物理热学之二

1、热学 01【热学 】热学是物理学的一个重要局部。 它专门研究热现象的规律及其应用。 对热现象的研究： 一是由观察和实验入手， 总结出热现象规律， 构成热现象的宏 观理论，叫做热力学；二是从物质的微观结构出发即以分子、原子的运动和它 们之间的相互作用出发 ，应用统计方法去研究热现象的规律， 构成热现象的微 观理论，叫做统计物理学。它所研究的范围包括：测温学、量热学、热膨胀以及 热传递等。 假设从广泛的涵义上， 热学还包括其他有关热现象研究的热力学、 分 子物理学和热工学等分科。 热力学和统计物理学研究对象是一致的， 都是研究物 体内部热运动的规律性以及热运动对物体性质的影响，但是研究的方法截然不

2、 同。热力学根据观察和实验所总结出来的热力学定律， 以严密的逻辑推理来研究 宏观物体的热性质， 它不涉及物质的微观结构。 统计物理学那么从物质的微观结构 出发，依据每个粒子所遵循的力学规律， 用统计学的方法研究宏观物体的热性质。 热力学对热现象给出可靠的依据， 用以验证微观理论的正确性； 统计物理学可深 入探讨热现象的本质， 使热力学的理论获得更深刻的意义。 因此这两种方法， 起 到了相辅相成的作用，使热现象的研究更加深入。【热力学 】它是研究热现象中物态转变和能量转换的学科。 由观察和实验总 结出热现象的规律，构成热现象的宏观理论。在 19 世纪中叶，焦耳等人通过多 次实验，将热确定为能的一

3、种形式， 从而建立了热力学。 热力学的研究是从大量 经验中总结了自然界有关热现象的一些共同规律而得出热力学定律 即热力学第 零、第一、第二和第三定律，用严密的逻辑推理来研究宏观物体的热性质及规 律。热力学所研究的内容， 在量子力学开展以前就有了一定的根底， 故论及的系 统及所持的理论均出于宏观的概念。 主要探讨物质系统的平衡状态以及与平衡状 态偏离不大的物理、化学过程，近年来，对非平衡状态过程的研究，亦取得一定 的成果。热力学不涉及物质内部的微观结构，对热现象的本质亦不能作出解释， 这是它的局限性，这些都需要统计物理学来补充、说明并加以开展。【统计物理学 】是用统计方法研究由大量微观粒子组成的

4、物质系统内部热运 动规律及其对系统性质的影响。 它是从物质的微观结构， 即从分子、 原子的运动 和它们之间的相互作用出发， 来研究热现象的规律， 构成热现象的微观理论。 统 计物理学的前身是气体分子运动论。 统计物理学是从宏观系统内部的微观结构出 发，根据微观粒子所遵从的力学规律， 用统计方法， 将系统的宏观性质及其变化 规律推导出来。所以，统计物理学与热力学两者之间可以相互补充。 19 世纪在 经典力学根底上形成了 “统计力学 。在研究气体处于平衡状态下的性质方面取 得成就，对热力学已经获得的结果，能从微观角度更深刻地加以说明。以后，随 着研究范围的扩展而取得统计物理学的名称。 20 世纪以

5、来，由于发现微观粒子 具有量子性质之后，在量子力学根底上形成“量子统计物理。统计物理学对于许多涉及多体问题的学科都有重要应用。 例如，在固体物理学、原子核物理学、物理化学和天体物理学等方面均取得巨大成就。在相变，超 导性、超流性、等离子体等方面运用统计物理方法，于近年来亦有很大的进展。【热】热的概念来自人们对冷热的感觉。 它是物质运动表现的形式之一。 它 的本质是大量的实物粒子分子、原子等永不停息地作无规那么的运动。热与实 物粒子的无规那么运动的速度有关，无规那么运动越强烈时，那么该物体或系统就越热， 温度也越高。热的另一种涵义是热量，热量是能量变化的一种量度。 热量与温度 的概念不同，不能混

6、为一谈。【热运动】是物质的一种运动形式。宏观物体内部大量微观粒子如分子、 原子、电子等永不停息的无规那么运动称为热运动。它是物质的一种根本运动形 式。一个物体或某一系统在热平衡时的温度， 取决于他内部微观粒子热运动的状 况，热运动越剧烈，它的温度就越高。【热现象】凡与温度有关的物质系统性质的变化， 统称为“热现象。例如， 物体吸热后温度升高，体积膨胀；水受热后变成水蒸气等，都是由于温度发生了 变化，物体的性质也随着而变化，这说明热现象是大量分子无规那么运动的表现。【温度】是表示物体冷热程度的物理量。由人的感觉来判断物体的冷热程度， 是建立在主观感觉根底上的。为了能客观地反映物体的冷热程度， 人

