第一節(jié) 分子動理論

第一節(jié)分子動理論第一頁，共十三頁，2022年，8月28日

一、分子動理論所有物體都是由分子構(gòu)成的。一般物質(zhì)分子的直徑，都是以納米（1nm＝1×10-9m）為數(shù)量級的。如氫分子的直徑為0.23nm，水分子的直徑為0.4nm，蛋白質(zhì)分子的直徑最大，也只有幾納米。近幾十年來，人們已經(jīng)能夠用放大200萬倍的離子顯微鏡直接觀察分子的大小，甚至能夠用放大3億倍的掃描隧道顯微鏡實(shí)現(xiàn)“操縱原子”的夢想，如下圖所示就是用鐵原子在銅上組成的漢字“原子”。第二頁，共十三頁，2022年，8月28日在一間封閉的房間里，打開香水瓶蓋，不一會兒在房間的每一個(gè)角落都能聞到香味；在一杯靜止放置的清水中，輕輕滴入一滴紅墨水，不久就會發(fā)現(xiàn)杯中的水全變紅了；長期堆放在墻腳的煤會滲進(jìn)地面和墻面中……這就是擴(kuò)散現(xiàn)象。擴(kuò)散現(xiàn)象可以說明分子不停地做無規(guī)則的運(yùn)動。分子的無規(guī)則運(yùn)動與溫度有關(guān)，溫度越高，分子運(yùn)動越激烈。因此，我們把大量分子的這種運(yùn)動叫做分子的熱運(yùn)動。從微觀的角度看，在固體中，分子只能處于確定的位置上做微小的振動。如果給固體加熱，固體會熔化為液體。在液體中，分子與臨近分子擁擠在一起，可以發(fā)生位置的交換。如果繼續(xù)給液體加熱，液體會汽化為氣體。在氣體中，分子可以自由地運(yùn)動，如下圖所示。第三頁，共十三頁，2022年，8月28日氣體很容易被壓縮，水和酒精混合后總體積減小，高壓下的油透過鋼壁滲出……這類事實(shí)告訴人們，不論是氣體、液體，還是固體，組成它們的分子之間是存在間隙的。在生產(chǎn)技術(shù)上，為了增強(qiáng)鋼表面的硬度和耐磨性能而進(jìn)行的滲碳處理、為了改變半導(dǎo)體材料的物理性能而摻入雜質(zhì)等等，都是對分子間隙的一種利用。從水龍頭里慢慢滲出的水總是一滴一滴地往下滴，荷葉上的露水也總是呈現(xiàn)出一個(gè)近似的球形，洗衣服時(shí)也總會形成一個(gè)個(gè)的肥皂泡……這些現(xiàn)象都說明液體分子間存在著引力；而液壓千斤頂利用的則是液體的不易壓縮性，這說明液體分子間又存在著斥力。固體一般都具有固定的形狀，它既不易被拉伸也不易被壓縮的性質(zhì)說明它的分子間既存在著引力，也存在著斥力。綜上所述，宏觀物體是由大量分子組成的；分子永不停息地做無規(guī)則的熱運(yùn)動；分子間有空隙；分子之間存在著相互作用的引力和斥力。這就是分子動理論的基本觀點(diǎn)。第四頁，共十三頁，2022年，8月28日

二、溫度溫度是表示物體冷熱程度的物理量。溫度數(shù)值的表示方法，叫做溫標(biāo)。常用的溫標(biāo)有：攝氏溫標(biāo)、華氏溫標(biāo)和熱力學(xué)溫標(biāo)（也叫絕對溫標(biāo)）。世界上大多數(shù)地區(qū)使用攝氏溫標(biāo)，美國通常使用華氏溫標(biāo)。攝氏溫標(biāo)是瑞典天文學(xué)家攝爾西烏斯（1701—1744）創(chuàng)立的，單位是攝氏度（℃）；華氏溫標(biāo)是荷蘭物理學(xué)家華倫海特（1686—1736）創(chuàng)立的，單位是華氏度（℉）。這兩種溫標(biāo)都是以水的冰點(diǎn)和沸點(diǎn)作為特征溫度的：在攝氏溫標(biāo)中這兩個(gè)溫度被定為0℃和100℃；在華氏溫標(biāo)中這兩個(gè)溫度被定為32℉和212℉。這兩種我們平常使用的溫度計(jì)上往往都有這兩種溫標(biāo)，如右圖所示。第五頁，共十三頁，2022年，8月28日熱力學(xué)溫標(biāo)（或絕對溫標(biāo)）是由英國物理學(xué)家開爾文（右圖）創(chuàng)立的，熱力學(xué)溫標(biāo)的單位是開（K）?？茖W(xué)家們發(fā)明了多種形式的新型溫度計(jì)。在工業(yè)和科學(xué)研究中使用的電阻溫度計(jì)，它的測溫范圍為－190～650℃；在低溫物理、航空技術(shù)和宇宙航行研究中采用的半導(dǎo)體溫度計(jì)；在600℃以上的高溫測量中，要使用熱電溫度計(jì)和光學(xué)高溫計(jì)；測量10000℃以上的溫度都是用原子光譜的譜線與溫度的關(guān)系來計(jì)算；測量遙遠(yuǎn)星球的表面溫度要用一種叫做光度計(jì)的儀器。熱力學(xué)溫度和攝氏溫度在數(shù)值上有如下關(guān)系：T=t＋273例如，水的冰點(diǎn)用熱力學(xué)溫度表示為273K，水的沸點(diǎn)用熱力學(xué)溫度表示為373K。熱力學(xué)溫標(biāo)的每一度的大小與攝氏溫標(biāo)相同，因此熱力學(xué)溫標(biāo)中水的沸點(diǎn)比冰點(diǎn)的溫度也高100K。熱力學(xué)溫標(biāo)把宇宙中的最低溫度定義為0K，這個(gè)溫度叫做絕對零度。國際上公認(rèn)的絕對零度為－273.15℃。熱力學(xué)溫度是國際單位制中七個(gè)基本量之一，用符號T

