固体(或液体)的热胀冷缩.docx

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1、固体（或液体）热胀冷缩及其及分子势能变化关系一般固体（或液体）都有热胀冷缩性质。现以双原子分子系统为例，对固体（或液体）热胀冷缩现象及其及分子势能变化关系分析如下：在固体（或液体）中，由于分子在平衡位置rr0附近处动能小于势能绝对值，所以分子不能自由移动而只能在平衡位置附近做微小振动。分子动能和势能总量E总为负值，其图线在r轴下方（及r轴平行），如图1所示。取某一分子为参考系，并取其所在位置为坐标原点O，假设另一分子从位置rr2（r2r0）处由静止开始向该分子靠近（开始运动时分子动能为零，E总Ep），由于分子力为引力，分子间作用力做正功，使系统分子势能减小，分子动能增加；当rr0时分子力为零，

2、分子势能最低，分子动能最大；此后分子间距离继续减小；当rr0时，分子力为斥力，分了力做负功，分子势能增加，分子动能减小，当rr1（即E总线及Ep线左边交点对应r值）时，分子势能最大（EpE总），此时分子动能为零；此后分子又在强大斥力作用下返回，分子势能减小，分子动能增加；当rr0时，分子势能又回到最低，分子动能最大。当分子回复到rr2位置（即E总线及Ep线右边交点对应r值）时，又有EpE总，此时分子动能又全部转变为分子势能。然后分子又被拉回去，如此分子便在r1和r2之间平均距离。当温度升高时，系统从外界吸收能量，分子系统总能量增加，E总线上移至，分子之间平均距离为。由于势能曲线不对称，使得，即

3、分子间平均距离增大，所以物体温度升高时，体积膨胀；反之，当物体温度降低时，分子间平均距离减小，体积收缩。这就是固体和液体热胀冷缩。实际上，由于物质是由大量分子组成，分子间动能和势能转化远比上述过程复杂得多，但在任一时刻，任意两个分子间动能和势能相互转化程度概率是确定。所以，当物体物态、温度、体积一定时，所有分子间势能总和就有确定值，此即为物体总分子势能。当物体温度升高时，分子动能为零时分子势能（此时Ep）比原来温度低时增加了，由于任意两个分子间动能和势能相互转化程度概率确定，物体内所有分子处于从势能为零到最大值之间任一状态概率分布是确定，故总分子势能必然增加；反之，当物体温度降低时，分子势能也

4、随之减小。由此可知：当固体和液体受热时膨胀，分子势能增加；遇冷时收缩，分子势能减小。认为物体受热时由于膨胀而使分子间平均距离变大，因克服分子引力做功而使分子势能增大观点是笼统，不全面。 二、固体或液体反常膨胀及其及分子势能变化关系有些固体或液体（如水、锑、秘、液态铁等）在一定温度范围内（如水在04之间），温度增加时体积不但不增加，反而减小。我们称之为反常膨胀。物体反常膨胀及热胀冷缩机理不同，其体积变化及分子势能变化关系不能只用分子间平均距离变化解释，还要结合组成物质分子之间结构变化来解释。我们知道：固体和液体是靠分子间结合力形成。这种靠结合力形成多分子结构对应着及双分子系统相似作用势能。分子之

5、间结合力性质不同，形成结构也不同，对应势能也不同。下面以水为例，对液体反常膨胀及其及分子间势能变化关系分析如下：常温下，水中氢原子及电负性很大氧原子以共价键结合成水分子，如图2所示。由于氢原子显正电性。氧原子显负电性，从而可使水分子之间互相吸引，形成氢键，如图3所示。这样相邻氢原子及氧原子就以氢键连在一起，形成缔合水分子，同时放出热量。图4、图5分别为三分子、多分子缔合水分子示意图。由于氢键具有一定方向性，因此在单个水分子组合为缔合水分子后，水结构便发生了变化。多个水分子组合时，除了呈六角形外。还可形成如图6所示立体形点阵结构。即每一个水分子都通过氢键及周围四个水分子组合在一起连接成四面体。形

6、成一个多分子缔合水分子。由图可知，这种多个分子组合成缔合水分子中水分子排列得比较松散，中间出现“透空”结构，分子间距也比较大。一般情况下，水中既存在大量单个水分子（H2O），也存在多个水分子组合在一起缔合水分子n（H2O）。常温下有大约50单个水分子组合为缔合水分子，其中双分子缔合水分子最稳定。质量一定水，其体积受水分子缔合作用、水分子热运动两个因素影响。当温度升高时，水分子热运动加快，缔合作用减弱；当温度降低时，水分子热运动减慢，缔合作用加强。先从固态冰（0）说起：一定质量冰处于固体状态（0）时，全部水分子缔合在一起形成四面体结构，其中有较大空隙，故密度较小，体积较大。将冰加热熔化成水时，缔

7、合水分子中一些氢键断裂，体积减小，由于克服结合力做功要消耗一部分能量，所以分子之间势能增加。实际上，0水中大约只有15氢键断裂。水中仍然存在约85大缔合水分子。若继续加热0水，随着水温度升高（约04），大缔合水分子逐渐变为小缔合水分子或单个水分子，这时缔合水分子分解时仍然要克服结合力做功，因而分子间总势能还要增加。这些小缔合水分子或单个水分子，受氢键影响较小，可以任意排列和运动，不能形成“透空”结构，所以水总体积减小。当水温升高过程中，一方面，缔合数小缔合水分子、单个水分子在水中比例逐渐增加，水体积随之减小。分子间总势能增加。随着温度升高（大于4），水分子热运动加快，使得单个分子之间平均距离加

8、大，体积增大，分子势能也增加（此时分子势能变化及物体热胀冷缩时原理相同）。在04过程中，由缔合水分子氢键断裂引起水体积减小趋势，比由分子热运动速度加快引起水体积增大趋势更大，因此，在04范围内，水体积随温度升高而减小，表现为反常膨胀，但其分子间总势能却是增加，这是由于克服缔合水分子间结合力做功而引起。当水温度大于4时，水发生是热胀冷缩现象。总体上说，一定质量物体（固态或液态）温度升高时无论体积如何变化，其分子势能都是增加。我们不能简单地从固体或液体体积变化上判断分子势能是增加还是减小，而应该从体积变化原因上去分析，才能抓住问题本质，而且让学生弄清为什么物体温度升高分子势能一定增加道理。 09-11-03 |评论读取中.6 / 6