小狐貍皮皮的物理世界

曹遠強

物質的三態是怎么回事

這天晚上，小狐貍皮皮和爺爺坐在明亮的燈光下閑聊。

皮皮說：“爺爺，您講了六種物態變化，我知道了物質可以在固、液、氣三種狀態之間轉化，可說到底，它們是同一種東西呀！比如水和冰，它們的本質應該是相同的。”

這時，一縷香味飄進小院，鉆進小屋。

狐貍爺爺沒有理會皮皮，一臉興奮地問道：“好香啊，誰家做好吃的啦？”

皮皮吸了一下鼻子，說：“煮的是苞米，可能是鄰居小鹿家吧！”

“你剛才說什么？”狐貍爺爺努力回想剛才皮皮的問話。

“哦，我想起來了！物質是由分子、原子構成，分子很小很小，人們通常以10-10米為單位來量度分子，分子在不停地做無規則運動。在固體中，分子十分緊密地排列在一起，它們距離近，相互作用力大，所以固體就具有了一定的形狀和體積。如果固體得到足夠的熱量，分子之間固定的位置就會被打破，位置不再固定，活動變得比較自由，相互作用力就會變小，這樣固體就會變成可以流動的物質，沒有一定的形狀，但是仍然具有一定的體積。”

“我明白啦，這就成了液體。剛才您說的就是熔化的過程。”

“對！如果液體物質吸熱，分子能量提高，分子運動的距離就會變得很大，分子的分布就會變得十分松散，分子之間的作用力也會變得極小。這樣一來，物質在宏觀上就表現得具有流動性，沒有一定的形狀，也沒有一定的體積。也就是說，物質變成了氣體。”

擴散現象

“我明白了，液體吸熱就會汽化，這就是汽化的過程。”皮皮說。

“對！我們現在聞到的香味，就是從遠處‘跑過來的氣體分子。”狐貍爺爺解釋說。

“這樣說來，就是氣體的分子在運動，液體的分子在運動，固體的分子固定不動。”皮皮總結說。

“不對！一切分子都在不停地進行無規則運動，固體的分子也在運動，沒有絕對靜止的分子。”狐貍爺爺糾正說。

“哦，固體的分子也在運動，只不過限制在一定的范圍內。”皮皮恍然大悟。

“是的。因此，不同物質的分子可以通過運動相互滲入對方，這叫擴散現象。剛才我們聞到的香氣，就是遠處的氣體分子朝我們這邊擴散過來了。液體的擴散也很常見，你把一滴墨水滴在水里，就會看到它的擴散過程。至于固體分子的擴散嘛——”狐貍爺爺沉吟起來，他一時間沒有找到合適的例子。忽然，他看見了墻角堆煤的地方，靈機一動，說：“找到啦！你看，那白墻已經變黑了。可是，不只是表面變黑哦，這是煤分子長期向白墻擴散導致的，因此，白墻里面也黑了。”

皮皮疑惑了：“您講了這么多擴散現象，那擴散說明了什么呢？”

狐貍爺爺反問道：“你說呢？”

皮皮說：“說明分子在不停地做不規則運動，而且分子之間是有空隙的。一個物體里有那么多的分子，而且在運動，可我的眼睛看不見，這個世界是多么不可思議呀！”

皮皮想了想，又說：“爺爺，分子的世界真奇妙，我想觀察一下墨水的擴散。”

分子熱運動

皮皮拿來一個杯子裝上冷水，然后找來鋼筆準備往杯子里滴墨水。

狐貍爺爺說：“先停下，你再拿一個杯子盛上熱水，做一個對照實驗，看哪一個擴散快。”

皮皮按狐貍爺爺的吩咐做了，往兩杯水里各滴入了一滴墨水，然后伏在桌子上聚精會神地觀察起來。那墨水裊裊的，像青煙一般在水中逐漸散開。很明顯，熱水里面的墨水先散開，這說明墨水分子在熱水里面擴散得更快。

狐貍爺爺告訴皮皮：“分子的不規則運動與溫度有關，因此又叫熱運動。溫度越高，分子的熱運動越劇烈。”

