從分子視角揭示熱學現象的本質

摘要：在物理教學中，教師如果引導學生從分子角度對熱學現象中各種物態變化、內能變化、氣體壓強變化進行微觀分析，達到讓學生能更加透徹地理解熱學現象本質的目的.所以用微觀理論來分析宏觀現象的思想對物理教師具有很重要的教學借鑒意義.

關鍵詞：分子動理論；物態變化；內能；做功；氣體壓強

作者簡介：邵忠芳（1982-），男，中學一級教師，主要從事中學物理教學與研究工作

在中學物理教學中，結論或規律一般都是通過多次實驗得出來的，然后用歸納法得出結論，很少進行微觀的理論分析，其主要原因是考慮到中學生現有的認知水平程度.但是，在平時的教學中發現：對于一些熱學規律的教學，可以先通過實驗歸納出結論，待學完分子動理論后再利用分子動理論對實驗現象進行微觀分析，這樣能夠幫助學生從微觀角度認識熱學現象的本質，加深對規律的理解，從而加深記憶.

1用分子動理論解釋物態變化

固體、液體、氣體的分子模型如圖1所示.固體分子排列規則，就像坐在座位上的學生；液體分子可以移動，就像課間教室里的學生；氣體分子幾乎不受力的作用，就像操場上亂跑的學生.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物態變化的微觀解釋

當物體發生熔化、汽化和升華這些物態變化時，物體吸收熱量后，其分子的運動更加劇烈，使部分的分子能脫離其它分子的束縛而移動得更自由，從而發生相應的物態變化.如冰的升華過程，冰從外界吸收一定的熱量后，其表面的部分水分子運動加劇，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.熔化和汽化過程與升華過程類似；而凝固、液化和凝華過程則與升華過程相反.

1.2影響蒸發的三個因素的微觀理解

蒸發的微觀過程是這樣的（以水為例）：分子作無規則運動，杯中部分速度較快的水分子向水面外運動，脫離液面的束縛跑到空氣中，使液態的水逐漸緩慢變成氣態的水蒸氣，從而杯中的水越來越少.要加快蒸發，可以從以下三個方面進行.

（1）提高液體的溫度可加快蒸發：液體溫度升高，分子運動加快，相同時間內有更多分子跑出液面，蒸發加快；

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

（3）加快液體表面的空氣流速，可加快蒸發：當速度較大的液體分子跑出液面時，被風吹走，就不可能再回到水中，空氣流速越快，相同時間內被風吹走的液體分子數量越多，蒸發加快了.

2用分子動理論解釋物體內能的改變

2.1內能的微觀解釋

分子動理論告訴我們“分子在永不停息地做無規則運動”，分子因為運動而具有動能.當分子運動速度加快時，分子的動能就會加大.“分子間還同時存在相互作用的引力和斥力”，分子間因為存在相互作用，使分子具有勢能.分子之間的相互作用力越大，分子之間的勢能就越大.而物體內所有分子的動能和勢能的總和就是物體的內能.

2.2用分子動理論解釋熱傳遞改變物體的內能

在絕大部分情況下，當物體通過熱傳遞吸收熱量后，物體溫度升高，分子運動速度增加，分子動能增加，從而使物體內能增加.相反物體放出熱量后，物體溫度下降，分子運動速度降低，分子動能減小，物體內能減少.但在一些特殊過程中，如晶體熔化過程中，物體吸熱溫度不變，分子動能基本不變；但熱量會使分子的排列發生變化，分子之間的距離增大以及分子離開原來的位置移動，這樣熱量就用來克服分子之間的引力做功， 使分子間的相互作用發生改變，使物體呈現液態.也就是說，晶體熔化過程，吸收的熱量主要轉化為分子之間的勢能；分子動能基本不變，因此，物體的溫度就沒有顯著的改變.

物體通過熱傳遞放出熱量后內能的變化過程，恰好與上述分析過程相反.

2.3用分子動理論解釋做功改變物體的內能（以氣體為例）

（1） 物體對外界做功，物體溫度下降，分子的無規則運動的速度減慢，導致分子的動能減小，導致分子內能減小.

（2）外界對物體做功，物體溫度上升，分子的無規則運動的速度加快，導致分子的動能增大，導致分子內能增大.

3用分子動理論解釋氣體的壓強

氣體的壓強產生的原因是：大量的氣體分子頻繁地碰撞容器壁，分子對容器壁產生壓力，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.氣體壓強與氣體的體積、質量和溫度等因素有關.

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

（2）氣體壓強與質量的關系：增加氣體的質量，單位體積內氣體分子的數目增多，單位面積內器壁受到氣體分子碰撞的次數增多，氣體壓強變大.

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

分子動理論是認識微觀世界的基礎，是宏觀與微觀聯系的紐帶.在學完分子動理論后，教師如果能夠結合分子動理論，引導學生對宏觀的熱學現象進行微觀分析，就能減輕學生的學習負擔，更加透徹地了解熱學現象的本質.

參考文獻：

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

[2] 王海昭，分子動理論與內能，《文教資料》2002-06.