| 标题 | 一组热学现象的微观解释 |
| 范文 | 黄方红 摘 要：物理学是研究物质运动最一般规律和物质基本结构的学科.初中阶段的学习，大多停留在关注宏观的物理现象，未曾细致深入分析隐藏在现象背后的微观本质.本着对初、高中物理知识的衔接，对于像蒸发、凝固、熔化、温度、气体的压强等物理现象，本文尝试着从分子动理论的角度进行分析，找出其内在机理，从而引导学生更加深刻地理解其物理本质. 关键词：热现象；分子动理论；微观 热现象是人类在生活和生产中最早接触到的自然现象之一.热现象的本质是什么？科学家们经过长期的研究发现，热现象是由物质内部大量微粒的运动引起的，后来逐步发展成为一门科学理论——分子动理论.在初中阶段，分子动理论就是从微观角度看待宏观现象的基本理论，运用分子动理论，可以对物态变化等宏观现象作出合理的解释. 一、分子动理论的基本观点之一 内容：物体是由大量分子组成的. 组成物体的分子很小，肉眼看不见，那么怎样通过身边的器材估测出分子的直径呢？——油膜法估测分子的大小. 实验步骤和原理如下： 1.实验研究对象为油酸分子，在实验前通过注射器可得出1滴油酸溶液中油酸的体积为V . 2.把1滴该溶液滴入盛水的浅盘里，待水面稳定后，将玻璃板放在浅盘上，在玻璃板上描出油膜的轮廓，随后把玻璃板放在坐标纸上，其形状如图1所示.坐标纸中正方形方格的边长为a厘米，我们可以数出轮廓内的方格数n（未满半格的不计入格数，超过半格的算1格），从而估测出这个油膜的面积S. 3.假设油膜为油酸分子紧密排列而组成，如图2所示，那么我们就可以估测出油膜分子的直径d. 例1 油膜法测分子直径，就是把油滴滴在水面上自由扩展，最终可以看作单分子排列的油膜.现在有体积为1×10-3cm3的一滴石油滴在水面上，扩展成面积是3m2的油膜，则石油分子直径约为m. 参考答案：33×10-10. 二、分子动理论的基本观点之二 内容：分子在永不停息地做无规则的运动，如扩散现象.分子的无规则运动与温度有关，温度越高，分子的无规则运动越剧烈，扩散就越快. 例2 （2006湖北咸宁）1827年，植物学家布朗将植物花粉放入水中（如图3所示），然后取一滴水在显微镜下观察，发现水中的花粉颗粒一个个都在不停地运动，而且还很快地改变运动速度和方向，这就是著名的“布朗运动”.在这里花粉颗粒的运动实际上就是由于水分子的撞击引起的，因此布朗运动又一次说明了物体内部分子在不停地做无规则的运动. 从上述信息可知，在布朗实验中，直接观察到的是运动，而反映的却是. 例3 （2013安徽）古诗“花气袭人知骤暖”的意思是，从花的芳香气味变浓可以知道周边的气温突然升高.从物理学的角度分析，这是因为温度越高，. 参考答案：例2、花粉颗粒在不停地；水分子在不停地做无规则的运动；例3、分子的无规则运动越剧烈. 三、分子动理论的基本观點之三 内容：1、分子间同时存在着相互作用的引力和斥力. 2、分子间作用力与分子间距离的关系： （1）当分子间距r=r0=10-10m时，F引=F斥，分子所受的合力为零，处于平衡状态； （2）当分子间距r （3）当分子间距r>r0时，F引>F斥，分子间作用力的合力表现为引力； （4）当分子间距r>分子直径10倍以上时，分子间作用力微弱，可以忽略. （5）引力和斥力的变化过程：引力和斥力都随分子间距离的增大而减小，随分子间距离的减小而增大，但在变化过程中，始终是斥力变化得快.如图4所示. 例4 荷叶上的小水滴、草叶上的露珠看起来呈球状，如图5所示，从分子动理论的角度看，合理的解释是. 例5 物质有固态、液态、气态三种形态，通常情况下，气态很容易被压缩，而固态、液态很难被压缩.试用分子动理论的相关知识解释该现象：. 参考答案：例4、分子间有相互作用的引力；例5、气态分子间距离大，作用力小；固态、液态分子间距离小，作用力大. 四、物态变化的微观解释 1.物质三种状态的微观结构 物质在固态时，分子只在平衡位置附近振动，分子间距很小，分子间的作用力很大.宏观上表现为，固体有一定的形状和体积，不易被压缩. 物质在液态时，分子在平衡位置上振动一段时间，还要移动到其它的位置上振动，分子间距比固态大，分子间的作用力比固态小.宏观上表现为，液体保持一定的体积，但是没有一定的形状，具有流动性，不易被压缩. 物质在气态时，分子间距很大，分子间的相互作用力十分微弱，通常可以认为，气体分子除碰撞外不受力的作用，可以在空间里自由移动.