第一章二、物體的內(nèi)能

5/5第一章二、物體的內(nèi)能分子的動(dòng)能溫度像一切運(yùn)動(dòng)著的物體一樣，做熱運(yùn)動(dòng)的分子也具有動(dòng)能。組成物體的分子是大量的，在同一溫度下，物體里各個(gè)分子運(yùn)動(dòng)的速率是不同的，有的大，有的小，即使相同物質(zhì)中的分子，它們的動(dòng)能也不相同。由于分子在不停地做無規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，它們會(huì)相互碰撞。發(fā)生碰撞的分子，它們的動(dòng)能還會(huì)變化。因此，在熱現(xiàn)象的研究中，我們所關(guān)心的不是每個(gè)分子的動(dòng)能，而是物體里所有分子的動(dòng)能的平均值。這個(gè)平均值叫做分子熱運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能。我們?cè)谇懊嬷v述分子的大小時(shí)，認(rèn)為固體分子和液體分子是一個(gè)挨一個(gè)地排列的，那只是為估算分子大小的數(shù)量級(jí)而做的設(shè)想。溫度升高，物體分子的熱運(yùn)動(dòng)加劇，分子熱運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能也增加。溫度越高，分子熱運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能越大。溫度越低，分子熱運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能越小。溫度是物體分子熱運(yùn)動(dòng)平均動(dòng)能的標(biāo)志。分子間的相互作用擴(kuò)散現(xiàn)象和布朗運(yùn)動(dòng)不但說明分子在不停地做無規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)也說明分子間是有空隙的，否則分子便不能運(yùn)動(dòng)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(zhì)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(nèi)要產(chǎn)生反抗拉伸的彈力，就是因?yàn)榉肿娱g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(gè)重物也不能把它們拉開。將兩塊光學(xué)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(huì)直接“接觸”。分子間斥力的作用距離很小，只有當(dāng)分子十分靠近時(shí)才表現(xiàn)出來。用力壓縮物體，物體內(nèi)要產(chǎn)生反抗壓縮的彈力，這種彈力就是物體內(nèi)大量分子間的斥力的宏觀表現(xiàn)。研究表明，分子間同時(shí)存在著引力和斥力，它們的大小都跟分子間的距離有關(guān)。圖1.2-3的兩條虛線分別表示兩個(gè)分子間的引力和斥力隨距離變化的情形。實(shí)線表示引力和斥力的合力，即實(shí)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(guān)系。習(xí)慣上引力用負(fù)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(dāng)兩分子間的距離等于某值r0時(shí)，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(jí)約為10-10m。某分子與相鄰分子的距離為r0時(shí)，它所處的位置叫做平衡位置。當(dāng)分子間的距離小于r0時(shí)，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(dāng)分子間的距離大于r0時(shí)，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(dāng)分子間距離的數(shù)量級(jí)大于10-9m時(shí)，引力和斥力都變得很小，分子力已經(jīng)可以忽略。分子由原子組成，原子內(nèi)部有帶正電的原了核和帶負(fù)電的電子。分子間復(fù)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(shì)能地面上的物體受到地球的吸引，它們之間有重力勢(shì)能。分子之間也存在相互作用力，它們之間也有勢(shì)能，這就是分子勢(shì)能。重力勢(shì)能的大小與物體的高度有關(guān)系，同樣，分子勢(shì)能與分子間的距離有關(guān)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(shí)，其內(nèi)部分子勢(shì)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(jì)。因此，本書不考慮氣體的分子勢(shì)能。內(nèi)能物體中所有分子做熱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能和分子勢(shì)能的總和叫做物體的內(nèi)能（internalenergy）。一切物體都是由不停地做無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)并且相互作用著的分子組成的，因此任何物體都具有內(nèi)能。分子熱運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能與溫度有關(guān)系，溫度升高時(shí)，分子的動(dòng)能增加，因而物體的內(nèi)能增加；分子勢(shì)能跟體積有關(guān)系，體積變化，分子勢(shì)能隨之變化。總之，物體的內(nèi)能與物體的溫度和體積都有關(guān)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(yùn)動(dòng)，分子之間存在著相互作用力。分子的熱運(yùn)動(dòng)和分子間的相互作用決定了物質(zhì)的熱學(xué)性質(zhì)。這就是分子動(dòng)理論的基本內(nèi)容。科學(xué)足跡熱的本質(zhì)是什么？熱學(xué)起源于人類對(duì)于冷熱現(xiàn)象的本質(zhì)的探索。熱學(xué)中最核心的概念是溫度，另一個(gè)重要概念是熱量。在人類認(rèn)識(shí)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(zhì)是什么？自古以來，關(guān)于熱的本質(zhì)大體上有兩種看法：熱質(zhì)說和熱動(dòng)說。熱質(zhì)說認(rèn)為：熱是一種特殊的物質(zhì)，稱為“熱質(zhì)（caloric）”。熱質(zhì)由沒有質(zhì)量的微小粒子組成，可以從一個(gè)物體流向另一個(gè)物體，其數(shù)量是守恒的。溫度升高時(shí)，熱質(zhì)粒子互相排斥，從而使受熱物體膨脹。熱動(dòng)說則認(rèn)為：熱是組成物質(zhì)的微觀粒子（分子）運(yùn)動(dòng)的表現(xiàn)，它可由物體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化而來。英國(guó)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(guān)系。1798年1月25日他在英國(guó)皇家學(xué)會(huì)做報(bào)告說：“……我發(fā)現(xiàn)，銅炮在鉆了很短一段時(shí)間后，就會(huì)產(chǎn)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(shí)驗(yàn)所證實(shí)的，它們比沸水還要熱?！彼赋?，只要機(jī)械不停止做功，熱就不斷地產(chǎn)生。這些經(jīng)歷，使他形成這樣的思想：熱是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的一種形式，是粒子運(yùn)動(dòng)的宏觀表現(xiàn)，因此熱的本質(zhì)是粒子的運(yùn)動(dòng)。倫福德伯爵（倫福德伯爵（1753–1814）1799年，戴維（H.Davy，1778-1829）在一個(gè)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(zhì)”并不守恒但不可能是從外邊跑進(jìn)去的。戴維由此斷言：“熱質(zhì)并不存在”，“熱現(xiàn)象的直接原因是運(yùn)動(dòng)”。盡管倫福德和戴維由實(shí)驗(yàn)事實(shí)提出的論據(jù)如此充分，但他們的觀點(diǎn)并沒有被同對(duì)代的多數(shù)人所接受。直到半個(gè)世紀(jì)以后焦耳重復(fù)這類實(shí)驗(yàn)，并發(fā)表了他測(cè)得的熱功當(dāng)量的精確結(jié)果．隨后科學(xué)界建立起了能量守恒定律，這時(shí)熱質(zhì)說才衰落下去?；hSTS溫度與人類的生存環(huán)境恒溫動(dòng)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(shí)產(chǎn)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(jī)制來調(diào)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?dāng)z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(jì)70年代，科學(xué)家在金星、火星上尋找生命的愿望未果時(shí)，提出了一個(gè)“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(jié)婚生了兩個(gè)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(xué)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(gòu)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(jié)婚生了兩個(gè)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(xué)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(gòu)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?dāng)z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(yīng)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(nóng)業(yè)減產(chǎn)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(yīng)該愛護(hù)這個(gè)美麗家園。問題與練習(xí)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