第一章 分子动理论——1.分子动理论的基本内容

问题：如果我们把地球的大小与一个苹果的大小相比那就相当于将直径为1cm的球分与分子相比。可见,分子是极其微小的。我们曾经研究过物体的运动,那么,构成物体的微小分子会怎样运动呢?

一、物体是由大量分子组成的
我们在初中已经学过,物体是由大量分子组成的。需碳原子要指出的是:在研究物质的化学性质时,我们认为组成物质的微粒是分子、原子或者离子。但是,在研究物体的热运动性质和规律时,不必区分它们在化学变化中所起的不同作用,而把组成物体的微粒统称为分子。
我们知道,1mol水中含有水分子的数量就达6.02×10²³个。这足以表明,组成物体的分子是大量的。人们用肉眼无法直接看到分子,就是用高倍的光学显微镜也看不到。直至1982年,人们研制了能放大几亿倍的扫描隧道显微镜,才观察到物质表面原子的排列。

二、分子热运动
扩散 从许多实验和生活现象中我们都会发现,不同种物质能够彼此进入对方。在物理学中,人们把这类现象叫作扩散( diffusion)。扩散现象并不是外界作用(例如对流、重力作用等)引起的,也不是化学反应的结果,而是由物质分子的无规则运动产生的。例如,酱油里的色素分子扩散到了鸡蛋清内。扩散现象是物质分子永不停息地做无规则运动的证据之一。
扩散现象在科学技术中有很多应用。例如,在生产半导体器件时,需要在纯净半导体材料中掺人其他元素。这一过程可以在高温条件下通过分子的扩散来完成。
布朗运动 19世纪初,一些人观察到,悬浮在液体中的小颗粒总在不停地运动。1827年,英国植物学家布朗首先在显微镜下研究了这种运动。下面我们做一个类似的实验。
演示：用显微镜观察炭粒的运动
取1滴用水稀释的碳素墨汁,滴在载玻片上,盖上盖玻片,放在高倍显微镜下观察小炭粒的运动情况。调节显徼镜的放大倍数,如调节至400倍或1000倍,观察悬浊液中小炭粒的运动情况。目镜中观察的结果可以通过显示器呈现出来。
改变悬浊液的温度。重复上述操作,观察悬浊液中小炭粒的运动情况。
从实验结果可以看出,小炭粒的运动是无规则的,温度越高,小炭粒的运动越明显。
如果在显微镜下追踪一颗小炭粒的运动,每隔30s把炭粒的位置记录下来,然后用线段把这些位置按时间顺序依次连接起来,便可以得到一条某一颗微粒运动的位置连线。这表明微粒的运动是无规则的。实际上,就是在30s内,微粒的运动也是极不规则的。
当时布朗观察的是悬浮在水中的花粉微粒。他起初认为,微粒的运动不是外界因素引起的,而是其自发的运动。是不是因为植物有生命才产生了这样的运动?布朗用当时保存了上百年的植物标本,取其微粒进行实验,他还用了一些没有生命的无机物粉末进行实验。结果是,不管哪一种微粒,只要足够小,就会发生这种运动;微粒越小,运动就越明显。这说明微粒的运动不是生命现象。后人把悬浮微粒的这种无规则运动叫作布朗运动( Brownian motion)。
在显微镜下看起来连成一片的液体,实际上是由许许多多分子组成的,液体分子不停地做无规则运动,不断地撞击微粒。在某一瞬间,微粒在某个方向受到的撞击作用较强;在下一瞬间,微粒受到另一方向的撞击作用较强,这样就引起了微粒无规则的运动。
悬浮在液体中的微粒越小,在某一瞬间跟它相撞的液体分子数越少,撞击作用的不平衡性就表现得越明显,并且微粒越小,它的质量越小,其运动状态越容易被改变,因而,布朗运动越明显。如果悬浮在液体中的微粒很大，在某一瞬间跟它相撞的分子数很多,各个方向的撞击作用接近平衡,这时就很难观察到布朗运动了。(*分子的无规则运动无法直接观察。悬浮微粒的无规则运动并不是分子的运动，但这一现象可以间接地反映液体分子运动的无规则性。）
热运动 在扩散现象中,温度越高,扩散得越快。观察布朗运动,温度越高,悬浮微粒的运动就越明显。可见,分子的无规则运动与温度有关系,温度越高,这种运动越剧烈。因此,我们把分子这种永不停息的无规则运动叫作热运动( thermal motion)。温度是分子热运动剧烈程度的标志。

三、分子间的作用力
气体很容易被压缩,说明气体分子之间存在着很大的空隙。固体或液体不容易被压缩,那么,分子之间还会有空隙吗?
水和酒精混合后的总体积变小了。这表明液体分子间存在着空隙。再如,压在一起的金块和铅块,各自的分子能扩散到对方的内部,这表明固体分子之间也存在着空隙。分子间有空隙,大量分子却能聚集在一起,这说明分子之间存在着相互作用力。
当用力拉伸物体时,物体内各部分之间要产生反抗拉伸的作用力,此时分子间的作用力表现为引力。
当用力压缩物体时,物体各部分之问会产生反抗压缩的作用力,此时分子间的作用力表现为斥力。
分子之间的引力或斥力都跟分子间距离有关,那么，它们之间有怎样的关系呢?
研究表明,分子间的作用力F跟分子间距离r的关系是：
当r当r=r0时,分子间的作用力F为0,这个位置称为平衡位置;
当r>r0时,分子间的作用力F表现为引力。
那么,分子间为什么有相互作用力呢?
我们知道,分子是由原子组成的。原子内部有带正电的原子核和带负电的电子。分子间的作用力就是由这些带电粒子的相互作用引起的。

三、分子动理论
我们已经知道:物体是由大量分子组成的,分子在做永不停息的无规则运动,分子之间存在着相互作用力。这就是分子动理论的基本内容。
在热学研究中常常以这样的基本内容为出发点,把物质的热学性质和规律看作微观粒子热运动的宏观表现。这样建立的理论叫作分子动理论( molecular kinetic theory)。
由于分子热运动是无规则的,所以,对于任何一个分子而言,在每一时刻沿什么方向运动,以及运动的速率等都具有偶然性;但是对于大量分子的整体而言,它们的运动却表现出规律性。在本章第3节我们将研究分子运动速率的分布规律。