第一章二、物體的內能

5/5第一章二、物體的內能分子的動能溫度像一切運動著的物體一樣，做熱運動的分子也具有動能。組成物體的分子是大量的，在同一溫度下，物體里各個分子運動的速率是不同的，有的大，有的小，即使相同物質中的分子，它們的動能也不相同。由于分子在不停地做無規(guī)則的運動，它們會相互碰撞。發(fā)生碰撞的分子，它們的動能還會變化。因此，在熱現(xiàn)象的研究中，我們所關心的不是每個分子的動能，而是物體里所有分子的動能的平均值。這個平均值叫做分子熱運動的平均動能。我們在前面講述分子的大小時，認為固體分子和液體分子是一個挨一個地排列的，那只是為估算分子大小的數(shù)量級而做的設想。溫度升高，物體分子的熱運動加劇，分子熱運動的平均動能也增加。溫度越高，分子熱運動的平均動能越大。溫度越低，分子熱運動的平均動能越小。溫度是物體分子熱運動平均動能的標志。分子間的相互作用擴散現(xiàn)象和布朗運動不但說明分子在不停地做無規(guī)則的運動，同時也說明分子間是有空隙的，否則分子便不能運動了。氣體容易被壓縮，水和酒精混合后的體積小于兩者原來體積之和（圖1.2-1），也說明了各種物質的分子之間都有空隙。圖圖1.2-1 水和酒精混合后的體積變小分子間雖然有空隙，大量分子卻能聚集在一起形成固體或液體，說明分子之間存在著引力。用力拉伸物體，物體內要產生反抗拉伸的彈力，就是因為分子間存在著引力。把兩塊純凈的鉛壓緊，由于分子間的引力，兩塊鉛就合在一起，甚至下面吊一個重物也不能把它們拉開。將兩塊光學玻璃的表面磨得非常光滑，施加一定的壓力它們就可以黏合在一起，這也是利用了分子間的引力。圖圖1.2-2 分子之間有引力分子間有引力，而分子間又有空隙，這說明分子間還存在著斥力，正是這種斥力使相鄰的分子不會直接“接觸”。分子間斥力的作用距離很小，只有當分子十分靠近時才表現(xiàn)出來。用力壓縮物體，物體內要產生反抗壓縮的彈力，這種彈力就是物體內大量分子間的斥力的宏觀表現(xiàn)。研究表明，分子間同時存在著引力和斥力，它們的大小都跟分子間的距離有關。圖1.2-3的兩條虛線分別表示兩個分子間的引力和斥力隨距離變化的情形。實線表示引力和斥力的合力，即實際表現(xiàn)出來的分子間的作用力隨距離變化的情形。圖圖1.2-3 分子間作用力跟距離的關系。習慣上引力用負值表示，所以代表引力的曲線畫在橫軸的下方。我們看到，分子間的引力和斥力都隨著分子間距離的增大而減小。當兩分子間的距離等于某值r0時，分子間的引力與斥力相互平衡，分子間的作用力為0。r0的數(shù)量級約為10-10m。某分子與相鄰分子的距離為r0時，它所處的位置叫做平衡位置。當分子間的距離小于r0時，引力和斥力雖然都隨著距離的減小而增大，但是斥力增大得更快，因而分子間的作用力表現(xiàn)為斥力。當分子間的距離大于r0時，引力和斥力雖然都隨著距離的增大而減小，但是斥力減小得更快，因而分子間的作用力表現(xiàn)為引力。當分子間距離的數(shù)量級大于10-9m時，引力和斥力都變得很小，分子力已經可以忽略。分子由原子組成，原子內部有帶正電的原了核和帶負電的電子。分子間復雜的作用力就是由這些帶電粒子的相互作用引起的。分子勢能地面上的物體受到地球的吸引，它們之間有重力勢能。分子之間也存在相互作用力，它們之間也有勢能，這就是分子勢能。重力勢能的大小與物體的高度有關系，同樣，分子勢能與分子間的距離有關系。分子間距離的變化在宏觀上表現(xiàn)為物體體積的變化，一般說來，物體的體積發(fā)生變化時，其內部分子勢能隨著發(fā)生變化。氣體的情況有所不同，氣體分子間的距離比較大，分子間的作用力很小，在本書中這種作用力忽略不計。因此，本書不考慮氣體的分子勢能。內能物體中所有分子做熱運動的動能和分子勢能的總和叫做物體的內能（internalenergy）。一切物體都是由不停地做無規(guī)則熱運動并且相互作用著的分子組成的，因此任何物體都具有內能。分子熱運動的平均動能與溫度有關系，溫度升高時，分子的動能增加，因而物體的內能增加；分子勢能跟體積有關系，體積變化，分子勢能隨之變化?？傊?，物體的內能與物體的溫度和體積都有關系。