7、们引入了温 度的概念。从分子运动论的观点来看，温度是物体内部大量分子无规那么热运动剧 烈程度的表达。它是物体冷热的内在根据，热运动越剧烈，物体的温度就越高。 某一物体温度升高或降低，就标志着物体内局部子热运动平均动能的t働個减女内局部子的平均动能。假设用T表示物体的温度绝对标,就有卜氏对于气体耒说丄m沪=22 kT。式中k为玻尔兹曼常数，T为二：乍八 mt，丁汀产巾一二匕二 气体温度的微观实质 是分子平均动能的量度。由此看来，温度是含有统计意义的，它是大量气体分子 热运动的集体表现。对于个别分子而言，它的动能可能大于平均动能，也可能小 于平均动能。但在温度一定时，它是一个确定的值。对于个别分子

8、，说它温度是 多少是没有意义的。【温标】温度数值的表示方法叫做“温标。为了定量地确定温度，对物体 或系统温度给以具体的数量标志，各种各样温度计的数值都是由温标决定的。 为 量度物体或系统温度的上下对温度的零点和分度法所做的一种规定，是温度的单位制。建立一种温标，首先选取某种物质的某一随温度变化的属性， 并规定测温 属性随温度变化的关系；其次是选固定点，规定其温度数值；最后规定一种分度 的方法。最早建立的温标是华氏温标、摄氏温标，这些温标统称为经验温标。它 们的缺陷是温度读数与测温物质及测温属性有关， 测同一热力学系统的温度，假设使用摄氏温标标定的不同测温属性的温度计， 其读数除固定点外，并不严

9、格一 致。经验温标现已废弃不用。为了统一温度的测量，温度的计量工作中采用理想 气体温标为标准温标。规定温度与测温属性成正比关系，选水的三相点为固定点。 在气体液化点以下及高温下理想气体温标不适用，由于氦的液化温度最低，因此氦温度计有它一定的优越性。国际单位制中采用的温标，是热力学温标。它的单 位是开尔文，中文代号是开，国际代号是 Ko【摄氏温标】是经验温标之一，亦称“百分温标。温度符号为 t，单位是 摄氏度，国际代号是“C。摄氏温标是以在一大气压下，纯水的冰点定为0C。 在一大气压下，汽点作为100C,两个标准点之间分为100等分，每等分代表Co 在温度计上刻100C的基准点时，并不是把温度计

10、的水银泡或其他液体插在 沸腾的水里，而是将温度计悬在蒸汽里。实验说明只有纯洁的水在正常情况下沸 腾时，沸水的温度才同上面蒸汽温度一样。假设水中有了杂质，溶解了别的物质， 沸点即将升高，也就是说，要在比纯洁水的沸点更高的温度下才会沸腾。 如水中 含有杂质，当水沸腾时，悬挂在蒸汽里的温度计上凝结的却是纯洁的水，因此它的水银柱的指示跟纯洁水的沸点相同。在给温度计定沸点时，防止水不纯的影响， 应用悬挂温度计的方法。为了统一摄氏温标和热力学温标，1960年国际计量大会对摄氏温标予以新 的定义，规定它应由热力学温标导出，即用摄氏度表示的温度差，也可用“开表示，但应注意，由上式所定义的摄 氏温标的零点与纯水

11、的冰点并不严格相等，沸点也不严格等于100C。华氏温度计的冰点为32度，沸点为212度，两者对应关系为将【华氏温标】是经验温标之一。在美国的日常生活中，多采用这种温标。规 定在一大气压下水的冰点为32度，沸点为212度，两个标准点之间分为180等 分，每等分代表1度。华氏温度用字母。F表示。它与攝氏温度两标准点间相对应关系为霧1005 摄氏温度C和华氏温度F之间的换算关系为95F =-C + 32,或C = -F- 32.摄氏温标与华氏温标的各种温度计， 在玻璃管中根据不同的用途，装有不同 的液体如煤油、酒精或水银，由于液体膨胀与温度之间并不严格遵守线性关系，而且不同的液体和温度的非线性关系彼

12、此也不一样，由于测温物质而影响温标的准确性，为此这些经验温标已在废弃之列。【国际实用温标】从准确与实用出发，在1927年第七届国际计量大会上决 定采用国际温标。由于科学技术不断地开展，工业生产上的需要，国际温标不断 修改，目前所采用的国际实用温标，是1968年国际计量委员会对1948年国际实 用温标1960年修正版作了重要修改而建立的。1968年国际实用温标选取的 方法，是根据它所测定的温度可紧密接近热力学温度，而其差值应在目前测定准确度的极限之内。1968年国际实用温标在国际实用开耳文温度和国际实用摄氏 温度之间是用符号T68和t68来加以区分的。T68和t68之间的关系是：t 68=8-2

