I12 物质由原子组成 2

I12 物质由原子组成 2

我们研探究一下水蒸汽（及其他任何气体）一些性质。气体中的分子在彼此分开的情况下，会与容器壁相撞。想象一下，一个房间里有百多个网球，在不停的运动和相互碰撞中，当它们与墙壁相撞时，会把墙壁向房间外推。同样气体中的不同分子在不同时间会撞击容器壁，我们的感觉是感到来自所有分子的平均推力。为了把气体限制在一定的空间里，我们必须施加相应的压力。图1显示了一个用来装气体的标准容器（所有教科书中都用这个），一个里面有活塞的圆柱体形罐子。现在，水分子的形状并不重要，为了简单起见，我们将它们画成网球的样子。这些球都在各个方向上在不停地运动，一直都有许多在撞击顶部的活塞，为了防止活塞被这种连续的撞击从油箱中撞出，我们必须用一定的力来压住活塞，这我们称为压强（实际上，压强乘以面积就是压力）。很明显，压力与面积成正比，因为如果我们增加活塞的面积，但保持每立方厘米中分子的数量不变，我们就在以与面积增加相同的比例增加了容器内分子与活塞碰撞的次数。

现在我们把两倍数量的分子放在这个罐子里，使气体中分子的密度加倍，并且分子具有的速度不变（即气体的温度不变）。这样，原则上碰撞的次数会增加一倍，而且由于每次碰撞都有跟以前一样的力度，所以压力与原子的密度成正比。如果我们考虑原子间的作用力，我们会想到由于原子之间的相互吸引力，压力会略有下降，而由于所有原子被限制在有限的体积中，原子间的相互排斥会使压力略有增加。然而，如果密度足够低，即原子不多，原则上压力与密度成正比。

我们再看看另一种情况：如果我们只提高温度而不改变气体的密度，也就是说，我们只提高原子的速度，压力会怎样？原子的撞击会更有力度，因为它们的运动速度更大，还有，它们撞击的频率会更高，所以压力会增加。（你看，原子理论多么简单。）

现在我们考虑另一种情况。假设活塞向内移动，使原子慢慢压缩到一个较小的空间中。当原子撞击移动的活塞时会发生什么？很明显，这种撞击使原子的速度增大。例如，你可以尝试往向前移动的球拍上弹一个乒乓球，你会发现它的速度比击中球拍前更快。（极端的例子：如果一个原子静止不动，活塞碰到它，它肯定会移动。）因此，当原子离开活塞时，它们比撞击活塞前“更热”。因此，容器中的所有原子都会加快速度。这意味着当我们缓慢压缩气体时，气体的温度会升高。因此，在缓慢的压缩下，气体的温度会升高，而在缓慢的膨胀下，气体的温度会降低。

我们现在回到我们的那一滴水上，假设我们降低这滴水的温度。即水中原子的热抖动在稳步下降。我们知道原子之间有吸引力，这样过一段时间它们就不能像以前那样抖动了，这件事发生在温度非常低的时候，图2显示了这个情况：水分子相互连接形成了一种叫做“冰”的新的态。（这张图是二维的，这一点不准确，但是。但是他定性地描述了水中分子的结构）关于冰有一件有趣的事，就是这种材料中每一个原子都有一个一定的位置，如果我将在冰中一端的所有原子保持在一定的位置，那么由于相互连接的结构是一定的，我们能够预见到在另一端的所有原子的位置。因此，如果我们拿住一根冰棒的一端，我们不可能把冰棒另一端从属于它的位置推开，这与水的情况不同，在水的情况下，在水中由于热抖动的增加，结构会被破坏，原子会以不同的方式四处移动。固体和液体之间的区别在于，在固体中，原子排列在某种阵列中，称为晶体阵列，并且它们的位置在长距离之外也不是任意的: 晶体一侧原子的位置在晶体另一侧数百万原子之外的其他原子的位置确定时就已经确定了。图2是一个模拟的冰的晶格排列（尽管它包含了冰的排列很多正确特征，它并不是真准确的排列），其中一个正确的特征是对称性中包括有六角形对称。也就是说，如果我们把图片绕某个轴旋转60°，图面又回到了它原来的样子。冰的这种对称性是雪花的六角形外观的起源。我们可以从图2中看到的另一件事是: 为什么冰在融化时会收缩。这里展示的冰的这种晶格排列中有许多“洞”，真正的冰结构也是如此，当冰结构融化时，这些洞会被原子占据。除了水和活字合金外，大多数基本的物质在熔化时都会膨胀，因为在固体晶体中原子紧密地排列在一起，在熔化时原子需要更多热运动的空间，但“洞”多的结构会收缩，像冰。

尽管冰有一种“很硬”的晶体形式，它的温度会变化，也就是说，冰有热量。如果我们愿意，我们可以改变它的热量。冰的热量是多少：冰中的原子不是静止不动的，它们在热抖动。因此，即使晶体有一个确定的原子排列，所有的原子也都在“原地附近”抖动。当我们提高温度时，它们的热抖动幅度越来越大，直到它们抖动离开原位，我们管这叫融化。当我们降低温度时，热抖动会不断减小，直到在绝对零度时，原子有最小的抖动量，但不是零。对一般物质来说，原子的最小抖动量不足以熔化它，只有一个例外：氦。氦在温度降低时也尽可能地减低原子的抖动，但即使在绝对零度下，仍有足够的热抖动使其免于冻结。氦，即使在绝对零度下，也不会冻结，除非环境压力大到使原子挤压在一起。即：如果我们增加压力，我们可以使它固化。