宏观上表现为，气体能充满它所能到达的空间，既没有一定的体积，也没有一定的形状，具有流动性，很容易被压缩. 2.熔化和凝固 物质从固态变成液态的过程叫做熔化，从液态变成固态的过程叫做凝固.物质在熔化时要吸收热量，在凝固时要放出热量. 固体分为晶体和非晶体.晶体和非晶体在熔化和凝固时的情况是不同的.晶体熔化和凝固都有确定的温度，分别叫做熔点和凝固点；非晶体没有一定的熔化温度和凝固温度. （1）晶体物质的微粒是按一定的规则排列的，形成有规则的空间点阵结构.这些物质微粒在一定的位置附近做无规则振动，微粒的热运动不足以克服它们的相互作用而远离.给晶体加热时，晶体物质吸热温度升高，物质微粒的无规则振动加剧，达到一定的温度（即熔点）时，再继续吸收热量，一部分微粒的能量能够克服相互间的作用力而离开各自的平衡位置，空间点阵开始解体，晶体开始熔化.在熔化过程中，外界供给晶体的能量，全部用来破坏晶体的点阵结构，增加分子间的势能，所以温度不发生变化. 反过来，液体向外放热而温度降低，物质微粒的无规则振动减弱，到一定程度，相互间的作用力把它们束缚在一定的平衡位置上，使得它们不再能随意移动，这些物质微粒将重新按一定的规则排列起来，这就是凝固.在凝固过程中，晶体溶液中的物质微粒又会形成空间点阵结构，微粒间的势能减小，因此虽然放出能量，温度却保持不变，直到全部凝固成晶体. （2）非晶体的微观结构跟液体非常类似，不具有规则的空间点阵结构，在熔化过程中不必为破坏点阵结构而消耗能量，因此非晶体表现为随温度升高而逐渐软化，直至熔化. （3）熔化热 晶体在熔化过程中不断从外界吸收热量，但温度保持不变.吸收的热量绝大部分用于破坏晶体的点阵结构，增加分子间的势能.对大多数熔化时体积增大的物质来说，还有一部分热量用来克服外界压强做功. ①定义：某种晶体熔化过程中所需的能量（Q）与其质量（m）之比叫做这种晶体的熔化热，用字母λ表示. ②单位：在国际单位制中，熔化热的单位：焦/千克，符号：J/kg. ③计算公式：Q=λm. 3.汽化和液化 物质从液态变成气态的过程叫做汽化，从气态变成液态的过程叫做液化.物质在汽化时要吸收热量，液化时要放出热量. 汽化有两种方式：蒸发和沸腾.蒸发是只在液体表面进行的汽化现象，沸腾是在液体表面和内部同时进行的汽化现象.液体沸腾有确定的温度，这个温度叫做沸点. 使气体液化可以采用降低温度和压缩体积两种方法. （1）液体中的分子都在不停地运动着，它们的平均动能跟温度有关，但在任何温度下，总有一部分分子的动能比平均动能大.那些处在液体表面层附近的动能足够大的分子，能够挣脱周围分子的引力，飞出液面而形成气体分子，这就是蒸发. （2）液体温度越高，分子的平均动能就越大，具有足够大的动能因而能够飞出液面的分子也就越多.所以，温度越高，蒸发得越快. （3）液体的表面积越大，处在表面层中的分子就越多，能够从液面飞出的分子也就越多.所以，表面积越大，蒸发得越快. （4）飞出液面的分子如果停留在液面附近，由于分子的热运动，有的分子会撞到液面，被液体分子重新拉回到液体中去，这样蒸发就变慢了.如果设法加快液体表面的空气流速，把液面形成的蒸汽分子吹散，使蒸汽的密度变小，蒸汽分子回到液体中的数量比同时从液面跑出的分子数量少得多，蒸发就会加快.所以，蒸发的快慢还跟液面上方气体流动的快慢有关系，气体流动得越快，蒸发得越快. （5）不同液体的分子间作用力大小不同，分子间作用力大的液体不容易蒸发.所以，在相同条件下，不同液体蒸发的快慢不同. （6）在蒸发过程中，从液体中飞出的是动能较大的分子，这些分子飞出后，留在液体中的分子的平均动能减小，液体的温度要降低，这时它就要从周围的物体吸收热量，因而液体蒸发具有致冷作用. （7）汽化热 液体在汽化过程中体积增大很多，体积膨胀时要克服外界气压做功，因此也要吸收热量. ①定义：某种液体汽化成同温度的气体时所需的能量（Q）与其质量（m）之比，叫做这种物质在这个温度下的汽化热，用字母L表示. ②单位：在国际单位制中，汽化热的单位：焦/千克，符号：J/kg. ③计算公式：Q=Lm. 4.升华和凝华 物质由固态直接变成气态的过程叫做升华，从气态直接变成固态的过程叫做凝华.升华要吸热，而凝华要放热. 固体表面的动能较大的分子克服邻近分子之间的结合力逸出固体表面，直接变为蒸汽分子，这就是升华的本质. 蒸汽分子由于无规则运动而靠近固体表面，或者由于温度降低而无规则运动减慢时，蒸汽分子又可能被固体表面分子吸引而回到固体中，这就是凝华的本质. 