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第7节物质的组成
物质是用什么构成的?这个问题可能很早就出现在人们的脑海中。春秋时中国的五行理论,其中有。后来五行成为一种包罗万象的体系,从伦理到中医等等不一而足。古希腊时期,恩培多克勒提出四元素组成万物。后来德谟克利特提出原子论,指出万物是由不可分之物(原子)构成。这是一种构思,缺乏实证。
爱尔兰人波义耳给出了一个可行的定义:元素是一种单纯的物质,不能使用物理或化学方法分解为更简单的物质。后来英国人道尔顿又重新提出了原子论。此时已有大量元素被发现,他认为:元素均由不可再分的微粒组成。这种微粒称为原子。原子在一切化学变化中均保持其不可再分性。这一观点重复了德谟克利特的观点,当然他还提出了一些可验证的推论。部分正确部分错误。不过毕竟是可验证的理论,最终原子理论于二十世纪初广泛接受。
意大利人阿伏伽德罗提出了分子论,认为分子是物质组成的基本单元,而分子是由原子构成。这些原子数量及元素类型决定了分子的性质,最终决定了物质的属性。我们常见的物质存在状态是固态、液态、气态,通常称为固体、液体、气体。这些状态的区别就在于分子之间的关联方式不同。固体:分子保持位置不变,间距很小(与分子大小相比)仅在固定位置附近轻微振动。液体:分子无固定位置,间距相对固体情况要大,但整体还还能保持完整性。气体:分子不仅无固定位置,间距非常大,必须施加外因才能维持(引力或密闭容器)不扩散消失。
无论物体什么状态,其分子都在运动,程度与温度相关。温度越高,运动越快。换而言之,温度就是分子运动平均状况的指标。对于固体而言,当温度越来越高,分子的振动越来越剧烈,维持固体各分子保证自己位置的约束相对越来越弱。某些分子因为振动更剧烈而离开原始位置,则固体开始熔化为液体。液体分子没有固定位置,导致可以流动。但整体还可以保持分子不脱离集团。当温度更高,分子运动更快时,某些液体表面分子速度太快,离开液体表面,脱离了液体整体。当大量液体分子开始离开液体表面,液体开始汽化,成为气体。气体的分子间距太远,相互之间基本没有关联。如果没有约束存在,分子就消失得无影无踪。
前面讨论了液体和气体的压力。在地球表面,比如某块钢板。空气中大量分子快速运动,撞击到钢板。这些撞击的整体效果就是大气压力。同样钢板置于水中,大量水分子撞击效果就是水的压力。可以看到,钢板面积越大,则撞击效果越明显,对应压力就越大。我们通常使用压强来定义压力效果。就是固定受压面积,来测定压力大小。测定的压力就定义为压强。压强=压力/面积。通常的大气压就是指大气压强。
思考:
1温度是分子运动速度的平均指标。那么就存在某些分子运动速度远大于平均速度,某些分子速度远小于平均速度。冬天天寒地冻,在外面晾衣服,衣服上都结冰。但是晾一段时间,衣服还是可以晾干,就是这个原因。同样情况,液体表面的某些分子也可以脱离表面,成为气态分子。如果将液体保持着密闭环境,将气态分子清除,对液体而言,其状态有什么变化?
2热量在不同温度的物体之间传递。实质是分子平均运动速度降低,就意味这热量流失。分子平均运动速度升高,就是吸收热量。注意,只是分子平均运动速度,并不涉及分子数量和分子密集程度问题。前面曾经提到,温度有下限,-27315c,而没有上限。原因就是分子运动速度(正常情况下,宏观规模的运动是有方向的。速度就是某方向上的运动快慢程度,速度概念里面包含了方向因素。在分子级别时,讨论的是大量分子的速度大小,不涉及方向)最低为0,就是完全不运动。无法为负。原理上而运动速度可以任意快,也就是温度没有上限。但实际上速度也有上限,最快不超过光速(爱因斯坦相对论要求。2011年9月22日,意大利格兰萨索国家实验室接收730公里以外的从欧洲核子研究组织发射的中微子束的时候,发现中微子比光子提前607纳秒到达目的地,意味着有超过光速的情况出现。2011年11月17日重复验证。2012年2月报道,有可能是实验误差导致的情况。也就是说超光速尚未证实存在。)。温度定义,如果以温度下限为基准,定义为0度,这就是热力学温度定义,以英国人开尔文的名字命名,使用k来表示。0k=-27315c,0c=27315k。如果让1个分子完全静止,这算不算达到0k呢?
3地球大气离地面85公里至800公里之间称为热层,最高温度可达2000c那么宇航员所穿的宇航服会不会因为热而损坏?
4同质量的冰体积居然比水体积大,是否意味着固态情况下分子距离大于液态呢?事实上冰的分子和水的分子形状不同!虽然组成相同,冰中的水分子像张开翅膀的蝴蝶,而液态
(本章未完,请翻页)水分子则是蝴蝶的翅膀稍稍收拢。同时也说明水分子之间的间距与冰中水分子之间间距没多大差距。
5同体积酒精和同体积水混合,结果体积并没有达到原体积的两倍。表明某种液体的分子间隙过大。而某些液体分子过于稠密,表面看起来不像液体,而像固体。沥青,常用于公路铺设、防水密闭材料、建筑结合剂(注意不是柏油,沥青来自石油,柏油来自煤焦油)。澳大利亚昆士兰大学进行了一项沥青滴漏实验,以表明沥青是液体。用了60年时间滴出8滴。
6地球内部都是液体,中心是金属液体,外层是岩石液体,就表面薄薄一层固体。就因为地壳内部是液体,所以地球的薄壳相当于漂浮在液体上,可以移动。我们所能观察的地球历史,就是外壳漂移和沉浮的历史。
7地球表面山的极限。自从印度次大陆撞上欧亚板块后,青藏高原就开始形成,撞击部位形成了喜马拉雅山脉,持续在上升中。那么山脉是否会持续上升,没有终止呢?地壳下面是岩浆液体,当山太高以后,下面承载的岩石受的重力太大就陷入岩浆中,这时山就无法继续升高。估计地球可以承载的山的高度大约20公里。火星有21公里高的山,是太阳系中最高的山。但火星内部已经冷却,无法再让山增高了。同样情况,冰厚度增加到一定程度,压力使得冰熔点降低,出现湖泊。在南极冰层下大约有140多个湖,其中最大的是沃斯托克湖,在冰下4000米。形成时间超过50万年,面积157万平方公里。
8在显微镜下,可以观察水中的灰尘、花粉粒的运动,从侧面可以得知水分子的运动规律,就是没有规律。这一运动称为布朗运动,以英国人布朗命名。
9液体分子之间有吸引力,维持液体体积不变。造成这种吸引力的因素和原子的类型有密切关系。水内部的分子受到各个方向吸引力,但是表面的水分子只能收到下方的吸引力,造成水分子被拉入水中。最终表面的水分子数量达到最小,无法再被吸入内部。就在水表面就形成一层膜,这次膜具有一定韧性,可以让小动物、昆虫在上面奔跑。这层膜的效果就使用表面张力来等效。
在液体与气体(非液体同一种物质)分界面,大量液体分子进入气体,称为汽化。少量气体分子进入液体,称为溶解。当进入的气体分子数量和重新离开液体的气体分子数量相等时,称为饱和溶解,这时候进入液体的分子数量不再增加。此时一定体积的液体中溶解的气体分子总质量称... -->>
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