第十三章 内能——第一节 分子热运动

远处的山峰上,火光冲天、烟雾弥漫,炽热的岩浆犹如一条火龙。这是火山在喷发。
地球内部有高温、高压的岩浆。在极大的压力下,岩浆会从地壳薄弱的地方喷涌而出,无情的火舌毁坏它途经的一切,大量火山灰冲上万米高空......
火山喷发时,炽热的岩浆携带着大量与热有关的能量。那么,覆盖火山的皑皑白雪有没有与岩浆相同形式的能量?如果有,这种能量的多少与哪些因素有关呢？
盛夏时节,百花绽放。四溢的花香引来了长喙天蛾,它们悬浮在空中吸食花蜜。花香是如何传播的呢?

物质的构成
很久以前就有人猜想:我们在远处就可以闻到花香,是因为有花的“原子”飘到我们鼻子里。现代科学研究发现,常见的物质是由极其微小的粒子——分子( molecule)、原子(atom)构成的。如果把分子看成球形的,一般分子的直径只有百亿分之几米,人们通常以0.0000000001m为单位来量度分子。分子如此之小,人们用肉眼和光学显微镜都分辨不出它们。不过,电子显微镜可以帮助我们观察到这些分子、原子。
构成物质的分子是静止的还是运动的?相互之间有没有作用力?虽然用肉眼不能直接观察到分子,但人们可以通过物体的一些宏观表现来推断构成物体的分子的情况。

分子热运动
在装着红棕色二氧化氮气体的瓶子上面,倒扣一个空瓶子,使两个瓶口相对,之问用一块玻璃板隔开。抽掉玻璃板后,会发生什么变化?
二氧化氮的密度比空气大,它能进到上面的瓶子里去吗?
由实验可以看到,两个瓶子内的气体会混合在一起,最后颜色变得均匀。像这样,不同的物质在互相接触时彼此进入对方的现象,叫做扩散( diffusion)。
扩散现象也可以发生在液体之间。在量筒里装一半清水,用细管在水的下面注入硫酸铜的水溶液。由于硫酸铜溶液比水的密度大,会沉在量筒的下部,因此可以看到无色的清水与蓝色硫酸铜溶液之间明显的界面。静放几天,界面就逐渐变得模糊不清了。
固体之间也能发生扩散。把磨得很光滑的铅片和金片紧压在一起,在室温下放置5年后再将它们切开,可以看到它们互相渗入约1mm深。
长喙天蛾能嗅到花香,就是因为花粉颗粒扩散到了远处。
在一个烧杯中装半杯热水,另一个同样的烧杯中装等量的凉水。用滴管分别在两个杯中滴入一滴墨水,观察哪个烧杯中墨水扩散得快。扩散的快慢跟温度有什么关系?
扩散现象等大量事实表明,一切物质的分子都在不停地做无规则的运动。温度越高,分子运动越剧烈。
由于分子的运动跟温度有关,所以这种无规则运动叫做分子的热运动( thermal motion)。注：通过直接感知的现象，推测无法直接感知的事物，这是物理学中常用的方法。关于这种方法，你还能举出 其他例子吗？

分子间的作用力
扩散现象表明,分子在不停地运动。既然分子在运动,那么通常固体和液体中的分子为什么不会飞散开,而总是聚合在一起,保持一定的体积呢?
如将两个铅柱的底面削平、削干净,然后紧紧地压在一起,两个铅柱就会结合起来,甚至下面吊一个重物都不能把它们拉开。
两个铅柱没有被重物拉开,主要是因为铅柱的分子之间存在引力。分子之间的引力使得固体和液体的分子不致散开,因而固体和液体能保持一定的体积。
从扩散现象还可以看出,物体的分子不是紧密地挤在一起,而是彼此间存在间隙。那么,为什么压缩固体和液体很困难呢?这是因为除了引力以外分子之间还存在斥力。
分子之间既有引力又有斥力。当固体被压缩时,分子间的距离变小,作用力表现为斥力;当固体被拉伸时,分子间的距离变大作用力现为引力。固体分子间的距离小,不容易被压缩和拉伸,具有一定的体积和形状。
如果分子相距很远,作用力就变得十分微弱,可以忽略。气体分子之间的距离就很远,彼此之间几乎没有作用力,因此,气体具有流动性,容易被压缩。
通常液体分子之间的距离比气体的小,比固体的大;液体分子之间的作用力比固体的小,分子没有固定的位置,运动比较自由。这样的结构使得液体较难被压缩,没有确定的形状,具有流动性。
常见的物质是由大量的分子、原子构成的;物质内的分子在不停地做热运动;分子之间存在引力和斥力。这就是人们用来解释热现象的分子动理论的初步知识。