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分子势能

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分子势能的概念

分子势能概念:分子势能是分子间由于存在相互的作用力,从而具有的与其相对位置有关的一种势能。

微观领域,我们高中物理研究的分子势能仅仅局限在两个分子间势能问题上。分子势能与分子间距离关系,是高考物理的常考点。

分子势能与内能

分子势能是内能的重要组成部分。我们先来复习内能的定义:

内能是组成物体分子的无规则热运动动能和分子间相互作用势能的总和。

物体的内能,并不包括这个物体宏观机械运动时的动能、重力势能、弹性势能等。

分子势能与分子力做功

分子势能是势能中的一种,与重力做功与重力势能变化关系类似,也满足分子力做功与分子势能变化的关系。

简单来说,就是分子力做正功,分子势能减小;反之增加。

下面,笔者来进一步从分子力做功,的角度分析分子势能的变化情况。请同学们借助下方图像理解。

(1)当分子间的距离小于r0时,随着分子间距离的减小,表现的是斥力,此过程分子力做负功,分子势能增大;

(2)当分子间的距离大于r0时,随着分子间距离的增大,表现的是引力,此过程分子力做负功,分子势能也增大;

(3)当分子间的距离等于r0时,分子的势能最小。这一条,请同学们借助上面两条来理解。

分子势能与分子间距离关系

对两个分子而言,其分子势能满足下图曲线(规定无穷远处势能为零势能面):

分子势能

上式中的r0是分子斥力与引力相等的那一点,或者说这一点两个分子之间斥力、引力的合力为零。

图像所描述的变化关系,与上述分子力做功与分子势能变化关系的分析是一致的。

注意:这张图与分子间距离与分子力关系图相似,却有很大的不同,同学们借助下图来对照理解。

 

同学们可以借助高中物理选修3-3教材中的弹簧模型来对比理解。

分子势能Ep大小取决于物体的体积和状态。要注意不能简单地理解分子势能与物体的体积存在正比或反比的关系。

理想气体的分子势能

理想气体的分子势能不需要考虑,即认为理想气体的分子势能为零。理想气体状态方程这篇文章中有详细的介绍。

为何理想气体不需要考虑分子势能呢?还是请同学们借助上面的分子势能与分子间距离图像来理解。我们认为10r0处的分子力、引力势能都非常小了,接近于零。

而理想气体的分子间距离,要大于10r0。因为我们对理想气体的研究,认为其内能大小就等于其所有分子的分子动能之和;与分子势能无关了。

分子势能趋于稳定态

从力学知识中我们知道,一个物体所处的位置越低,势能就越小。

生活常识又告诉我们,物体的重心越低,就越稳定。

因此,物体处于越稳定的状态,物体(实际上是物体与地球所构成的系统)所具有的势能就越小。分子之间的相互作用亦是如此。

处于固态物质的分子形成空间点阵,分子不能自由移动,只能在自己的平衡位置上振动,与液态的分子相比处于更加稳定的状态。

因此,物质处于固态时,分子之间相互作用的势能较小。

在熔化过程中,一般来说,分子由较稳定的状态变成较不稳定的状态,因此分子之间相互作用的势能增加。

参考文献

高中物理选修3-3内容概要http://phy8.com/zongjie/x33/481813.html

分子动理论内容http://phy8.com/zongjie/x33/468207.html

温度http://phy8.com/zongjie/x33/468215.html

阿伏伽德罗常数http://phy8.com/zongjie/x34/481807.html

物体内能和什么有关http://blog.phy8.com/38763

分子势能与分子力http://blog.teacherws.com/wen/13450.html

分子能量都有哪些http://blog.phy8.com/40899

(文/王尚;笔者系高中物理吧力学组主编。)

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