水结成冰后体积膨胀为什么分子势能反而变大VIP专享VIP免费

《水结成冰后体积膨胀为什么分子势能反而变大》的再分析分类：课题研究2012-04-2020:27阅读(50)评论(0)此文发表于核心期刊《中学物理》《水结成冰后体积膨胀为什么分子势能反而变大》的再分析王志刚（江苏省华罗庚中学江苏金坛213200）贵刊2010年10月第28卷第19期P55曾庆武、陈洪运老师的《水结成冰后体积膨胀为什么分子势能反而变大》一文为大家剖析了一道人教版高中物理3-3第七章《分子动理论》中的题目。这道关于分子势能大小判定的题目一直沿用至今，学生中始终存在争议。现将该题呈现如下：题：质量相同的0的水和0的冰，它们之间的异同是分子数相同，分子平均动能相同，冰分子的分子势能大分子数不同，分子平均动能相同，分子势能不相同分子数相同，分子平均动能相同，水分子的分子势能大分子数不相同，分子平均动能不相同，分子势能相同对于这道题目，现在学生的争议主要集中在选项A和选项C之间，这与两位老师的结论是一样的。只是两位老师在后面的分析中有三处说法值得商酌：第一处：该文认为学生的选A与选C的两种判定依据都是正确的，但是在问题剖析中，又指出了选择A选项的判定依据与事实不符。两位老师认为真实的情况是这样的：“事实上，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，此时分子之间的作用力不是零，而是表现为斥力”。这种说法作为选项A的判定依据存在错误来讲并不准确。重力是大量分子的宏观受力，研究对象自然是大量的分子整体，而分子间的作用力是个别分子的微观受力，研究对象自然是某个分子个体，两者不可以直接比照，要对比应该有相同的研究对象，是宏观受力对象就应该都为宏观研究对象，是微观受力对象也应该都为微观研究对象，不过液态水分子之间和固态冰分子之间的作用力与分子间距的关系已经超过了高中学生的知识范畴。实际上，从受力角度来分析水结成冰或者是冰化成水的分子势能变化是很繁琐的，对于绝大多数高中学生而言是难以掌握的，因为这一过程必须对两种分子的距离变化以及分子间作用力随距离如何变化的情况有清晰的认识。从微观角度来看，冰熔化成水实际上是晶体结构破坏的过程。高中化学的知识就指出，稳定的晶体结构对应于势能最小的状态。如果要破坏这种稳定的结构就需要消耗能量，但同时必定增加分子势能。另外，冰化成水的过程中，分子间的作用力由于物态变化而增大，使得物质体积减小，这是分子势能减小的过程，只不过这个过程与破坏晶体结构而增加的分子势能的过程相比是微不足道的。第二处：该文在分析选项C的论据时说道：“当水结成冰时，要放出能量，这样水的内能要大于冰的内能，所以水的分子势能大于冰的分子势能，选C”。这段被两位老师认可的判断过程也没有分析完整，缺少物态变化时外界做功情况方面的考虑。既然要从能量转化与守恒的角度来分析水结成冰这一过程，就应该以热力学第一定律为依据。根据△U＝Q＋W，当物体发生物态变化时其内能变化的主要因素是吸放热情况，做功是次要因素。因水结成冰需要放热，并且要对外围物体（大气）做功，所以其内能减小。另外在相同温度下，各种物质分子的平均动能都相同，水结成冰的过程分子数没有变化，所以水和冰的分子动能相同，这样就可以自然得出水分子的分子势能大的结论。虽然这一过程中对外界做功很少，甚至完全可以忽略，但是跟学生讲解的时候，必须根据热力学第一定律进行完整的分析，不能对做功这一过程视而不见，这样的分析过程才能被学生认可，才具有完整性。第三处：该文最后的结论是质量相同的0的水和0的冰，它们之间的异同是分子数相同，分子平均动能相同，水分子的分子势能大。但是文章的标题却是水结成冰后分子势能反而变大，出现了严重的失误，可能也是由于对这类问题的分析不透彻造成的。关于这个热学问题，还有另外一种解释。这种解释我们要先从固态的冰（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。所以有人认为“冰熔化时吸收的能量是用来破坏氢键、瓦解四面体结构的”。这种理解没有...