通過前面的分析我們知道：物體是由大量分子組成的，分子永不停息地做無規(guī)則熱運動，分子之間存在著相互作用力。分子的熱運動和分子間的相互作用決定了物質的熱學性質。這就是分子動理論的基本內容?？茖W足跡熱的本質是什么？熱學起源于人類對于冷熱現(xiàn)象的本質的探索。熱學中最核心的概念是溫度，另一個重要概念是熱量。在人類認識熱現(xiàn)象的初期，這些基本概念是模糊不清的，直到近代才得到明確的區(qū)分。很早人們就提出：熱的本質是什么？自古以來，關于熱的本質大體上有兩種看法：熱質說和熱動說。熱質說認為：熱是一種特殊的物質，稱為“熱質（caloric）”。熱質由沒有質量的微小粒子組成，可以從一個物體流向另一個物體，其數(shù)量是守恒的。溫度升高時，熱質粒子互相排斥，從而使受熱物體膨脹。熱動說則認為：熱是組成物質的微觀粒子（分子）運動的表現(xiàn)，它可由物體的機械運動轉化而來。英國的倫福德伯爵（CountRumford，原名B．Thompson）1797年到慕尼黑兵工廠監(jiān)制大炮鏜孔工作，在這期間深入思考了做功與生熱的關系。1798年1月25日他在英國皇家學會做報告說：“……我發(fā)現(xiàn)，銅炮在鉆了很短一段時間后，就會產生大量的熱；而被鉆頭從大炮上刮削下來的銅屑更熱。像我用實驗所證實的，它們比沸水還要熱?！彼赋?，只要機械不停止做功，熱就不斷地產生。這些經歷，使他形成這樣的思想：熱是物質運動的一種形式，是粒子運動的宏觀表現(xiàn)，因此熱的本質是粒子的運動。倫福德伯爵（倫福德伯爵（1753–1814）1799年，戴維（H.Davy，1778-1829）在一個同周圍環(huán)境隔離的真空容器中使兩塊冰互相摩擦。冰在摩擦中慢慢融化為水。在此過程中“熱質”并不守恒但不可能是從外邊跑進去的。戴維由此斷言：“熱質并不存在”，“熱現(xiàn)象的直接原因是運動”。盡管倫福德和戴維由實驗事實提出的論據(jù)如此充分，但他們的觀點并沒有被同對代的多數(shù)人所接受。直到半個世紀以后焦耳重復這類實驗，并發(fā)表了他測得的熱功當量的精確結果．隨后科學界建立起了能量守恒定律，這時熱質說才衰落下去?；hSTS溫度與人類的生存環(huán)境恒溫動物要保持幾乎不變的體溫，必須用各種方法使自己的體溫不受周圍環(huán)境。人吃的食物在氧化時產生熱量，但人體沒有毛皮遮身。更無法隔離變化不定的環(huán)境。人體是靠自身的許多機制來調節(jié)依溫的，這樣才能維持體溫約37℃。人類生活環(huán)境的溫度起伏大約幾十攝氏度：地球表面的平均溫度約為15℃，為生命的存在提供了舒適的溫床，居住房屋的室溫通常在20～30℃的范圍。20世紀70年代，科學家在金星、火星上尋找生命的愿望未果時，提出了一個“蓋婭假說（Gaiahypothesis）在古希臘神話中，卡奧斯（Chaos，意思是“混沌”）和埃若絲（Eros）結婚生了兩個孩子，男孩叫烏朗諾斯（Uranos，意思是“天”），女孩叫蓋婭（Gaia，意思是“地”），所以蓋婭象征地球女神或大地母親。科學家把擬人化的美麗名字“蓋婭”給了地球生物圈和它的環(huán)境所構成的統(tǒng)一體。于是，文中的假說就稱為蓋婭假說。在古希臘神話中，卡奧斯（Chaos，意思是“混沌”）和埃若絲（Eros）結婚生了兩個孩子，男孩叫烏朗諾斯（Uranos，意思是“天”），女孩叫蓋婭（Gaia，意思是“地”），所以蓋婭象征地球女神或大地母親?？茖W家把擬人化的美麗名字“蓋婭”給了地球生物圈和它的環(huán)境所構成的統(tǒng)一體。于是，文中的假說就稱為蓋婭假說。雖然生活環(huán)境溫度的起伏，上下不過幾十攝氏度，然而，在地球發(fā)展史上多次的冰河期里，平均溫度僅降10℃左右，就使大批物種滅絕。如果大氣里CO2的含量加倍，失控的溫室效應使平均氣溫升高3℃的話，海平面將上漲2～5m，它將淹沒的肥沃土地，使農業(yè)減產25%，迫使10億人背井離鄉(xiāng)?？梢?，人類安樂的家園——地球生物圈，在溫度變化面前是何等的脆弱，地球公民應該愛護這個美麗家園。問題與練習1．為什么說酒精和水混合后，體積變小的現(xiàn)象可以說明分子之間有空隙？說明你的理