13、73.15。 T68和t68的单位如在热力学温度T和摄氏温度t中一样仍为开尔文符号Ki和摄 氏度符号C。常用的换算公式是 T=t+273.15。【三相点】亦称“三态点。一般指各种稳定的纯物质处于固态、液态、气 态三个相态平衡共存时的状态，叫做该物质的“三相点。该点具有确定的 温度和压强。物态叫做“相，通常物质是以三种形态存在。即固态、液态、气态，也可 称为固相、液相、气相。物体的变化常叫做相变。或者说，在某一系统中，具有 相同物理性质均匀的局部亦称为相。相与相间必有明显可分的界面。例如，食盐 的水溶液是一相，假设食盐水浓度大，有食盐晶体，即成为两相。水和食油混合， 是两个液相并存，而不能成为一

14、个相。又如水、冰和汽三相共存时，其温度为 273.16KCX 102帕。由于在三相点物质具有确定的温度，因此用它来作为确定 温标的固定点比选汽点和冰点具有优越性， 所以三相点这个固定温度适于作为温 标的基点，现在都以水的三相点的温度作为确定温标的固定点。几种物质三相点的数据温 度K压 强帕氢氘氖氮二氧化碳517204水【绝对零度】绝对零度是根据理想气体所遵循的规律，用外推的方法得到的。 当温度降低到C时，气体的体积将减小到零。假设用分子运动论来解释，理想气 体分子的平均平动动能由温度 T确定，那么可将绝对零度与“理想气体分子停止运 动时的温度等同看待。事实上一切实际气体在温度接近C时， 早已变

15、成液态或 固态，它的温度趋于一个极限值，这个极限值就称为绝对零度。绝对零度是温度 的最低点，实际上永远也不会到达的。【温度计】是测定温度的仪器之统称。利用物质的某一物理属性随温度的变 化来标志温度。根据使用目的的不同，已设计制造出多种温度计。其设计的依据： 如利用固体、液体、气体受温度的影响而热胀冷缩的现象；在定容条件下，气体 或蒸气压强因不同温度而变化；热电效应的作用；电阻随温度的变化而变化；以 及热辐射的影响等多种。一般说，任何物质的任一物理属性，只要它随温度的改 变而发生单调的、显著的变化，都可用来标志温度而制成温度计。温度计的种类很多，如定容气体温度计、定压气体温度计、液体水银、酒 精

16、、煤油温度计、铂电阻温度计、温差电偶温度计、辐射高温计、光测高温计 等多种类型。在我国气象上常将能自动记录温度变化的仪器称“温度计。而对 无自动记录装置的测温仪器称“温度表。【温度表】俗称“寒暑表。我国气象上将直接能读取数值而无自动记录装 置的仪器，统称为温度表。其种类甚多，如干湿球温度表、最低温度表、最高温 度表、地面温度表等。家庭使用的温度表，系常见的一种两端封闭内径均匀的毛 细玻璃管。封闭的下端是圆球或圆柱形，内注水银、酒精或煤油。由于温度的变 化，液柱升降而伸缩。根据液柱顶端所在位置，即可直接读出标度数值。【水银温度计】它是利用水银热胀、冷缩的性质而制造的一种测温计。高温 可以测到30

17、0多摄氏度。由于熔点关系，测量-30 C以下的低温时那么不能使用。制造水银温度计，首先应选取壁厚、孔细而内径均匀的玻璃管，经酸洗等过 程使管内洁净。一端加热并吹成一个壁薄的球形或圆柱形的容器。水银是在某种特定温度下注入球形容器与玻管之中，此时水银的温度应比以后所测之最高温度 还要高些。然后用火焰将灌满水银玻管的顶端封闭。当水银温度降低时开始收缩， 于是在水银柱的上部管内出现一段真空。 温度计的定标分度，首先要确定两个固 定标点，作为永不改变的标记。将温度计液泡局部，插入在一标准大气压下正在 熔解的冰块中，当水银柱下降至某一处稳定时，刻一记号作为下固定点。然后再 将温度计的整体，置于处在一标准大

18、气压下的水蒸气中， 当水银柱上升停在某一 位置不动时作一记号为上固定点。 此二固定点间的距离，称为根本标距。此标距 的长短与温度计的管径以及液泡的容积有关。 将这段标距分成100等分，每一等 分即为一度。在下固定点处标 0记号，在上固定点标100记号。在熔点以下 及沸点以上还可刻同样长的标度。刻在 0以下的标度，称为冷度，刻在 0以 上的称热度。由于温度计的根本标度被均分为100等分，故称百分温度计，又称 摄氏温度计。除摄氏温标外也有采用华氏温标的，此温标以32为冰点，以212 为沸点，其中等分180个刻度。华氏温度计用字母F表示。两种温标关系为F = |C + 32, C =F-3259水银

