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分子勢能

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分子勢能的概念

分子勢能概念:分子勢能是分子間由于存在相互的作用力,從而具有的與其相對位置有關的一種勢能。

微觀領域,我們高中物理研究的分子勢能僅僅局限在兩個分子間勢能問題上。分子勢能與分子間距離關系,是高考物理的常考點。

分子勢能與內能

分子勢能是內能的重要組成部分。我們先來復習內能的定義:

內能是組成物體分子的無規則熱運動動能和分子間相互作用勢能的總和。

物體的內能,并不包括這個物體宏觀機械運動時的動能、重力勢能、彈性勢能等。

分子勢能與分子力做功

分子勢能是勢能中的一種,與重力做功與重力勢能變化關系類似,也滿足分子力做功與分子勢能變化的關系。

簡單來說,就是分子力做正功,分子勢能減小;反之增加。

下面,筆者來進一步從分子力做功,的角度分析分子勢能的變化情況。請同學們借助下方圖像理解。

(1)當分子間的距離小于r0時,隨著分子間距離的減小,表現的是斥力,此過程分子力做負功,分子勢能增大;

(2)當分子間的距離大于r0時,隨著分子間距離的增大,表現的是引力,此過程分子力做負功,分子勢能也增大;

(3)當分子間的距離等于r0時,分子的勢能最小。這一條,請同學們借助上面兩條來理解。

分子勢能與分子間距離關系

對兩個分子而言,其分子勢能滿足下圖曲線(規定無窮遠處勢能為零勢能面):

分子勢能

上式中的r0是分子斥力與引力相等的那一點,或者說這一點兩個分子之間斥力、引力的合力為零。

圖像所描述的變化關系,與上述分子力做功與分子勢能變化關系的分析是一致的。

注意:這張圖與分子間距離與分子力關系圖相似,卻有很大的不同,同學們借助下圖來對照理解。

 

同學們可以借助高中物理選修3-3教材中的彈簧模型來對比理解。

分子勢能Ep大小取決于物體的體積和狀態。要注意不能簡單地理解分子勢能與物體的體積存在正比或反比的關系。

理想氣體的分子勢能

理想氣體的分子勢能不需要考慮,即認為理想氣體的分子勢能為零。理想氣體狀態方程這篇文章中有詳細的介紹。

為何理想氣體不需要考慮分子勢能呢?還是請同學們借助上面的分子勢能與分子間距離圖像來理解。我們認為10r0處的分子力、引力勢能都非常小了,接近于零。

而理想氣體的分子間距離,要大于10r0。因為我們對理想氣體的研究,認為其內能大小就等于其所有分子的分子動能之和;與分子勢能無關了。

分子勢能趨于穩定態

從力學知識中我們知道,一個物體所處的位置越低,勢能就越小。

生活常識又告訴我們,物體的重心越低,就越穩定。

因此,物體處于越穩定的狀態,物體(實際上是物體與地球所構成的系統)所具有的勢能就越小。分子之間的相互作用亦是如此。

處于固態物質的分子形成空間點陣,分子不能自由移動,只能在自己的平衡位置上振動,與液態的分子相比處于更加穩定的狀態。

因此,物質處于固態時,分子之間相互作用的勢能較小。

在熔化過程中,一般來說,分子由較穩定的狀態變成較不穩定的狀態,因此分子之間相互作用的勢能增加。

參考文獻

高中物理選修3-3內容概要http://www.n8178.com/zongjie/x33/481813.html

分子動理論內容http://www.n8178.com/zongjie/x33/468207.html

溫度http://www.n8178.com/zongjie/x33/468215.html

阿伏伽德羅常數http://www.n8178.com/zongjie/x34/481807.html

物體內能和什么有關http://blog.www.n8178.com/38763

分子勢能與分子力http://blog.teacherws.com/wen/13450.html

分子能量都有哪些http://blog.www.n8178.com/40899

(文/王尚;筆者系高中物理網力學組主編。)

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