5-2 分子热运动和统计规律

一、分子的热运动、分子力

事实表明,常见的宏观物体—气体、液体、固体等都是由大量分子或原子组成的。实验证明,1mol任何物质中所含的分子(或原子、离子)数都是相同的,其值为这就是阿伏伽德罗常数。分子直径(或线度)的数量级约为10-10m;分子的质量很小,如氢分子的质量为0.332×10-26kg,氧分子的质量为5.31×10-26kg。1.物体的分子在永不停息地作无序热运动人们在较远的地方能闻到物体发出的气味,一滴墨水滴入水中会慢慢地扩散开来,这类现象说明了气体、液体中的分子在永不停息地运动着。固体中也会发生扩散现象,把两块不同的金属紧压在一起,经过较长时间后,会在每块金属接触面的内部发现另一种金属的成分。总之,一切物体中的分子都在永不停息地运动着,大量分子的无规则运动叫做分子的热运动。布朗(R.Brown)在1827年用显微镜观察到,浮悬在水中的植物颗粒(如花粉等)不停地在作纷乱的无定向运动(见图5.2),这就是所谓的布朗运动。布朗运动是由杂乱运动的液体分子碰撞植物颗粒引起的,它虽不是液体分子本身的热运动,却如实地反映了液体分子热运动的情况。液体的温度愈高,这种布朗运动就愈剧烈。2.分子力分子只有相互接近到一定距离(约10-9m)时,引力才会发生。分子间的引力和斥力统称为分子力,分子力与分子间距离r的关系如图5.3所示。当r<r0(约10-10

m)时,分子力表现为斥力,并且斥力的大子力为零小;随而rr0小而时,急剧增大分子力表。当现r引0时力。,分当r>10-9m时,分子力就可以忽略不计了。

分子力的作用会使分子聚集在一起,甚至形成某种有规律的空间分布,称为分子的有序排列。而分子的热运动将破坏这种有序排列,使分子趋于分散。事实上,物质在不同温度下之所以表现为各种不同的聚集态,是由这两种对立的作用决定的。温度较低时,分子热运动不够剧烈,分子在分子力的作用下被束缚在各自的平衡位置附近作微小振动,这时便表现为固态。温度升高,分子热运动剧烈到一定程度时,分子力已不能把分子束缚在固定位置,但还不至于使其分散远离,这时表现为液态。温度继续升高,分子热运动更加剧烈,这时分子不但没有固定位置而且也不能维持一定的距离,从而分散远离,并且分子的运动近似于自由运动,这时表现为气态。一、分子热运动的无序性及统计规律性

分子热运动的基本特征是分子的永恒运动和频繁地相互碰撞。显然,具有这种特征的分子热运动是一种比较复杂的物质运动形式,它与物质的机械运动有本质上的区别。因此,不能简单地用力学方法来解决。在大量分子中,每个分子的运动状态和经历(状态变化的历程)和其它分子都有显著的差别,这些都说明了分子热运动的混乱性或无序性。

如图5.4所示,有一块竖直平板,上部钉上一排排等间隔的铁钉,下部用隔板隔成等宽的狭槽,板顶装有漏斗形入口,小球可通过此入口落入狭槽内。这个装置称为伽尔顿板。

若在入口处投入一个小球,小球在下落过程中将与一些铁钉发生碰撞,最后落入某一槽中。再投入另一小球,它落入槽中的位置与前者可能完全不相同。这说明,小球从入口处下落后,与哪些铁钉相碰撞以及落入哪个槽中完全是偶然的。但是,如果把很多小球从入口中投入,可以发现落入中间狭槽的小球较多,而落入两端狭槽的小球则较少,出现如图5.4所示的有规律的分布