【問題】靠近地面的物體所受的引力為G,因為引力功具有與路徑無關(guān)的性質(zhì),所以存在引力勢能。 重力勢能是由月球與天體的相對位置決定的。 分子間的斥力做功是否也有這個特點呢?
1、分子動能
分子在不斷地隨機運動,所以,和所有運動的物體一樣,熱運動的分子也有動能,即分子動能。 物體熱運動的速度不同,因此每個分子的動能也不同,而且是不斷變化的。 在熱現(xiàn)象的研究中,我們關(guān)心的是構(gòu)成系統(tǒng)的大量分子的整體力學(xué)性能。 因此,這里重要的不是體系中某個分子的動能,而是所有分子動能的平均值。 這個平均值稱為分子熱運動的平均動能。
當(dāng)室溫下降時,分子熱運動加劇,溫度越高,分子熱運動的平均動能越大。 溫度越低,分子熱運動的平均動能越小。 因此可以推斷,當(dāng)物體溫度下降時,分子熱運動的平均動能減小。 這樣,分子動力學(xué)理論使我們能夠理解體溫的微觀意義。
分子熱運動的平均動能與空氣溫度成反比。
2.分子勢能
分子勢能是分子間相互排斥而形成的能量。
分子間存在相互斥力,可以證明分子間斥力所做的功與路徑無關(guān),分子組成的體系具有分子勢能。
如圖所示,假設(shè)兩個分子相距無限遠(yuǎn),【兩個分子之間的無限遠(yuǎn)是指它們之間幾乎沒有相互作用時的距離。 】我們可以規(guī)定它們的分子勢能為0。讓一個分子A不動,另一個分子B從無窮遠(yuǎn)處逐漸接近A。 在這個過程中分子熱運動的動能,分子間的排斥力(圖A)確實起作用,分子勢能的大小發(fā)生變化。
當(dāng)分子B靠近分子A,且分子寬度距離r小于r?時,分子間的排斥作用為引力,作用力的方向與分子的位移方向相同。 分子間的斥力做正功,分子勢能減小。
分子間斥力和分子勢能
當(dāng)分子寬度從r減小到r?時,分子間的斥力為0,分子勢能最小。
越過平衡位置r?后,分子B繼續(xù)靠近分子A,分子間的斥力作為作用力,力的方向與分子的位移方向相反,分子間的斥力做負(fù)功,分子勢能降低。
可見,分子勢能的大小是由分子間的相對位置決定的。
從上面的分析可以看出,如果當(dāng)分子寬度距離r無限遠(yuǎn)時,分子勢能Ep為0,則分子勢能Ep隨著分子寬度距離r的變化而變化,如圖B所示。 分子勢當(dāng)分子寬度從r變化時,能量Ep有一個最小值,即當(dāng)r=r?時,分子勢能最小。
當(dāng)物體的體積發(fā)生變化時,分子的寬度和距離會發(fā)生變化,因此分子勢能會發(fā)生劇烈變化。 可見,分子勢能與物體的體積有關(guān)。
以下是一些常見的推論。
1、分子距離是平衡距離處的最小分子勢能;
2、當(dāng)分子距離小于平衡距離和大于平衡距離時,分子勢能會減小;
3、當(dāng)分子距離大于平衡距離時,作用力小于引力,分子勢能表示為作用力,在零距離處最大值;
4、當(dāng)分子距離小于平衡距離時,引力小于作用力,分子勢能表示為引力,在無窮遠(yuǎn)處為0;
5、分子間距離在無窮遠(yuǎn)處為零,重力引起的勢能最大;
6、引力和作用力在分子無限遠(yuǎn)處最大,作用力引起的勢能最大;
7、分子熱運動引起的分子間勢能取決于物體的體積;
8、分子勢能是由分子間的斥力引起的,所以分子勢能與分子間相互斥力的大小和相對位置有關(guān);
9、內(nèi)能受固體和液體勢能影響較大,而二氧化碳受勢能影響較小;
10.物質(zhì)狀態(tài)和體積是分子勢能的主要熱阻。
據(jù)悉,值得注意的是,理想的二氧化碳不考慮分子勢能。 在理想二氧化碳的假設(shè)中給出,除了碰撞時間外,分子間的排斥力被忽略,但分子碰撞時間極短。
通常可以忽略二氧化碳分子的勢能。 因為二氧化碳在正常情況下的寬度約為10 -9 米,分子寬度小于平衡位置寬度r?的10倍。
3.物體的內(nèi)能
物體內(nèi)所有分子的熱動能和分子勢能之和稱為物體的內(nèi)能( )。 任何物體都具有內(nèi)能。
分子熱運動的平均動能與溫度有關(guān),分子的勢能與物體的體積有關(guān)。 一般來說,當(dāng)物體的溫度和體積發(fā)生變化時,其內(nèi)能會迅速發(fā)生變化。
思考和討論
當(dāng)物體下落時分子熱運動的動能,物體內(nèi)的分子在做不規(guī)則的熱運動的同時,也參與了垂直向上的下落運動。 又如籃球在地上滾動,球內(nèi)的二氧化碳分子在做著不規(guī)則的熱運動的同時,也參與了水平地面上的運動。 當(dāng)籃球靜止在地上時(圖),
它里面的二氧化碳分子還有能量嗎?
需要強調(diào)的是,構(gòu)成物體的分子在做著不規(guī)則的熱運動,具有熱運動的動能,是內(nèi)能的一部分; 同時,物體也可能作為一個整體運動,所以它會產(chǎn)生動能,動能是機械能的一部分。 一部分。 前者是由物體的機械運動決定的,對物體的內(nèi)能沒有貢獻。
?分子運動不是機械運動。 機械運動肯定會形成摩擦,但分子運動不會形成摩擦; 機械運動是宏觀的,整個物體的運動可以直接或間接檢測出藥量儀的速率等指標(biāo)。 通常肉眼可見。 熱運動是微觀分子運動。