由此皮皮知道了，物質是由分子、原子組成的，但分子又是由什么組成的呢？皮皮問狐貍爺爺，狐貍爺爺耐心地解答著。燈影里，火爐旁，他們倆的身影構成了一幅溫馨的畫面。

內能做功

這天晚上，皮皮把燒開的水倒進暖水瓶，可是沒有裝滿，只灌了大半瓶。他用力把暖水瓶的軟木塞塞好后，轉身離開了。突然，砰的一聲，皮皮嚇了一大跳。皮皮到處尋找，不知道是哪里發出的響聲。狐貍爺爺提醒他：“暖水瓶的塞子蹦出來了！”皮皮跑過去一看，發現還真是這么回事。他從地上撿起軟木塞，心中十分納悶。

狐貍爺爺說：“你不用疑惑，這是內能做功造成的。”

皮皮問：“內能是什么呀？”

狐貍爺爺說：“物體是由許多分子組成的，分子都在做運動，因此，物體內部存有大量分子的動能。同時，分子之間存在引力和斥力，這樣分子間就具有了勢能。一個物體內部的所有分子的動能和勢能的總和，就叫物體的內能，所有的物體都有內能。”

皮皮問：“分子動能和勢能的總和叫內能，是內能把軟木塞彈出來的嗎？”

狐貍爺爺說：“是啊！內能既然是一種能量，它就能做功。暖水瓶水面上的氣體內能會隨著水蒸氣的增多而變大，大到一定程度，就能把軟木塞推開。”

物體都有內能

皮皮說：“哦，原來是這樣。那內能的大小與什么因素有關呢？”

狐貍爺爺說：“微觀上來說，與分子的數量和分子運動的劇烈程度有關，這兩個因素在宏觀上對應著物體的質量和溫度。溫度就反映了分子運動的劇烈程度，分子運動越劇烈，溫度越高。”

“您說這桌子有內能嗎？”皮皮好奇地問道。

狐貍爺爺反問道：“你認為呢？”

皮皮說：“有，一定有內能！那零下100℃的冰有內能嗎？”

狐貍爺爺說：“只要是物體就都有內能，溫度再低分子也不會停止運動，因此總是存在分子的動能，所以物體的內能一定大于零。”

皮皮高興地笑了，說：“在是否擁有內能這點上，真是萬物平等了。”

低溫有極限

狐貍爺爺準備午休，聽到皮皮和小猴子淘淘在屋外談論內能。皮皮說：“所有的物體都有內能，零下100℃的冰有內能，零下500℃的冰也有內能。”

小猴子淘淘說：“那零下5000℃的冰呢？”

皮皮說：“一定也有內能。”

狐貍爺爺聽到他們的議論，趕緊出來糾正他們的錯誤：“你們說一切物體都有內能是對的，但說在零下500℃、零下5000℃時也有，那就錯了，因為這樣低的溫度在宇宙中是不存在的。”

皮皮說：“怎么會呢？聽說太陽表面的溫度能達到6000℃，高溫有這么高，那么低溫應該也能很低呀！”

狐貍爺爺說：“錯了，低溫是有極限的。零下273.15℃是宇宙中最低的溫度，以這個溫度為零點，建立起來的溫度標記方法叫絕對溫度（也叫熱力學溫度），單位是開爾文（K），簡稱開。絕對溫度沒有零下，只有零上。”

小猴子淘淘恍然大悟：“哦，原來低溫是有極限的呀！”

狐貍爺爺的課堂

物質在微觀上是由極小的分子構成的，分子永不停息地做無規則運動。

物質通常有固態、液態、氣態三種存在狀態，這是因為組成它們的分子結合緊密程度不同，固體最緊密，氣體最松散，液體介于二者之間。

分子數量的多少，宏觀上表現為質量大小;分子運動的劇烈程度，宏觀上表現為溫度高低。

物體分子的動能和勢能的總和叫物體的內能，所有的物體都有內能。

宇宙中最低的溫度是零下273.15℃。

（編輯 乖乖隆地洞）