解释中学物理中的两个热现象
河北唐山市第27中学何翠芹
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为什么水在0℃～4℃随温度升高体积变小？为什么液滴总是呈球状？这是两个被中学生经常提出来的问题，本文通过应用热学、热力学与统计物理中晶体结构的相关知识给出了比较通俗的微观解释，与同仁们共同商酌、探讨。
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二、水的反常膨胀及其微观解释
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随着温度的改变，一般物体都具有热胀冷缩的现象。然而水在0℃～4℃时却是热缩冷胀，而4℃以上的水又回到正常的热膨胀特性。为认识水的反常膨胀的实质，我们从微观角度人手在以下几个方面对水的反常膨胀进行分析解释。
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1．冰的微观结构
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物质密度由物质内分子间距决定。分子间距越大，物质密度越小；分子间距越小，物质密度越大。经研究发现，在水和冰的结构中，存在着一种非常特殊的化学键──氢键（一般晶体所没有的）。由于氢原子的特殊性，使有些氢的化合物晶体呈现独特的结构，冰就是典型例子之一。氢原子的电离能比较大，难以形成离子键；同时氢原子只有一个电子和一个质子，氢原子核也比其他原子的离子小很多。当它唯一的价电子与一个原子形成共价键后，原子核便暴露出来，容易受到其他负离子的作用，该氢核可以通过库仑力的作用与负电性较大的离子相结合，这种结合称为氢键。在冰中的每个H2O分子都通过氢键与周围四个H2O分子结合在一起，边缘的H2O分子同样与其他H2O分子结合形成如图1所示的立体结构。这种多分子组成的立体结构是四面体结构，所占空间较大，分子间不是密排而是镂空结构。
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2．0℃的冰融化为的0℃水时，密度变大
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在冰的结构中，H2O分子有着规则的排列，形成空旷的镂空结构，原子间存在着较大的空隙。当0℃的冰晶继续被加热时，冰晶体中的部分原子的无规则热振动动能足以破坏氢键，使部分氢键断裂。原来的空旷结构逐渐瓦解成线度为10-10m的水分子集团，水分子集团内为点阵结构，集团间的距离明显变小。水分子集团之间没有氢键的存在，0℃的冰融化为0℃水时，近15%的氢键被破坏，H2O具有了流动性，固态转化为液态，由于水分子集团间的杂乱排列，且集团间距离明显减小，使得水的密度比冰要大，在0℃时，密度有一个突变，而这时水中仍有大部分的氢键存在。
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3．水温由0℃升高到4℃时，密度增大
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若继续加热0℃的水，随着温度的升高，靠氢键结合在一起的H20分子集团进一步瓦解，氢键进一步断裂，结合在一起的H2O分子团减小，开始出现单个水分子。这时，它们可以任意排列和运动，单个水分子还可以嵌在镂空的分子结构之间。在水温升高的过程中，一方面由于氢键的断裂使水分子排列更紧密，密度增大；另一方面分子热运动加快，使分子间平均距离增大，密度减小。水的密度受这两方面因素的共同影响。
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由于分子势能曲线（如图2）的不对称性，在ed段，随着水温的不断上升，分子间距增大的较为缓慢；而氢键断裂使分子间距几乎均匀地减小，使得在水温由O℃升高到4℃的过程中，由氢键断裂引起水密度增大的作用，比分子热运动加快引起水密度减小的作用更大，所以在这个过程中水的密度随着温度的升高而增大，表现为反常膨胀。
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4．超过4℃的水密度随温度的升高而减小
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水温超过4℃时，随着水温的升高，氢键继续断裂，水中多分子集团越来越少；但分子热振动幅度随温度升高不断加大，使分子间的平均距离增大加快，对应图2中d点水平线以上的部分。因此由氢键断裂引起的水密度增加的作用较受水分子热振动引起的水密度减小的作用小，因此在水温由4℃继续升高的过程中，水的密度随温度的升高而减小，即呈现热胀冷缩现象。
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这样，热振动使分子间距扩大和断裂氢键使集团间距缩小两种相反的竞争机制，使得水在O℃～4℃之间有着反常膨胀的特性。4℃时，两种相反的机制几乎达到平衡，水分子间距最小，水的密度最大。4℃以上的水又回到正常的热膨胀特性。经过上面的讨论可知，水的热膨胀过程从微观上看是由于两种相反机制竞争的结果，主要是氢键的存在，导致了它的反常膨胀，也使水具有了吸热量高、比热容大、4℃的水密度最大这些特性。
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三、液滴成球状的微观解释
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从微观来看，液体的表面并不是一个几何面，而是有一定厚度的表面层。其厚度为分子的有效作用距离r。由于表面层内的分子力由引力和斥力两部分组成。斥力的有效作用距离很短可认为分子直接接触时才起作用，除液体的极表面外，表面层中各处分子所受其他分子的斥力合力为零；而引力则不然，考虑表面层内任一点O【图3】，由于引力作用距离较大（等于表面层厚度r），所以以O为球心，以r为半径的球内所有分子都能与O点处的分子有引力相互作用。处于表面层中（例如O处）的分子和液体内部分子【图3中P处】相比缺少了一些吸引它的分子（图中阴影部分），所受其他分子引力的合力不为零，且指向液体内部。因此，表面层中的分子都有在合引力作用下挤入液体内部的趋势。宏观表现出液体表面有收缩的趋势，使液体表面取最小。
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从热力学角度看，表面层中分子的势能高于液体内部分子势能，而分子处于低势能状态稳定。因此，表面层中分子都尽可能挤入液体内部，使液体的表面能最小，液体表面积取最小值，而表面积最小的几何体就是球体，这就是我们为什么能看到美丽的露珠，即使金属熔化后的液滴也呈球形的原因。
2007-10-23??原载《中学物理》（哈尔滨），2006．1，36～37
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