從分子視角揭示熱學(xué)現(xiàn)象的本質(zhì)

摘要：在物理教學(xué)中，教師如果引導(dǎo)學(xué)生從分子角度對(duì)熱學(xué)現(xiàn)象中各種物態(tài)變化、內(nèi)能變化、氣體壓強(qiáng)變化進(jìn)行微觀分析，達(dá)到讓學(xué)生能更加透徹地理解熱學(xué)現(xiàn)象本質(zhì)的目的.所以用微觀理論來(lái)分析宏觀現(xiàn)象的思想對(duì)物理教師具有很重要的教學(xué)借鑒意義.

關(guān)鍵詞：分子動(dòng)理論；物態(tài)變化；內(nèi)能；做功；氣體壓強(qiáng)

作者簡(jiǎn)介：邵忠芳（1982-），男，中學(xué)一級(jí)教師，主要從事中學(xué)物理教學(xué)與研究工作

在中學(xué)物理教學(xué)中，結(jié)論或規(guī)律一般都是通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)得出來(lái)的，然后用歸納法得出結(jié)論，很少進(jìn)行微觀的理論分析，其主要原因是考慮到中學(xué)生現(xiàn)有的認(rèn)知水平程度.但是，在平時(shí)的教學(xué)中發(fā)現(xiàn)：對(duì)于一些熱學(xué)規(guī)律的教學(xué)，可以先通過(guò)實(shí)驗(yàn)歸納出結(jié)論，待學(xué)完分子動(dòng)理論后再利用分子動(dòng)理論對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行微觀分析，這樣能夠幫助學(xué)生從微觀角度認(rèn)識(shí)熱學(xué)現(xiàn)象的本質(zhì)，加深對(duì)規(guī)律的理解，從而加深記憶.

1用分子動(dòng)理論解釋物態(tài)變化

固體、液體、氣體的分子模型如圖1所示.固體分子排列規(guī)則，就像坐在座位上的學(xué)生；液體分子可以移動(dòng)，就像課間教室里的學(xué)生；氣體分子幾乎不受力的作用，就像操場(chǎng)上亂跑的學(xué)生.所以固體和液體的體積基本是固定的，而氣體的體積是不固定的.

1.1物態(tài)變化的微觀解釋

當(dāng)物體發(fā)生熔化、汽化和升華這些物態(tài)變化時(shí)，物體吸收熱量后，其分子的運(yùn)動(dòng)更加劇烈，使部分的分子能脫離其它分子的束縛而移動(dòng)得更自由，從而發(fā)生相應(yīng)的物態(tài)變化.如冰的升華過(guò)程，冰從外界吸收一定的熱量后，其表面的部分水分子運(yùn)動(dòng)加劇，它們脫離了其它分子的束縛，直接跑到空氣里去了，這就是升華.熔化和汽化過(guò)程與升華過(guò)程類似；而凝固、液化和凝華過(guò)程則與升華過(guò)程相反.

1.2影響蒸發(fā)的三個(gè)因素的微觀理解

蒸發(fā)的微觀過(guò)程是這樣的（以水為例）：分子作無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，杯中部分速度較快的水分子向水面外運(yùn)動(dòng)，脫離液面的束縛跑到空氣中，使液態(tài)的水逐漸緩慢變成氣態(tài)的水蒸氣，從而杯中的水越來(lái)越少.要加快蒸發(fā)，可以從以下三個(gè)方面進(jìn)行.

（1）提高液體的溫度可加快蒸發(fā)：液體溫度升高，分子運(yùn)動(dòng)加快，相同時(shí)間內(nèi)有更多分子跑出液面，蒸發(fā)加快；

（2）加大液體的表面積可加快蒸發(fā)：液體與空氣的接觸面積加大了，相同時(shí)間內(nèi)從液面能跑出去的分子數(shù)量變多，蒸發(fā)加快了；

（3）加快液體表面的空氣流速，可加快蒸發(fā)：當(dāng)速度較大的液體分子跑出液面時(shí)，被風(fēng)吹走，就不可能再回到水中，空氣流速越快，相同時(shí)間內(nèi)被風(fēng)吹走的液體分子數(shù)量越多，蒸發(fā)加快了.