表示。第六頁，共十三頁，2022年，8月28日

三、氣體的壓強(qiáng)測量大氣壓的儀器叫做氣壓計(jì)。氣壓計(jì)的種類很多，實(shí)驗(yàn)室常用的是動槽式（福廷式）氣壓計(jì)，其如右圖所示。氣體分子之間有很大的空隙，氣體分子間的相互作用力十分微弱，氣體分子可以自由地運(yùn)動，常溫下多數(shù)氣體分子的速率都可達(dá)到數(shù)百米每秒——相當(dāng)于子彈的速率。單個(gè)分子的撞擊力很小，而且不連續(xù)，但大量分子對器壁的撞擊卻可以產(chǎn)生大而連續(xù)的壓力。氣體的壓強(qiáng)是氣體垂直作用在器壁單位面積上的壓力。氣體在各個(gè)方向上產(chǎn)生的壓強(qiáng)都相等。壓強(qiáng)用p表示，壓強(qiáng)的SI單位是帕（Pa）。它是用一支長90cm的玻璃管封閉上端，管中裝滿水銀，開口端插入下部汞槽中，管中的汞由于重力作用而下降，因而在封閉的玻璃管上部出現(xiàn)一段真空，汞槽與大氣相通。盛汞的玻璃管裝在黃銅管中，黃銅管上部刻有主標(biāo)尺并在相對兩邊開有長方形小窗，在窗內(nèi)裝一可上下滑動的游標(biāo)尺，以便較準(zhǔn)確地讀出水銀柱的高度，即大氣壓值。第七頁，共十三頁，2022年，8月28日壓力表按其測量范圍，分為真空表、微壓表、低壓表、中壓表及高壓表等。在工業(yè)上用來測量氣體壓強(qiáng)的儀表通常叫做壓力表。壓力表中的彈性敏感元件隨著壓力的變化而產(chǎn)生彈性形變，通過齒輪傳動機(jī)構(gòu)放大，就會在表盤上顯示出氣體壓強(qiáng)值。一種金屬盒壓力表的結(jié)構(gòu)示意圖如右上圖所示。第八頁，共十三頁，2022年，8月28日