19、温度计存在一定的缺点，例如，玻璃管的内径不可能完全相同，尽管每 个刻度与每个刻度之间的距离相等， 但由于管的内径不同，那么每刻度之间水银液 柱的体积并不相等，因而造成误差。当玻璃管内水银受热体积膨胀的同时， 温度 计的玻璃管及液泡局部的玻璃也受热膨胀。结果所读出的只不过是水银膨胀数值 与玻璃膨胀数值之间的差数而已。由于水银的凝固点C与沸点C的关系, 故它的计量只能在这个范围之内，可以测高温。假设用以测低温，那么必受限制。【酒精温度计 】构造与水银温度计相同, 唯管内装有含红色染料的酒精, 便 于观察，此种温度计是用酒精为工作物质。因酒精的沸点78C丨较低，凝固点 在-117 C，因此多用酒精温

20、度计作测低温物质。【煤油温度计 】煤油温度计的工作物质是煤油，它的沸点一般高于150C，凝固点低于-30 C。所以煤油温度计的量度范围约为-30 C150C。因酒精的沸 点是78 C，凝固点是-114 C,酒精温度计能比煤油温度计测更低的温度，但高 于78C的温度它就不能测定了。从中学物理实验室经常要测量的温度范围来看， 煤油温度计比酒精温度计更适用。当学生看到温度计的刻度在100C，却不加分析地把温度计说成是酒精温度计，这是错误的酒精温度到达78 C就已经沸腾了，岂能有100C的温度刻度。目前中学实验室里所用的装有红色工作物质的 温度计，一般都是煤油温度计，而不是酒精温度计。【体温计】是测量

21、人体温度用的温度计。 亦称“体温表或“医用温度计 。 体温计的工作物质是水银。它的液泡容积比上面细管的容积大得多。泡里水银， 由于受到体温的影响， 产生微小的变化， 水银体积的膨胀， 使管内水银柱的长度 发生明显的变化。人体温度的变化一般在 35C到42C之间，所以体温计的刻度 通常是35C到42C,而且每度的范围又分成为10分，因此体温计可精确到1/10 度。体温计的下部靠近液泡处的管颈是一个很狭窄的曲颈， 在测体温时， 液泡内 的水银，受热体积膨胀， 水银可由颈局部上升到管内某位置， 当与体温到达热平 衡时，水银柱恒定。当体温计离开人体后，外界气温较低，水银遇冷体积收缩， 就在狭窄的曲颈局

22、部断开， 使已升入管内的局部水银退不回来， 仍保持水银柱在 与人体接触时所到达的高度。 体温计是一种最高温度计， 它可以记录这温度计所 曾测定的最高温度。用后的体温计应“回表，即拿着体温计的上部用力往下猛 甩，可使已升入管内的水银，重新回到液泡里。其他温度计绝对不能甩动，这是 体温计与其他液体温度计的一个主要区别。【温差电偶温度计 】利用温差电偶来测量温度的温度计。 将两种不同金属导 体的两端分别连接起来，构成一个闭合回路，一端加热，另一端冷却，那么两个接 触点之间由于温度不同， 将产生电动势， 导体中会有电流发生。 因为这种温差电 动势是两个接触点温度差的函数， 所以利用这一特性制成温度计。

23、 假设在温差电 偶的回路里再接入一种或几种不同金属的导线， 所接入的导线与接触点的温度都 是均匀的， 对原电动势并无影响， 通过测量温差电动势来求被测的温度， 这样就 构成了温差电偶温度计。 这种温度计测温范围很大。 例如， 铜和康铜构成的温差 电偶的测温范围在200400C之间；铁和康铜那么被使用在2001000C之间；由 铂和铂铑合金铑 10构成的温差电偶测温可达千摄氏度以上；铱和铱铑铑50%可用在2300C ;假设用钨和钼钼25%那么可高达2600C。【分子物理学 】物理学的一个学科。 分子物理学从物质的微观结构的观点出 发，研究气体、液体和固体的根本性质及其热现象的规律。如物体的体积，

24、压强 和温度之间的关系；物质的比热容；扩散、热传递、粘滞性等输运过程以及液体 的表层性质，相平衡以及简单的相变过程。【分子运动论 】分子运动论是从物质的微观结构出发来阐述热现象规律的理 论，例如它说明了气体的温度是分子平均平动动能大小的标志， 大量气体分子对 容器器壁的碰撞而产生对容器壁的压强。 此外，它还初步揭示了气体的扩散， 热 传递和粘滞现象的本质， 并解释了许多气体实验定律， 分子运动论的成就促进了 统计物理学的进一步开展。【分子 】由化学键结合起来的单个原子或一组原子， 它是物质中能独立存在 并保持该物质一切化学性质的最小单位。 例如，水分子是由两个氢原子和一个氧 原子组成的H20。

