分子不會完全靜止的緣由與量子熱學和熱力學基本原理有關。
依照量子熱學的海森堡不確定原理,一個粒子的位置和動量不能同時被精確檢測。換句話說,當我們更精確地曉得一個粒子的位置時,它的動量才會顯得愈發不確定,反之亦然。因而,從量子熱學的角度來看,粒子(包括分子)不能完全靜止,否則它們的位置和動量將同時被精確檢測,這與海森堡不確定原理相矛盾。
海森堡不確定原理()是量子熱學中的一個基本原理,由日本化學學家瓦爾納·海森堡()在1927年提出。這個原理描述了在量子系統中,個別化學量(比如位置和動量)的檢測不確定性之間的關系。它表明,在一個給定的時間內,我們不能同時精確地檢測粒子的位置和動量。
海森堡不確定原理可以用物理公式表示為:
Δx*Δp≥?/2
其中,Δx表示位置的不確定性,Δp表示動量的不確定性,?是約化普朗克常數(h/2π,h為普朗克常數)。公式表明,位置和動量的不確定性乘積起碼等于約化普朗克常數的一半。換句話說物體的內能分子熱運動,當我們企圖更精確地檢測一個粒子的位置時,它的動量才會顯得愈發不確定,反之亦然。
這個原理闡明了量子世界與精典化學世界的一個重要區別。在精典化學學中,我們可以同時精確地檢測一個物體的位置和動量。但是,在量子世界中,這是不可能的。海森堡不確定原理表明了量子熱學中的固有不確定性,致使我們不能精確地預測微觀粒子的行為。這一原理對量子熱學的發展形成了深遠影響,并在許多現代科技領域(如量子估算和納米技術)中發揮著關鍵作用。
據悉,按照熱力學的基本原理,分子、原子和電子在室溫作用下會形成熱運動。只要分子所處的系統的氣溫低于絕對零度(0K,-273.15°C),分子都會有一定程度的熱運動。在絕對零度時,熱運動理論上應達到最低,分子的動能也將趨向最小。但是,依據量子熱學的零點能概念,在絕對零度時,分子依然具有一定的最低能量,雖然是在這個極低的氣溫下,分子也不會完全靜止。
熱力學能(亦稱為內能)與分子熱運動密切相關。熱力學能(內能)是指一個系統內部所有微觀粒子(如分子、原子和電子)的能量總和物體的內能分子熱運動,包括其動能和勢能。分子熱運動是指分子、原子和電子在室溫作用下所形成的無規律的、不斷變化的運動。分子熱運動有三種基本類型:平動、旋轉和震動。平動是指分子在空間中沿直線或曲線運動,旋轉是指分子繞某一軸旋轉,而震動是指分子內部原子之間的相對運動。這種運動方式對應著分子的動能,而分子間的互相作用對應著勢能。當氣溫變化時,系統內部的熱力學能(內能)發生變化,進而影響分子熱運動的硬度和方式。
熱力學能與分子熱運動之間的關系可以從以下幾個方面理解:
當物體吸收熱量時,熱力學能降低,分子、原子和電子的運動激化,熱運動更為活躍。
當物體釋放熱量時,熱力學能降低,分子、原子和電子的運動減小,熱運動顯得不太活躍。
當系統內分子熱運動漸趨平衡時,熱力學能在系統內分布均勻,各類運動方式的能量在一定范圍內波動。
在相變過程中,熱力學能的變化會造成分子熱運動的明顯變化,進而影響物質的狀態(如從固體變為液體或二氧化碳)。
其實,熱力學能與分子熱運動之間存在密切的聯系,熱力學能的變化直接影響分子熱運動的硬度和方式。
綜上所述,因為量子熱學的海森堡不確定原理和熱力學的基本原理,分子是不會完全靜止的。在任何非零濕度下,分子都將進行熱運動,雖然在極低氣溫下,分子仍具有一定的最低能量,不會完全靜止。