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物质的三态与粒子的热运动

物質の三態と粒子の熱運動

I 物質の構成 / 物質の状態
一句话结论

状态由「粒子想散开的热运动」与「粒子间的引力」谁占上风决定。状态变化中吸收的热用于克服引力、改变排列,不用于升温,所以熔点和沸点处温度不变。

一块冰放在火上,温度会一路升到 0 ℃ 就停住,冰化完了才继续升。火一直在烧、热一直在进,温度却不动 —— 那段时间里的热去哪了?答清这个问题,状态变化这一节的其余内容都跟着通了。

为什么是这样

构成物质的粒子一直在不规则运动,倾向于彼此散开;同时粒子之间存在引力,倾向于聚在一起。状态就是这两种倾向的大小关系的结果。固体里引力占上风:粒子距离小、多数按规则排列,只在固定位置附近振动。液体里两者接近:距离仍小、引力仍起作用,但排列已乱、有空隙,粒子能互相换位移动 —— 所以液体能流动。气体里热运动占上风:粒子彼此远离,引力几乎不起作用,自由飞散。

由此就能回答开头的问题。加热时热量有两个去处:一是让粒子运动更剧烈(温度升高),二是拆开粒子间的引力、改变排列(状态变化)。状态变化正在进行时,进来的热全部走第二条路,所以温度停住不动。冰化完了没有引力再需要拆,热才重新用于升温。

粒子的运动叫热运动,温度越高越剧烈。把红棕色的溴气放在下面、空气放在上面,溴会慢慢散布到整个容器,最后浓度均匀 —— 这叫扩散。扩散不需要外力搅拌,靠的就是粒子本来就在不停运动这一件事。

定量表达

六种状态变化两两成对,名字不能混:融解(固→液)与凝固(液→固);蒸発(液→气)与凝縮(气→液);昇華(固→气)与凝華(气→固)。干冰和樟脑变成气体是昇華;霜在窗上直接结出来是凝華。旧教材把两个方向都叫昇華,现行写法把气→固单独叫凝華,考试按现行写法。

一定压力下固体变液体的温度叫融点,液体沸腾变气体的温度叫沸点。纯物质的融点和凝固点是同一个温度 —— 同一个平衡点,只是走的方向不同。沸点定义里的「一定压力」不能省:标准是外压 1.013×105 Pa,压力变了沸点跟着变。

还要分清化学变化与物理变化。氢气燃烧生成水、水电解成氢和氧,物质本身变了,是化学变化;水结成冰、化成水蒸气,水分子没变、只是排列变了,是物理变化 —— 状态变化都属于物理变化。温度这一栏后面要用绝对温度:T=t+273,其中 t 是摄氏温度。1 ℃ 的温度变化等于 1 K 的温度变化。

加热曲线:水平段是物态变化,吸热但不升温0 °C吸收的热量温度熔化:mL冰 mcΔT水 mcΔT
T=t+273
T
绝对温度[K]
t
摄氏温度[℃]
适用条件
  • 只是同一温度的两种刻度,不是换算比例:温度变化量在两种刻度下数值相同
  • 绝对零度(0 K,即 −273 ℃)时分子热运动停止,温度不能更低

怎么用

最常见的是读加热曲线。先找水平段,再判断它对应哪个变化。第一段水平对应融点(固液共存),第二段对应沸点(液气共存)。斜的部分是单一状态在升温,斜率与该状态的比热有关。

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