25、像氯化钠那样的离子化合物并无明显的分子结构。氯化钠 一般写成NaCI，但氯化钠晶体事实上是由氯离子Cl 和钠离子Nd有规那么 排列。构成物质的单位是多种多样的，或是原子如金属或是离子如盐类 或是分子如有机物。为了简化，在中学物理中，一般把构成物质的单位统称 为分子。用油膜法可以粗略地测定分子的大小。分子直径的数量级是10-10 米。物理学中有各种不同的方法来测定分子的大小。 用不同方法测出的分子的大小并不 完全相同， 但数量级是相符的。 把分子看作小球， 是分子运动论中对分子的简化 模型，实际上，分子有它复杂的内部结构。【阿伏伽德罗常数 】是化学和物理学中的重要常数之一。 1 摩尔简称摩， 国

26、际符号是mol的任何物质，其中含有的粒子数相同。称为“阿伏伽德罗常数 用“ N表示x 1 023 摩尔-1此常数系意大利化学家阿伏伽德罗发现，因而得名。知道阿伏伽德罗常数， 可算出水分子的质量RH2O=3x 10-26千克x 1 023摩尔-1。【阿伏伽德罗定律 】又称“阿伏伽德罗假说。由压强公式和气体分子的平均平动动能与温度的关系，将得到气体压强的另一表达式：P=nKT这一公式说明，在相同的温度T和相同的压强P下，任何气体在相同的体积 内所包含的分子数都相等。 这一结论叫做“阿伏伽德罗定律 。如在标准状态大 气压值为标准大气压，温度 T为273.15K时，任何气体在1米3x 1 025个/米

27、3。 这个数值就称为洛喜密脱常数。 由于 1 摩尔的任何气体所含分子数都相等， 所以 阿伏伽德罗定律也可表述为：在相同的温度和相同的压强下， 1 摩尔的任何气体 所占有的体积都相同。这一定律仅对理想气体才严格正确。【物态】亦称“聚集态。是物质分子集合的状态，是实物存在的形式，在 通常条件下，物质有三种不同的聚集态：固态、液态和气态，即平常所说的物质 三态。固态和液态，统称为凝聚态。它们在一定的条件下可以平衡共存，也可以 相互转变。例如，在一个标准大气压，0C时，冰、水混合物可以平衡共存，当 温度和压强变化时， 该混合物可以完全变成水， 或完全结成冰。 除上述物质三态 外，近年来我们还把“等离子

28、体称为物质的第四态，把存在于地球内部的超高 压、高温状态的物质称为物质的第五态。此外还有超导态和超流态。【固体】凡具有一定体积和形态的物体称为“固体，它是物质存在的根本 状态之一。组成固体的分子之间的距离很小，分子之间的作用力很大，绝大多数 分子只能在平衡位置附近作无规那么振动，所以固体能保持一定的体积和形状。在 受到不太大的外力作用时，其体积和形状改变很小。当撤去外力的作用，能恢复 原状的物体称弹性体，不能完全恢复的称塑性体。构成固体的粒子可以是原子、 离子或分子，这些粒子都有固定的平衡位置。但由于这些粒子的排列方式不同， 固体又可分为两类，即晶体和非晶体。如果粒子的排列具有规那么的几何形状

29、， 在 空间是三维重复排列，这样的物质叫晶体，如金属、食盐、金刚石等。如果组成 固体的粒子杂乱堆积，分布混乱，这样的物质叫非晶体。如玻璃、石蜡、沥青等。 晶体有一定的熔点，而非晶体却没有固定的熔解温度。非晶体的熔解和凝固过程 是随温度的改变而逐渐完成的。它的固态和液态之间没有明显的界限。【液体】液体的分子结构介于固体与气体之间， 它有一定的体积，却没有一 定的形状。液体的形状决定于容器的形状。在外力作用下，液体被压缩性小，不 易改变其体积，但流动性较大。由于受重力的作用，液面呈水平面，即和重力相 垂直的外表。从微观结构来看，液体分子之间的距离要比气体分子之间的距离小 得多，所以液体分子彼此之间

30、是受分子力约束的，在一般情况下分子不容易逃逸。 液体分子一般只在平衡位置附近作无规那么振动，在振动过程中各分子的能量将发 生变化。当某些分子的能量大到一定程度时，将作相对的移动改变它的平衡位置， 所以液体具有流动性。液体在任何温度下都能蒸发，假设加热到沸点时迅速变为 气体。假设将液体冷却，那么在凝固点凝结为固体晶体或逐渐失去流动性。【气体】是物质三种聚集状态之一。气体分子间的距离很大，分子间的相互 作用力很小，彼此之间不能约束，所以气体分子的运动速度较快，因此它的体积 和形状都随着容器而改变。气体分子都在作无规那么的热运动，在它们之间没有发 生碰撞或碰撞器壁之前，气体分子作匀速直线运动，只有在

