分子间作用力、分子势能和内能
分子间作用力、分子势能和内能
分子间作用力、分子势能和内能是物理学中热学的基础概念，它们描述了物质微观结构中的能量状态和相互作用。本文将从分子间作用力、分子动能、分子势能、物体的内能和温度等多个方面进行详细阐述。
分子间的作用力
分子间同时存在引力和斥力，且都随分子间距离的增大而减小，随分子间距离的减小而增大，但斥力变化得较快。
分子动能
- 分子动能是分子热运动所具有的动能。
- 温度是分子热运动的平均动能的标志。
分子势能
- 分子势能的定义：由分子间的相对位置决定的能，在宏观上分子势能与物体体积有关，在微观上与分子间的距离有关。
- 分子势能与分子间距离的关系：分子间的作用力 (F)、分子势能 (E_p) 与分子间距离 (r) 的关系图线如图所示（取无穷远处分子势能 (E_p=0)）。
- 当 (r>r_0) 时，分子间的作用力表现为引力，当 (r) 增大时，分子间的作用力做负功，分子势能增大。
- 当 (r<r_0) 时，分子间的作用力表现为斥力，当 (r) 减小时，分子间的作用力做负功，分子势能增大。
- 当 (r=r_0) 时，分子势能最小。
物体的内能
- 内能：物体中所有分子的热运动动能与分子势能的总和。
- 决定因素：温度、体积和物质的量。
- 物体的内能与物体的位置高低、运动速度大小无关。
- 改变物体内能的两种方式：做功和传热。
温度
- 一切达到热平衡的系统都具有相同的温度。
- 两种温标：摄氏温标和热力学温标。摄氏温度与热力学温度的关系：(T=t+273.15 , K)。
常见误区
- 分子间的引力和斥力都随分子间距离的增大而增大。（×）
- 分子动能指的是由于分子定向移动具有的能。（×）
- 当分子力表现为引力时，分子势能随分子间距离的增大而增大。（√）
- 内能相同的物体，它们的平均分子动能一定相同。（×）
- 若不计分子势能，则质量和温度相同的气氢气和氧气具有相同的内能。（×）
分析物体内能问题的五点提醒
- 内能是对物体的大量分子而言的，不存在某个分子内能的说法。
- 内能的大小与温度、体积、物质的量和物态等因素有关。
- 通过做功或传热可以改变物体的内能。
- 温度是分子平均动能的标志，相同温度的任何物体，分子的平均动能都相同。
- 内能由物体内部分子微观运动状态决定，与物体整体运动情况无关。任何物体都具有内能，恒不为零。
例题解析
例1 关于内能，下列说法正确的是
A. 1克100℃的水的内能等于1克100℃的水蒸气的内能
B. 质量、温度、体积都相等的物体的内能一定相等
C. 内能不同的物体，它们分子热运动的平均动能可能相等
D. 一个木块被举高，组成该木块的所有分子的分子势能都增大
解：1克100℃的水需要吸收热量才能变为1克100℃的水蒸气，故1克100℃的水的内能小于1克100℃的水蒸气的内能，选项A错误；
物体的内能与物质的量、温度、体积等因素有关，质量、温度、体积都相等的物体其物质的量不一定相等，内能不一定相等，选项B错误；
内能不同的物体，其温度可能相等，它们分子热运动的平均动能可能相等，选项C正确；
一个木块被举高，木块的重力势能增大，但木块的分子间距不变，组成该木块的所有分子的分子势能不变，选项D错误。
例2 如图，这是两分子系统的分子势能Ep与两分子间距离r的关系图像，下列说法正确的是
A. 当r＝r1时，分子间的作用力为零
B. 当r＞r1时，分子间的作用力表现为引力
C. 当r由r1变到r2的过程中，分子势能逐渐变大
D. 当r由r1变到r2的过程中，分子间的作用力做正功
解：由图像可知，分子间距离为r2时分子势能最小，此时分子间的距离为平衡距离。r＝r1时两分子之间的距离小于平衡距离，可知r＝r1时分子间的作用力表现为斥力，故A错误；
r2是平衡距离，当r1＜r＜r2时，分子间的作用力表现为斥力，增大分子间距离，分子间作用力做正功，分子势能Ep减小，故B、C错误，D正确。
例3 分子间作用力F与分子间距r的关系如图所示，r＝r1时，F＝0。分子间势能由r决定，规定两分子相距无穷远时分子间的势能为零。若一分子固定于原点O，另一分子从距O点很远处向O点运动，在两分子间距减小到r2的过程中，势能______(填“减小”“不变”或“增大”)；在间距由r2减小到r1的过程中，势能______(填“减小”“不变”或“增大”)；在间距等于r1处，势能_____(填“大于”“等于”或“小于”)零。
解：分子势能与分子间距离变化的关系图像如图所示，两分子间距减小到r2的过程中及由r2减小到r1的过程中，分子间作用力做正功，分子势能减小；在间距等于r1处，分子势能最小，小于零。