四、熱力學(xué)能古人鉆木取火，就是通過對木頭不斷做功的方法，使木頭的溫度不斷升高，最后達(dá)到燃點(diǎn)。這是做功可以改變物體的熱力學(xué)能的最早的例證?，F(xiàn)代工廠中，工人用砂輪磨制工件或切割型材時(shí)，火星飛濺。這些現(xiàn)象也說明，做功可以改變物體的熱力學(xué)能。日常生活中，使用的火柴、打火機(jī)，利用的也是這個(gè)道理。拖拉機(jī)和大卡車上使用的柴油機(jī)，就是利用這個(gè)道理工作的，它首先通過活塞做功，壓縮柴油和空氣的混合氣體，使之溫度升高，達(dá)到燃點(diǎn)而發(fā)生燃燒的。物體由固體轉(zhuǎn)化為液體與由液體轉(zhuǎn)化為氣體的過程中，需要吸收能量。對同一種物質(zhì)來說，液體分子的能量比固體分子的能量多，氣體分子的能量比液體分子的能量多。我們把物體中的分子由于運(yùn)動和相互作用而擁有的這種能量叫做物體的熱力學(xué)能。所有物體均含有熱力學(xué)能。物體的熱力學(xué)能與物體的溫度和體積都有關(guān)系。傳統(tǒng)的溫度計(jì)，應(yīng)用了水銀或者酒精的特性。水銀一類的物質(zhì)在溫度升高時(shí)，它的分子的運(yùn)動就變得越激烈，體積就會膨脹，在管子中水銀液面會升高。因此，管子中水銀體積的大小可以作為溫度的指示。第九頁，共十三頁，2022年，8月28日夏天，手持殺蟲氣霧劑噴灑時(shí)，總會感覺到噴灑后罐體的溫度比噴灑前下降了許多。這是因?yàn)閮?nèi)部的壓縮氣體在膨脹時(shí)對外做功，溫度降低，熱力學(xué)能減少。蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)汽缸內(nèi)高溫高壓的氣體膨脹時(shí)對外做功，溫度降低，氣體的熱力學(xué)能減少。熱量總是從高溫?zé)嵩崔D(zhuǎn)移到低溫?zé)嵩?，或者從物體中溫度高的部分轉(zhuǎn)移到溫度低的部分，直到它們的溫度相等時(shí)才會停止。即通過熱傳遞，高溫?zé)嵩吹臒崃W(xué)能減少了，低溫?zé)嵩吹臒崃W(xué)能增加了。改變物體熱力學(xué)能的物理過程有兩種：做功和熱傳遞。當(dāng)外界對物體做功時(shí)，物體的熱力學(xué)能增加；當(dāng)物體對外界做功時(shí)，物體的熱力學(xué)能就減少。當(dāng)外界向物體傳遞熱量時(shí)，物體的熱力學(xué)能就增加；當(dāng)物體向外界傳遞熱量時(shí)，物體的熱力學(xué)能就減少。第十頁，共十三頁，2022年，8月28日練習(xí)3-1

1．試用分子運(yùn)動的觀點(diǎn)解釋下列現(xiàn)象：（1）墨塊是由石墨粉加高壓后結(jié)合而成的；（2）壓縮一團(tuán)棉花很容易，但棉花不能無限地被壓縮；（3）氣體分子平均速率約幾百米每秒，但在房間內(nèi)打開一瓶香水后，要隔一段時(shí)間，才能夠嗅到香水味；（4）溫度升高，擴(kuò)散現(xiàn)象加??；（5）固體不容易被壓縮和拉伸。答案：（1）墨粉分子在高壓下，分子間的距離縮小到一定程度，在分子引力的作用下結(jié)合成墨塊。（2）棉花分子間有很大的空隙，但壓縮到一定程度后，分子間會產(chǎn)生很強(qiáng)的斥力，因此不能無限地被壓縮。（3）香水氣體分子的速度雖然很大，但其在運(yùn)動過程中會受到其他空氣分子的阻擋，運(yùn)動軌跡是曲折的，因此要隔一段時(shí)間，才能夠嗅到香水味。（4）溫度越高，分子運(yùn)動越激烈，因此擴(kuò)散現(xiàn)象加劇。（5）固體分子間存在著斥力，因此不易被壓縮；固體分子間同時(shí)又存在著引力，因此也不易被拉伸。第十一頁，共十三頁，2022年，8月28日

2．笑話：一位剛到美國不久的中國留學(xué)生因感冒發(fā)燒到醫(yī)院去看病。測量完體溫后，他問醫(yī)生：“我現(xiàn)在的體溫是多少？”醫(yī)生回答：“100。”聽完醫(yī)生的話，留學(xué)生馬上暈了過去。你知道為什么嗎？。答案：美國醫(yī)生說的是華氏溫度100度，實(shí)際相當(dāng)于攝氏溫度37.8℃。

3．討論家里廚房和洗刷間的墻壁上常使用的吸盤式掛鉤的原理。答案：吸盤內(nèi)大多數(shù)空氣分子被排出，吸盤與墻壁間的空氣稀薄，壓強(qiáng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)地小于外部大氣壓，因此吸盤被牢牢地壓在墻壁上。

4．下列現(xiàn)象是通過什么方式改變物體熱力學(xué)能的？（1）燒開水；（2）剛鋸過木頭的鋸條熱得燙手；（3）蒸饅頭；（4）用打氣筒打氣，筒壁發(fā)熱；（5）烤羊肉串；（6）搓手變暖；（7）曬衣服；（8）將火柴在火柴盒上一擦，點(diǎn)著了。第十二頁，共十三頁，2022年，8月28日答案：（1）燒開水是通過熱傳遞增加水的熱力學(xué)能的；（2）剛鋸過木頭的鋸條熱得燙手是通過做功增加鋸條的熱力學(xué)能的；（3