31、彼此之间发生碰 撞时，才改变运动的方向和运动速度的大小。由于和器壁碰撞而产生压强，因此 温度越高、分子运动越剧烈，压强就越大。又因为气体分子间的距离远远大于分 子本身的体积，所以气体的密度较小，且很容易被压缩。任何气体都可以用降低 温度或在临界温度以下压缩气体体积的方法使它变为液体。所以，对一定量的气体而言，它既没有一定的体积，也没有一定的形状，它总是充满盛它的容器。根 据阿伏伽德罗定律，各种气体在相同的温度和压强下，在相同的体积里所包含的 分子数都相同。【晶体】具有规那么几何形状的固体。其内部结构中的原子、离子或分子都在 空间呈有规那么的三维重复排列而组成一定型式的晶格。这种排列称为晶体结构

32、。 晶体点阵是晶体粒子所在位置的点在空间的排列。相应地在外形上表现为一定形 状的几何多面体，这是它的宏观特性。同一种晶体的外形不完全一样，但却有共 同的特点。各相应晶面间的夹角恒定不变，这条规律称为晶面角守恒定律，它是 晶体学中重要的定律之一，是鉴别各种矿石的依据。晶体的一个根本特性是各向 异性，即在各个不同的方向上具有不同的物理性质，如力学性质硬度、弹性模 量等等、热学性质热膨胀系数、导热系数等等、电学性质介电常数、电 阻率等等光学性质吸收系数、折射率等等。例如，外力作用在云母的结晶 薄片上，沿平行于薄片的平面很容易裂开， 但在薄片上裂开那么非易事。岩盐那么容 易裂成立方体。这种易于劈裂的平

33、面称为解理面。在云母片上涂层薄石蜡，用烧 热的钢针触云母片的反面， 便会以接触点为中心， 逐渐化成椭圆形， 说明云母在 不同方向上导热系数不同。 晶体的热膨胀也具各向异性， 如石墨加热时沿某些方 向膨胀，沿另一些方向收缩。 晶体的另一根本特点是有一定的熔点， 不同的晶体 有它不相同的熔点。且在熔解过程中温度保持不变。对晶体微观结构的认识是随生产和科学的开展而逐渐深入的。 1860 年就有 人设想晶体是由原子规那么排列而成的，1912年劳埃用X射线衍射现象证实这一 假设。现在已能用电子显微镜对晶体内部结构进行观察和照相， 更有力地证明假 想的正确性。【非晶体】指组成它的原子或离子不是作有规律排列

34、的固态物质。如玻璃、 松脂、沥青、橡胶、塑料、人造丝等都是非晶体。从本质上说，非晶体是粘滞性 很大的液体。 解理面的存在说明晶体在不同方向上具有不同的力学性质， 非晶体 破碎时因各向同性而没有解理面， 例如， 玻璃碎片的形状就是任意的。 假设在玻 璃上涂一薄层石蜡， 用烧热的钢针触及反面， 那么以触点为中心， 将见到熔化的石 蜡成圆形。这说明导热系数相同。非晶体没有固定的熔点，随着温度升高，物质 首先变软， 然后由稠逐渐变稀， 成为流体。具有一定的熔点是一切晶体的宏观特 性，也是晶体和非晶体的主要区别。晶体和非晶体之间是可以转化的。 许多物质存在的形式， 可能是晶体， 也可 能是非晶体。 将水

35、晶熔化后使其冷却， 即成非晶体的石英玻璃， 它的转化过程需 要一定的条件。【各向同性 】亦称均质性。 物理性质不随量度方向变化的特性。 即沿物体不 同方向所测得的性能，显示出同样的数值。如所有的气体、液体液晶除外以 及非晶质物质都显示各向同性。 例如，金属和岩石虽然没有规那么的几何外形， 各 方向的物理性质也都相同， 但因为它们是由许多晶粒构成的， 实质上它们是晶体， 也具有一定的熔点。 由于晶粒在空间方位上排列是无规那么的， 所以金属的整体表 现出各向同性。【各向异性 】亦称非均质性。 物理性质随量度的方向而变化的通性， 称为各 向异性。各向异性是晶体的重要特征之一。 即在各个不同的方向上具

36、有不同的物 理性质，如力学、热学、电学、光学性质等。参见“晶体条。【多晶体】由许多晶体称为晶料构成的物体，称多晶体。一块晶体是由 许多小的晶粒聚合起来组成的。 每一晶粒又由许多原子构成。 原子在每一晶粒中 作有规那么的整齐排列， 各个晶粒中原子的排列方式都是相同的。 但是在一块晶体 中，各个晶粒的取向彼此不同， 晶粒与晶粒之间并没有按照一定的规那么排列。 尽 管每个晶粒内部原子排列很整齐，但由于一块晶体内部各个晶粒的排列不规那么， 总的来看是杂乱无章的， 这样的多晶体不能用来制造晶体管。 例如多晶硅可用来 拉制单晶，称为单晶硅。掺有特定微量杂质的单晶硅，可制成大功率晶体管、整 流器及太阳能电池