2用分子動(dòng)理論解釋物體內(nèi)能的改變

2.1內(nèi)能的微觀解釋

分子動(dòng)理論告訴我們“分子在永不停息地做無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)”，分子因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)而具有動(dòng)能.當(dāng)分子運(yùn)動(dòng)速度加快時(shí)，分子的動(dòng)能就會(huì)加大.“分子間還同時(shí)存在相互作用的引力和斥力”，分子間因?yàn)榇嬖谙嗷プ饔茫狗肿泳哂袆?shì)能.分子之間的相互作用力越大，分子之間的勢(shì)能就越大.而物體內(nèi)所有分子的動(dòng)能和勢(shì)能的總和就是物體的內(nèi)能.

2.2用分子動(dòng)理論解釋熱傳遞改變物體的內(nèi)能

在絕大部分情況下，當(dāng)物體通過(guò)熱傳遞吸收熱量后，物體溫度升高，分子運(yùn)動(dòng)速度增加，分子動(dòng)能增加，從而使物體內(nèi)能增加.相反物體放出熱量后，物體溫度下降，分子運(yùn)動(dòng)速度降低，分子動(dòng)能減小，物體內(nèi)能減少.但在一些特殊過(guò)程中，如晶體熔化過(guò)程中，物體吸熱溫度不變，分子動(dòng)能基本不變；但熱量會(huì)使分子的排列發(fā)生變化，分子之間的距離增大以及分子離開原來(lái)的位置移動(dòng)，這樣熱量就用來(lái)克服分子之間的引力做功， 使分子間的相互作用發(fā)生改變，使物體呈現(xiàn)液態(tài).也就是說(shuō)，晶體熔化過(guò)程，吸收的熱量主要轉(zhuǎn)化為分子之間的勢(shì)能；分子動(dòng)能基本不變，因此，物體的溫度就沒(méi)有顯著的改變.

物體通過(guò)熱傳遞放出熱量后內(nèi)能的變化過(guò)程，恰好與上述分析過(guò)程相反.

2.3用分子動(dòng)理論解釋做功改變物體的內(nèi)能（以氣體為例）

（1） 物體對(duì)外界做功，物體溫度下降，分子的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)的速度減慢，導(dǎo)致分子的動(dòng)能減小，導(dǎo)致分子內(nèi)能減小.

（2）外界對(duì)物體做功，物體溫度上升，分子的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)的速度加快，導(dǎo)致分子的動(dòng)能增大，導(dǎo)致分子內(nèi)能增大.

3用分子動(dòng)理論解釋氣體的壓強(qiáng)

氣體的壓強(qiáng)產(chǎn)生的原因是：大量的氣體分子頻繁地碰撞容器壁，分子對(duì)容器壁產(chǎn)生壓力，單位面積的容器壁上受到分子的碰撞作用力的大小就是氣體的壓強(qiáng).氣體壓強(qiáng)與氣體的體積、質(zhì)量和溫度等因素有關(guān).

（1）氣體壓強(qiáng)與體積的關(guān)系：緩慢壓縮氣體，氣體體積減小，溫度不變，單位體積內(nèi)氣體分子數(shù)目增多，使單位面積內(nèi)容器壁受到氣體分子碰撞的次數(shù)增多，氣體的壓強(qiáng)變大.相反，氣體膨脹對(duì)外做功，氣體體積變大，單位體積內(nèi)氣體的分子數(shù)目減少，氣體壓強(qiáng)變小.

（2）氣體壓強(qiáng)與質(zhì)量的關(guān)系：增加氣體的質(zhì)量，單位體積內(nèi)氣體分子的數(shù)目增多，單位面積內(nèi)器壁受到氣體分子碰撞的次數(shù)增多，氣體壓強(qiáng)變大.

（3）氣體壓強(qiáng)與溫度的關(guān)系：加熱氣體，氣體溫度升高，氣體分子的速度增大，單位面積內(nèi)器壁受到氣體分子的碰撞作用力增大，氣體壓強(qiáng)變大.

分子動(dòng)理論是認(rèn)識(shí)微觀世界的基礎(chǔ)，是宏觀與微觀聯(lián)系的紐帶.在學(xué)完分子動(dòng)理論后，教師如果能夠結(jié)合分子動(dòng)理論，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)宏觀的熱學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行微觀分析，就能減輕學(xué)生的學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)，更加透徹地了解熱學(xué)現(xiàn)象的本質(zhì).

參考文獻(xiàn)：

[1] 羅春焱，利用“氣體壓強(qiáng)的微觀解釋”分析幾個(gè)問(wèn)題 ， 《物理教師》， 2011（8）：44-44.

[2] 王海昭，分子動(dòng)理論與內(nèi)能，《文教資料》2002-06.