第一節(jié)分子動理論第1頁，共13頁，2023年，2月20日，星期三

一、分子動理論所有物體都是由分子構成的。一般物質分子的直徑，都是以納米（1nm＝1×10-9m）為數量級的。如氫分子的直徑為0.23nm，水分子的直徑為0.4nm，蛋白質分子的直徑最大，也只有幾納米。近幾十年來，人們已經能夠用放大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現“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2頁，共13頁，2023年，2月20日，星期三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)現杯中的水全變紅了；長期堆放在墻腳的煤會滲進地面和墻面中……這就是擴散現象。擴散現象可以說明分子不停地做無規(guī)則的運動。分子的無規(guī)則運動與溫度有關，溫度越高，分子運動越激烈。因此，我們把大量分子的這種運動叫做分子的熱運動。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，分子可以自由地運動，如下圖所示。第3頁，共13頁，2023年，2月20日，星期三氣體很容易被壓縮，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。在生產技術上，為了增強鋼表面的硬度和耐磨性能而進行的滲碳處理、為了改變半導體材料的物理性能而摻入雜質等等，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出一個近似的球形，洗衣服時也總會形成一個個的肥皂泡……這些現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。第4頁，共13頁，2023年，2月20日，星期三

二、溫度溫度是表示物體冷熱程度的物理量。溫度數值的表示方法，叫做溫標。常用的溫標有：攝氏溫標、華氏溫標和熱力學溫標（也叫絕對溫標）。世界上大多數地區(qū)使用攝氏溫標，美國通常使用華氏溫標。攝氏溫標是瑞典天文學家攝爾西烏斯（1701—1744）創(chuàng)立的，單位是攝氏度（℃）；華氏溫標是荷蘭物理學家華倫海特（1686—1736）創(chuàng)立的，單位是華氏度（℉）。這兩種溫標都是以水的冰點和沸點作為特征溫度的：在攝氏溫標中這兩個溫度被定為0℃和100℃；在華氏溫標中這兩個溫度被定為32℉和212℉。這兩種我們平常使用的溫度計上往往都有這兩種溫標，如右圖所示。第5頁，共13頁，2023年，2月20日，星期三熱力學溫標（或絕對溫標）是由英國物理學家開爾文（右圖）創(chuàng)立的，熱力學溫標的單位是開（K）?？茖W家們發(fā)明了多種形式的新型溫度計。在工業(yè)和科學研究中使用的電阻溫度計，它的測溫范圍為－190～650℃；在低溫物理、航空技術和宇宙航行研究中采用的半導體溫度計；在600℃以上的高溫測量中，要使用熱電溫度計和光學高溫計；測量10000℃以上的溫度都是用原子光譜的譜線與溫度的關系來計算；測量遙遠星球的表面溫度要用一種叫做光度計的儀器。熱力學溫度和攝氏溫度在數值上有如下關系：T=t＋273例如，水的冰點用熱力學溫度表示為273K，水的沸點用熱力學溫度表示為373K。熱力學溫標的每一度的大小與攝氏溫標相同，因此熱力學溫標中水的沸點比冰點的溫度也高100K。熱力學溫標把宇宙中的最低溫度定義為0K，這個溫度叫做絕對零度。國際上公認的絕對零度為－273.15℃。熱力學溫度是國際單位制中七個基本量之一，用符號T

表示。第6頁，共13頁，2023年，2月20日，星期三

三、氣體的壓強測量大氣壓的儀器叫做氣壓計。氣壓計的種類很多，實驗室常用的是動槽式（福廷式）氣壓計，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動，常溫下多數氣體分子的速率都可達到數百米每秒——相當于子彈的速率。單個分子的撞擊力很小，而且不連續(xù)，但大量分子對器壁的撞擊卻可以產生大而連續(xù)的壓力。氣體的壓強是氣體垂直作用在器壁單位面積上的壓力。氣體在各個方向上產生的壓強都相等。壓強用p表示，壓強的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尺并在相對兩邊開有長方形小窗，在窗內裝一可上下滑動的游標尺，以便較準確地讀出水銀柱的高度，即大氣壓值。第7頁，共13頁，2023年，2月20日，星期三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生彈性形變，通過齒輪傳動機構放大，就會在表盤上顯示出氣體壓強值。一種金屬盒壓力表的結構示意圖如右上圖所示。第8頁，共13頁，2023年，2月20日，星期三

