分子势能与体积的关系 [《水结成冰后体积膨胀为什么分子势能反而变大》一文的观点值得商榷]

时间：2019-05-24 03:29:07　来源：柠檬阅读网本文已影响人

　　贵刊2010年第10期P55曾庆武和陈洪运二位老师的《水结成冰后体积膨胀为什么分子势能反而变大》一文，首先文章的题目中分子势能反而变大应改为分子势能反而减小，其次作者在文中解释了水结成冰后体积膨胀为什么分子势能反而减小的原因，笔者认为也存在问题，其原文解释如下：
　　处在地球表面的水，不是处于自由状态，而是一定会受到重力的作用，在重力作用下，水分子之间的距离不是平衡，而是比平衡距离要小，此时分子间的作用力不是不是零，而是表现为斥力，当水结成冰时水分子之间的距离增大，分子力做正功，分子势能减小，所以冰分子势能小。
　　笔者认为这种解释是错误的，首先文章作者的解释不能应用于其他事例，例如所有物质从液态变成固态，分子势能都是减小的，这些物质都受重力，但是大多数物质由液态变成固态体积是减小的，这与作者的解释是矛盾的其次，水和冰的分子平衡距离是不一样的，而作者好像混淆了这两个概念。
　　其实水比较特殊，不仅水变成冰体积会增大，而且4℃的体积最小，那么如何对这个问题进行分析呢，笔者有如下观点：
　　先从固态的冰(0℃)说起：一定质量的冰处于固体状态(0℃)时，全部水分子缔合在一起形成四面体结构，其中有较大的空隙，故密度较小，体积较大，将冰加热熔化成水时，缔合水分子中的一些氢键断裂，体积减小，由于克服结合力做功要消耗一部分能量，所以分子之间势能增加，实际上，0℃的水中大约只有15％的氢键断裂，水中仍然存在约85％的大的缔合水分子，若继续加热0℃的水，随着水温度的升高(约0℃～4℃)，大的缔合水分子逐渐变为小的缔合水分子或单个水分子，这时缔合水分子分解时仍然要克服结合力做功，因而分子间总势能还要增加，这些小的缔合水分子或单个水分子，受氢键的影响较小，可以任意排列和运动，不能形成“透空”结构，所以水的总体积减小，但随着温度的继续升高(大于4℃)，水分子的热运动加快，使得单个分子之间的平均距离加大，体积增大，分子势能也增加(此时分子势能的变化与物体热胀冷缩时的原理相同)。
　　总体上说，一定质量的物体(固态或液态)温度减低时无论体积如何变化，其分子势能都是减小的，我们不能简单地从固体或液体的体积变化上判断分子的势能是增加还是减小，而应该从体积变化的原因上去分析，才能抓住问题的本质。

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