37、等。【单晶体】简称“单晶。单个晶体构成的物体。在单晶体中所有晶胞均呈 相同的位向。单晶体具有各向异性。自然界存在的单晶，如金刚石的晶体等。亦 可由人工将多晶体拉制成单晶体，如电子器件中所用的锗及硅的单晶体。【解理面】晶体中易于劈裂的平面称为“解理面。凡显露在晶体外表的晶 面往往是一些解理面。 例如，云母结晶薄片， 在外力作用下很容易沿平行于薄片 的平面裂开， 石膏也容易沿一定方向裂成薄片， 岩盐那么容易裂成立方体。 解理面 的存在，说明晶体在不同方向上具有不同的力学性质。 非晶体破碎时因各向同性 而没有解理面，例如，玻璃碎片形状就是完全任意的。【结合力】晶体中粒子之间存在着相互作用力，这种力称

38、为“结合力。这 种力使粒子规那么地聚集在一起形成空间点阵， 使晶体具有弹性、 具有确定的熔点 和熔解热， 决定晶体的热膨胀系数等等。 因此结合力是决定晶体性质的一个主要 因素。可从四种典型的结合力离子键、共价键、范德瓦耳斯键和金属键的本 质和有关结合力的规律来进一步探讨。【离子键 】将正、负离子结合在一起的静电力，称为“离子键。由离子键 的作用而组成的晶体，称为离子晶体。最典型的离子晶体是NaCI。由于离子键的作用强，因此离子晶体具有高的熔点，低的挥发性和大的压缩模量。【共价键】因共有电子而产生的结合力称为“共价键。例如氢分子就是氢 原子靠共价键而形成的。 完全由负电性元素组成晶体时， 粒子之

39、间的结合力就是 共价键。由共价键的作用而组成的晶体称为原子晶体，例如，金刚石和金刚砂SiC为典型的原子晶体。由于共价键的作用强，所以原子晶体硬度大、熔点高、导电性差、挥发性慢。例如，硅、锗、碲这些半导体中的重要材料都是原子 晶体。【金属键】正离子与自由电子的总体之间的作用力使各粒子结合在一起， 这 种结合力称为“金属键。这种结合的特点是电子的“共有化。在结合时，原 来分属各自原子的价电子不再被束缚于其本身，而为所有“原子实所共有。于 是共有化电子形成的负电子云和浸在这个负电子云中的带正电的原子实之间出 现库仑作用，原子越紧密，势能越低，从而把原子聚合在一起。由金属键的作用 而组成的晶体叫金属晶

40、体， 简称金属。 因此金属可以具有较高的熔点， 高硬度和 低挥发性，还具有导电、导热性能好和金属光泽，以及较大的范性。【结合能 】分散的原子离子或分子在结合成稳定晶体的过程中，所释放 出来的能量称为“结合能。如以En表示组成晶体的N个原子在自由时的总能量， E0为晶体的总能量，那么结合能E6可表示为E6=EN-E 0虽然四种化学键的性质不同， 起源不同， 但具有共同的特征即： 排斥力和吸 引力两局部。结合能也有排斥和吸引两局部，并与 r 有关。例如，在范德瓦尔斯 键和离子键的情况下， 整个晶体的相互作用能与气体分子间的势能相似， 可写成iA亠式中叢示斥力所引起的相互作用能，-仝 皿匕表示引力所

41、引起的相互作用能，r是两相邻粒子间的距离。由于排斥能随距离的变化比吸引能迅速，因而mn。A An、m n的大小由晶体的结构和作用力的性质所决定。【分子力】组成物体的分子间在距离相当近时所显示的相互作用力。 这种相 互作用在分子间距r v 10-8米时才显示出来。当分子间距r v 10-10米时，分子之间 表现为斥力，而当分子间距处于10-8米r 10-10米的范围内，分子之间又表现为 引力。如图2-1所示。当r v ro ro约为10-10米左右时，两分子之间的引力和斥力将随距离的缩 小而迅速增大，引力比斥力增长慢，总的表现是斥力。当r ro时，两分子间的斥力和引力都随距离的增大而减小，但引力

42、减小得慢，总的表现出是一种引力。 当r=ro时，两分子之间的引力和斥力相等，作用的合力为零。分子间的作用同时 存在引力和斥力，由于这两个力随分子间距离变化的情况不同，所表现出来的合力有时为引力，有时为斥力，有时为零。分子力的本质相当复杂，它与分子的电 性结构有密切关系。对于气体，在一般条件下，分子之间的距离较大，其分子力 是微缺乏道的，可以忽略。但在低温、高压情况下，分子力不能忽略。固体和液 体分子聚集的主要因素是分子力，使它们有一系列不同于气体的性质。此外，分 子之间的作用力在不同的情况下表现的形式是不同的。有时表现为“内聚力， 有时表现为“附着力。【内聚力】是在同种物质内部相邻各局部之间的