四、熱力學能古人鉆木取火，就是通過對木頭不斷做功的方法，使木頭的溫度不斷升高，最后達到燃點。這是做功可以改變物體的熱力學能的最早的例證?，F代工廠中，工人用砂輪磨制工件或切割型材時，火星飛濺。這些現象也說明，做功可以改變物體的熱力學能。日常生活中，使用的火柴、打火機，利用的也是這個道理。拖拉機和大卡車上使用的柴油機，就是利用這個道理工作的，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，達到燃點而發(fā)生燃燒的。物體由固體轉化為液體與由液體轉化為氣體的過程中，需要吸收能量。對同一種物質來說，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動和相互作用而擁有的這種能量叫做物體的熱力學能。所有物體均含有熱力學能。物體的熱力學能與物體的溫度和體積都有關系。傳統(tǒng)的溫度計，應用了水銀或者酒精的特性。水銀一類的物質在溫度升高時，它的分子的運動就變得越激烈，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9頁，共13頁，2023年，2月20日，星期三夏天，手持殺蟲氣霧劑噴灑時，總會感覺到噴灑后罐體的溫度比噴灑前下降了許多。這是因為內部的壓縮氣體在膨脹時對外做功，溫度降低，熱力學能減少。蒸汽機、內燃機汽缸內高溫高壓的氣體膨脹時對外做功，溫度降低，氣體的熱力學能減少。熱量總是從高溫熱源轉移到低溫熱源，或者從物體中溫度高的部分轉移到溫度低的部分，直到它們的溫度相等時才會停止。即通過熱傳遞，高溫熱源的熱力學能減少了，低溫熱源的熱力學能增加了。改變物體熱力學能的物理過程有兩種：做功和熱傳遞。當外界對物體做功時，物體的熱力學能增加；當物體對外界做功時，物體的熱力學能就減少。當外界向物體傳遞熱量時，物體的熱力學能就增加；當物體向外界傳遞熱量時，物體的熱力學能就減少。第10頁，共13頁，2023年，2月20日，星期三練習3-1

1．試用分子運動的觀點解釋下列現象：（1）墨塊是由石墨粉加高壓后結合而成的；（2）壓縮一團棉花很容易，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，但在房間內打開一瓶香水后，要隔一段時間，才能夠嗅到香水味；（4）溫度升高，擴散現象加??；（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，分子間會產生很強的斥力，因此不能無限地被壓縮。（3）香水氣體分子的速度雖然很大，但其在運動過程中會受到其他空氣分子的阻擋，運動軌跡是曲折的，因此要隔一段時間，才能夠嗅到香水味。（4）溫度越高，分子運動越激烈，因此擴散現象加劇。（5）固體分子間存在著斥力，因此不易被壓縮；固體分子間同時又存在著引力，因此也不易被拉伸。第11頁，共13頁，2023年，2月20日，星期三

2．笑話：一位剛到美國不久的中國留學生因感冒發(fā)燒到醫(yī)院去看病。測量完體溫后，他問醫(yī)生：“我現在的體溫是多少？”醫(yī)生回答：“100?！甭犕赆t(yī)生的話，留學生馬上暈了過去。你知道為什么嗎？。答案：美國醫(yī)生說的是華氏溫度100度，實際相當于攝氏溫度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：吸盤內大多數空氣分子被排出，吸盤與墻壁間的空氣稀薄，壓強遠遠地小于外部大氣壓，因此吸盤被牢牢地壓在墻壁上。

4．下列現象是通過什么方式改變物體熱力學能的？（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，點著了。第12頁，共13頁，2023年，2月20日，星期三答案：（1）燒開水是通過熱傳遞增加水的熱力學能的；（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能的；（3）