第一节 分子动理论 一、分子动理论 二、温度 三、气体的压强 四、热力学能

一、分子动理论 所有物体都是由分子构成的。一般物质分子的直径，都是以纳米（1 nm＝1×10-9 m）为数量级的。如氢分子的直径为0.23 nm，水分子的直径为0.4 nm，蛋白质分子的直径最大，也只有几纳米。近几十年来，人们已经能够用放大200万倍的离子显微镜直接观察分子的大小，甚至能够用放大3亿倍的扫描隧道显微镜实现“操纵原子”的梦想，如下图所示就是用铁原子在铜上组成的汉字“原子”。

在一间封闭的房间里，打开香水瓶盖，不一会儿在房间的每一个角落都能闻到香味；在一杯静止放置的清水中，轻轻滴入一滴红墨水，不久就会发现杯中的水全变红了；长期堆放在墙脚的煤会渗进地面和墙面中……这就是扩散现象。扩散现象可以说明分子不停地做无规则的运动。 分子的无规则运动与温度有关，温度越高，分子运动越激烈。因此，我们把大量分子的这种运动叫做分子的热运动。 从微观的角度看，在固体中，分子只能处于确定的位置上做微小的振动。如果给固体加热，固体会熔化为液体。在液体中，分子与临近分子拥挤在一起，可以发生位置的交换。如果继续给液体加热，液体会汽化为气体。在气体中，分子可以自由地运动，如下图所示。

气体很容易被压缩，水和酒精混合后总体积减小，高压下的油透过钢壁渗出……这类事实告诉人们，不论是气体、液体，还是固体，组成它们的分子之间是存在间隙的。 在生产技术上，为了增强钢表面的硬度和耐磨性能而进行的渗碳处理、为了改变半导体材料的物理性能而掺入杂质等等，都是对分子间隙的一种利用。 从水龙头里慢慢渗出的水总是一滴一滴地往下滴，荷叶上的露水也总是呈现出一个近似的球形，洗衣服时也总会形成一个个的肥皂泡……这些现象都说明液体分子间存在着引力；而液压千斤顶利用的则是液体的不易压缩性，这说明液体分子间又存在着斥力。固体一般都具有固定的形状，它既不易被拉伸也不易被压缩的性质说明它的分子间既存在着引力，也存在着斥力。 综上所述，宏观物体是由大量分子组成的；分子永不停息地做无规则的热运动；分子间有空隙；分子之间存在着相互作用的引力和斥力。这就是分子动理论的基本观点。

二、温度 温度是表示物体冷热程度的物理量。温度数值的表示方法，叫做温标。常用的温标有：摄氏温标、华氏温标和热力学温标（也叫绝对温标）。 世界上大多数地区使用摄氏温标，美国通常使用华氏温标。摄氏温标是瑞典天文学家摄尔西乌斯（1701—1744）创立的，单位是摄氏度（℃）；华氏温标是荷兰物理学家华伦海特（1686—1736）创立的，单位是华氏度（℉）。这两种温标都是以水的冰点和沸点作为特征温度的：在摄氏温标中这两个温度被定为0 ℃和100 ℃；在华氏温标中这两个温度被定为32 ℉和212 ℉。 这两种我们平常使用的温度计上往往都有这两种温标，如右图所示。

热力学温标（或绝对温标）是由英国物理学家开尔文（右图）创立的，热力学温标的单位是开（K）。 热力学温标的每一度的大小与摄氏温标相同，因此热力学温标中水的沸点比冰点的温度也高100 K。热力学温标把宇宙中的最低温度定义为0 K，这个温度叫做绝对零度。国际上公认的绝对零度为－273.15 ℃。 热力学温度是国际单位制中七个基本量之一，用符号 T 表示。 热力学温度和摄氏温度在数值上有如下关系： T = t＋273 例如，水的冰点用热力学温度表示为273 K，水的沸点用热力学温度表示为373 K。 科学家们发明了多种形式的新型温度计。在工业和科学研究中使用的电阻温度计，它的测温范围为－190～650 ℃；在低温物理、航空技术和宇宙航行研究中采用的半导体温度计；在600 ℃以上的高温测量中，要使用热电温度计和光学高温计；测量10 000 ℃以上的温度都是用原子光谱的谱线与温度的关系来计算；测量遥远星球的表面温度要用一种叫做光度计的仪器。

三、气体的压强 气体分子之间有很大的空隙，气体分子间的相互作用力十分微弱，气体分子可以自由地运动，常温下多数气体分子的速率都可达到数百米每秒——相当于子弹的速率。 单个分子的撞击力很小，而且不连续，但大量分子对器壁的撞击却可以产生大而连续的压力。气体的压强是气体垂直作用在器壁单位面积上的压力。气体在各个方向上产生的压强都相等。 压强用p表示，压强的SI单位是帕（Pa）。 测量大气压的仪器叫做气压计。气压计的种类很多，实验室常用的是动槽式（福廷式）气压计，其如右图所示。 它是用一支长90 cm的玻璃管封闭上端，管中装满水银，开口端插入下部汞槽中，管中的汞由于重力作用而下降，因而在封闭的玻璃管上部出现一段真空，汞槽与大气相通。盛汞的玻璃管装在黄铜管中，黄铜管上部刻有主标尺并在相对两边开有长方形小窗，在窗内装一可上下滑动的游标尺，以便较准确地读出水银柱的高度，即大气压值。

