以气体为例）
（1） 物体对外界做功，物体温度下降，分子的无规则运动的速度减慢，导致分子的动能减小，导致分子内能减小.
（2）外界对物体做功，物体温度上升，分子的无规则运动的速度加快，导致分子的动能增大，导致分子内能增大.
3用分子动理论解释气体的压强
气体的压强产生的原因是：大量的气体分子频繁地碰撞容器壁，分子对容器壁产生压力，单位面积的容器壁上受到分子的碰撞作用力的大小就是气体的压强.气体压强与气体的体积、质量和温度等因素有关.
（1）气体压强与体积的关系：缓慢压缩气体，气体体积减小，温度不变，单位体积内气体分子数目增多，使单位面积内容器壁受到气体分子碰撞的次数增多，气体的压强变大.相反，气体膨胀对外做功，气体体积变大，单位体积内气体的分子数目减少，气体压强变小.
（2）气体压强与质量的关系：增加气体的质量，单位体积内气体分子的数目增多，单位面积内器壁受到气体分子碰撞的次数增多，气体压强变大.
（3）气体压强与温度的关系：加热气体，气体温度升高，气体分子的速度增大，单位面积内器壁受到气体分子的碰撞作用力增大，气体压强变大.
分子动理论是认识微观世界的基础，是宏观与微观联系的纽带.在学完分子动理论后，教师如果能够结合分子动理论，引导学生对宏观的热学现象进行微观分析，就能减轻学生的学习负担，更加透彻地了解热学现象的本质.
参考文献：
[1] 罗春焱，利用“气体压强的微观解释”分析几个问题 ， 《物理教师》， 2011（8）：44-44.
[2] 王海昭，分子动理论与内能，《文教资料》2002-06.