固态物质在升华时，粒子直接由点阵结构转变为蒸汽分子，一方面要克服固态粒子之间的结合力做功；另一方面因体积膨胀还要克服外界的压力做功，所以物质升华时需要吸收大量的热.反之，物质凝华时需要放出大量的热. 例6 （2017安徽）当晶体被加热时，其分子运动更加剧烈，分子间的束缚随之减弱，以致有的分子能较自由地“游动”，呈流动性，其宏观表现就是晶体的（选填物态变化名称）. 例7 （2016安徽）液体和空气接触的表面存在一个薄层——表面层，如图6所示.由于液体分子做无规则运动，表面层中就存在一些具有较大能量的分子，它们可以克服分子间相互作用的力，脱离液体跑到空气中去.其宏观表现就是液体的 （填物态变化名称）. 注意 处在表面层的分子比液体内部稀疏些，分子间距比液体内部大些，引力和斥力都减小，但斥力减小得更快，所以分子间的相互作用表现为引力. 例8 液体中的部分分子因为具有足够的能量而脱离液面直接进入空气中，这是蒸发的本质；其实，固体表面也有部分分子因为具有足够的能量而脱离固体表面直接进入空气中，这一过程发生的物态變化是. 例9 熔化热是指单位质量的晶体熔化成同温度的液态物质所需要的热量，通常情况下冰的熔化热是335×105J/kg.现给1kg、0℃的冰加热直至沸腾（设环境为通常状况）.求冰熔化成水，直至沸腾至少所需的热量（c水=42×103J/（kg·℃））. 参考答案：例6、熔化；例7、引力、蒸发；例8、升华；例9、755×105J. 五、内能 物体中所有分子的热运动动能与分子势能的总和，叫做物体的内能.组成任何物体的分子都在做无规则的热运动，所以任何物体都具有内能. 1.由于温度升高时分子的热运动加剧，因此，温度是分子热运动剧烈程度的标志，也就是分子热运动的平均动能的标志； 2.物体的体积变化时，分子间的距离将发生变化，因而分子势能随之改变. 所以，一般说来物体的温度和体积变化时，它的内能都会随之改变. 例10 （2015哈尔滨道外模拟）一杯开水经过一段时间后，变为一杯常温的水，则下列说法错误的是（ ） A.这杯水的内能变小 B.水分子平均动能变小 C.水分子无规则运动的剧烈程度变缓慢 D.水的比热容变小 例11 晶体在凝固时要放热，因此0℃的水凝固成0℃的冰时的内能减小，减小的内能主要是以（选填“分子动能”或“分子势能”）的形式存在的. 参考答案：例10、D；例11、分子势能. 六、气体热现象的微观意义 1.气体分子运动的特点：气体分子间的距离比较大，分子间的作用力很弱，通常认为，气体分子除了相互碰撞或者跟器壁碰撞外，不受力而做匀速直线运动，因而气体会充满它能达到的整个空间. 2.气体温度的微观意义：温度越高，分子的热运动越剧烈，温度是分子平均动能的标志. 3.气体压强的微观意义：从微观的角度看，气体对容器的压强是大量气体分子对容器的碰撞引起的.气体压强的大小跟两个因素有关：一个是气体分子的平均动能，一个是分子的密集程度. 例12 气体的压强与体积的关系：质量一定的气体，温度不变时，气体的体积越小压强越大，气体体积越大压强越小.为什么？ 微观解释：一定质量的气体，温度保持不变时，分子的平均动能是一定的.在这种情况下，体积减小时，分子的密集程度增大，气体的压强就增大. 例13 气体的压强与温度的关系：在体积不变时，一定质量的气体，温度越高，压强越大；温度越低，压强越小.为什么？ 微观解释：一定质量的气体，体积保持不变时，分子的密集程度保持不变.在这种情况下，温度升高时，分子的平均动能增大，气体的压强就增大. 例14 夏天，如果将自行车内胎充气过足，又放在阳光下曝晒，车胎极易爆裂.关于这一现象以下描述错误的是（ ）（曝晒过程中内胎容积几乎不变） A.车胎爆裂，是车胎内气体温度升高，气体分子间斥力急剧增大的结果 B.在爆裂前的过程中，气体温度升高，分子无规则热运动加剧，气体压强增大 C.在爆裂前的过程中，气体吸热，内能增加 D.在车胎突然爆裂的瞬间，气体内能减少 参考答案：A. 參考文献： [1]义务教育教科书·物理·八年级上册·教师教学用书[M].北京：人民教育出版社，2012. [2]高级中学课本（试用）·物理（甲种本）·第二册[M].北京：人民教育出版社，1985. [3]普通高中物理课本·选修3-3[M].北京：人民教育出版社，2010. |
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