在工业上用来测量气体压强的仪表通常叫做压力表。压力表中的弹性敏感元件随着压力的变化而产生弹性形变，通过齿轮传动机构放大，就会在表盘上显示出气体压强值。一种金属盒压力表的结构示意图如右上图所示。 压力表按其测量范围，分为真空表、微压表、低压表、中压表及高压表等。

四、热力学能 物体由固体转化为液体与由液体转化为气体的过程中，需要吸收能量。对同一种物质来说，液体分子的能量比固体分子的能量多，气体分子的能量比液体分子的能量多。我们把物体中的分子由于运动和相互作用而拥有的这种能量叫做物体的热力学能。 所有物体均含有热力学能。物体的热力学能与物体的温度和体积都有关系。传统的温度计，应用了水银或者酒精的特性。水银一类的物质在温度升高时，它的分子的运动就变得越激烈，体积就会膨胀，在管子中水银液面会升高。因此，管子中水银体积的大小可以作为温度的指示。 古人钻木取火，就是通过对木头不断做功的方法，使木头的温度不断升高，最后达到燃点。这是做功可以改变物体的热力学能的最早的例证。现代工厂中，工人用砂轮磨制工件或切割型材时，火星飞溅。这些现象也说明，做功可以改变物体的热力学能。日常生活中，使用的火柴、打火机，利用的也是这个道理。拖拉机和大卡车上使用的柴油机，就是利用这个道理工作的，它首先通过活塞做功，压缩柴油和空气的混合气体，使之温度升高，达到燃点而发生燃烧的。

夏天，手持杀虫气雾剂喷洒时，总会感觉到喷洒后罐体的温度比喷洒前下降了许多。这是因为内部的压缩气体在膨胀时对外做功，温度降低，热力学能减少。蒸汽机、内燃机汽缸内高温高压的气体膨胀时对外做功，温度降低，气体的热力学能减少。 热量总是从高温热源转移到低温热源，或者从物体中温度高的部分转移到温度低的部分，直到它们的温度相等时才会停止。即通过热传递，高温热源的热力学能减少了，低温热源的热力学能增加了。 改变物体热力学能的物理过程有两种：做功和热传递。当外界对物体做功时，物体的热力学能增加；当物体对外界做功时，物体的热力学能就减少。当外界向物体传递热量时，物体的热力学能就增加；当物体向外界传递热量时，物体的热力学能就减少。

练习3-1 1．试用分子运动的观点解释下列现象： （1）墨块是由石墨粉加高压后结合而成的； （2）压缩一团棉花很容易，但棉花不能无限地被压缩； （3）气体分子平均速率约几百米每秒，但在房间内打开一瓶香水后，要隔一段时间，才能够嗅到香水味； （4）温度升高，扩散现象加剧； （5）固体不容易被压缩和拉伸。 答案：（1）墨粉分子在高压下，分子间的距离缩小到一定程度，在分子引力的作用下结合成墨块。 （2）棉花分子间有很大的空隙，但压缩到一定程度后，分子间会产生很强的斥力，因此不能无限地被压缩。 （3）香水气体分子的速度虽然很大，但其在运动过程中会受到其他空气分子的阻挡，运动轨迹是曲折的，因此要隔一段时间，才能够嗅到香水味。 （4）温度越高，分子运动越激烈，因此扩散现象加剧。 （5）固体分子间存在着斥力，因此不易被压缩；固体分子间同时又存在着引力，因此也不易被拉伸。

2．笑话：一位刚到美国不久的中国留学生因感冒发烧到医院去看病。测量完体温后，他问医生：“我现在的体温是多少？”医生回答：“100。”听完医生的话，留学生马上晕了过去。你知道为什么吗？ 。 答案：美国医生说的是华氏温度100度，实际相当于摄氏温度37.8℃。 3．讨论家里厨房和洗刷间的墙壁上常使用的吸盘式挂钩的原理。 答案：吸盘内大多数空气分子被排出，吸盘与墙壁间的空气稀薄，压强远远地小于外部大气压，因此吸盘被牢牢地压在墙壁上。 4．下列现象是通过什么方式改变物体热力学能的？ （1）烧开水； （2）刚锯过木头的锯条热得烫手； （3）蒸馒头； （4）用打气筒打气，筒壁发热； （5）烤羊肉串； （6）搓手变暖； （7）晒衣服； （8）将火柴在火柴盒上一擦，点着了。

答案：（1）烧开水是通过热传递增加水的热力学能的； （2）刚锯过木头的锯条热得烫手是通过做功增加锯条的热力学能的； （3）蒸馒头是通过热传递增加馒头的热力学能的； （4）用打气筒打气，筒壁发热，是通过做功增加筒壁的热力学能的； （5）烤羊肉串通过热传递增加羊肉串的热力学能的； （6）搓手变暖是通过做功增加手的热力学能的； （7）晒衣服通过热传递增加衣服的热力学能的； （8）将火柴在火柴盒上一擦，点着了，是通过做功增加火柴的热力学能的。