1 kg 0℃ 的冰熔化成 1 kg0℃ 的水后,其内能如何变化?

液体中分子的热运动,是分子的振动和移动的叠加。分子一方面在分子间作用力的作用下,在平衡位置附近振动;另一方面由于液体中分子间间隙比固体略大些。结构也松散些,因此液体分子不会长时间在一个固定的平衡位置上振动,经过一短暂时间后,分子就会转移到另一个平衡位置上振动。或者说。液体中分子的热运动是分子在平衡位置的振动和平衡位置本身还做缓慢的移动这两者的叠加。液体在接近凝固点(熔点)时。其热运动情况与固体很接近,即热运动能基本上由分子在平衡位置附近的振动能所决定。因此,在温度0℃附近,可近似认为 1 kg 0℃ 的冰和 1 kg 0℃ 的水它们所具有的分子动能是相同的。水是极性较强的分子,水分子之间有较强的氢键生成,水分子既可为生成氢键提供H,又能有孤对电子接受H。氢键是水分子间的主要结合力,由于水分子间存在氢键,液体分子问靠氢键能够缔合成分子集团——双分子集团、三分子集团。所以,水中同时存在单分子、双分子集团和三分子集团。在不同的温度下,这几种成分所占比例不同。氢键的键能虽然不大,介于共价键和范德华引力之间,但对物质性质的影响却很大,其原因一方面是由于物质内部趋向于尽可能多的生成氢键以降低体系的能量,即在具备形成氢键条件的固体、液体甚至气体中都尽可能多的生成氢键(可称为形成最多氢键原理);另一方面因为氢键键能小,它的形成和破坏所需要的活化能也小,加上形成氢键的空间条件比较灵活,在物质内部分子间和分子内不断运动变化的条件下,氢键仍能不断地断裂和形成,在物质内部保持一定数量的氢键结合。组成冰的全部水分子通过氢键缔合在一起,成为一个巨大的全体。氧原子排列在四面体的中心及顶角上,氢原子排列在两个氧原子之间,每个氧原子都被四个氢原子所包围,每个水分子周围只能有四个水分子,这是一种很不紧凑的结构,内部具有相当大的空隙.当冰吸收热量而熔化时,一些氢键被破坏,四面体结构被瓦解。水分子就在分子力(表现为范德华引力)的作用下相互趋近,从而比较紧密地堆积在一起.冰熔化时吸收的热量被利用来破坏氢键、瓦解四面体结构(应当指出,冰熔化为水后,只有部分氢键被破坏,四面体结构并没有完全被拆散,液态水中依然有相当数量的氢键)。因此,冰熔化时只是一小部分氢键断裂,随着温度升高,氢键逐渐断裂,需要吸收热量,所以 1 kg 0℃ 的水比 1 kg 0℃ 的冰内能要大,归根结底是由于分子间的相互作用势能增大,此时主要考虑的是打开氢键需要提供较多的能量。

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发布时间:2009/2/24 下午3:39:19  阅读次数:10989

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