43、相互吸引力，这种相互吸引力是同种物质分子之间存在分子力的表现。只有在各分子十分接近时小于10-6厘米才显示出来。内聚力能使物质聚集成液体或固体。 特别是在与固体接触的 液体附着层中，由于内聚力与附着力相对大小的不同， 致使液体浸润固体或不浸 润固体。【附着力 】是在两种不同物质的接触处所发生的相互吸引力。 这种相互吸引 力是两种物质分子之间存在分子力的表现。只有在这两种物质的分子十分接近 小于 10-8 米时才显示出来。从微观角度来看固体外表总是“粗糙的，所以 两固体接触时很难显示附着力的作用。 液体与固体那么能密切接触， 它们之间就容 易显示附着力的作用。 液体浸润固体的现象， 就是附着力发

44、生作用的结果。 总之 附着力和内聚力都来源于分子之间的作用力， 但不能把分子之间的作用力称为附 着力或内聚力， 因附着力和内聚力是指物质各局部间的相互作用， 并不是指某几 个分子之间的相互作用。【外表张力 】液体外表分子间的吸引力。 即液体外表的分子有一种使其面积 缩成最小的力，或称一种抵抗外表积扩张的力，此力称“外表张力。液体外表 是指液体与空气或其他液体相接触的自由面。 假设不指明， 即可认为相对于空气 而言。外表张力的大小与接触面的物质有密切关系。 此外， 外表张力还与温度有 关，温度越高，外表张力越小。外表张力的方向总是与液面相切，与分界线相垂 直。假设在液面作一长为 L 的直线， 将

45、液面分成两局部， 这两局部之间的相互牵 引力为F,那么外表张力F= c L。其中c为液体外表张力系数。外表张力的单位为 牛顿/ 米。由于外表张力的作用，液滴外表有收缩到最小的趋势，而使液滴成近 似球形的状态。【液体的外表层 】液体自由面以下厚度等于分子力作用半径的一层液体层， 叫做“液体外表层。从微观角度来看，液体外表并不是一个几何面，而是有一 定厚度的薄层。 由于外表层内的分子力作用， 使分子都受到一个与液体自由面相 垂直、方向指向液体内部的作用力。 外表张力就是由外表层中应力的各向异性所 引起的。【液体的附着层 】设液体分子的分子力作用半径为 r ，固体分子的分子力作 用半径为I ,当液体

46、与固体接触时，在界面处液体一侧厚度等于r当r l时， 或等于I当I r时的一层液体层，叫做液体的附着层。在附着层中的液体 分子，是处于液体与固体两种物质分子的分子力相互作用下， 于是在与固体接触 处的液面将出现浸润、不浸润、弯月面以及毛细现象等。【浸润现象 】亦称润湿现象。 当液体与固体接触时， 液体的附着层将沿固体 外表延伸。当接触角B为锐角时，液体润湿固体，假设B为零时，液体将展延到 全部固体外表上，这种现象叫做“浸润现象。如图 2-2a 、b 所示。润湿现象的 产生与液体和固体的性质有关。 同一种液体， 能润湿某些固体的外表， 但对另外 某些固体的外表就很难润湿。例如，水能润湿玻璃，但不

47、能润湿石蜡。造成浸润 现象的原因，可从能量的观点来说明。如图 2-3所示。A为附着层中任一分子， 在附着力大于内聚力的情况下，分子 A所受的合力与附着层相垂直，指向固体， 此时，分子在附着层内比在液体内部具有较小的势能， 液体分子要尽量挤入附着 层，结果使附着层扩展。附着层中的液体分子越多，系统的能量就越低，状态也 就越稳定。因此引起了附着层沿固体外表延展而将固体润湿。0【不浸润现象】亦称不润湿现象。当液体与固体接触时，液体的附着层将沿 固体外表收缩。当接触角B为钝角时，液体不润湿固体，假设B=冗时，液体完全不润湿固体。这种现象称为液体不浸润现象。如图2-4a、b所示。不润湿现象的产生与液体和固体性质有关。同一种液体，能润湿某些固体的外表，但不能润 湿另一些固体的外表。例如，水银不能润湿玻璃，却能润湿干净的锌板、铜板、 铁板。造成不浸润现象的原因，可从能量的观点来说明。三一_一社三T G附T2时，液晶就变成普通的透明液体，失去上述的光学性质，称为“各 向同性液。只有在这个温度范围内，物质才处于液晶态，