單元柒:微觀的角度
一、 粒子的分佈與物質三態 

(一)三態的定義與粒子分佈:

1.大多數的物質在常壓下(一大氣壓下)都擁有三態變化,以粒子的觀點;三種狀態下的粒子分佈並不相同,表現的特徵:如體積、形狀和溫度皆有所不同。
(如表一所示)

(1)【固態】的粒子特性:
粒子間距小、彼此引力強、只能微輻振動較不自由,所以固態物體有【固定的形狀】和【一定的體積】。

(2)【液態】的粒子特性:
粒子間距較固態粒子稍大,能夠自由運動,故液體的【形狀不固定】、但是【體積固定】。

(3)【氣態】的粒子特性:
氣體分子間距最大且非常自由,且氣體的【形狀和體積皆不固定】。

液體和氣體會因容器不同而改變形狀故稱為【流體】。

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2.由表一看出,物質的粒子間距離在不同的狀態下有很大的差別,粒子間的距離大小可歸納為:氣態>液態>氣態

3.固體的粒子有一定的位置且不能大幅度運動,而液體的粒子則無一定的位置且運動幅度較固體為大,而氣體的粒子無論粒子間距或者運動幅度都是三者中最大的。

4.「粒子間的距離」及「粒子運動大小」都與「熱能」有直接的關係,也可以說:物質的三態變化是受到熱能的影響而產生的結果

 

二、 熱對粒子的影響 

(一)熱能與粒子:

1.物質會受熱的影響而產生狀態的變化,以微觀的角度而言,究竟構成物質的粒子在固態、液態和氣態各有何表徵或不同之處?

2.物質皆由微小的粒子所組成,當外界的熱能傳入物質中或者物質本身的熱能流失到外界時;直接對這些粒子產生變化

3.熱是能的一種形式,具有作功的本領,故當熱量進出質物時,會對粒子作功,而「溫度」則是熱能對粒子作功所顯現出的表徵。

(二)狀態不變時

1.同一狀態下,物質受熱時溫度會上升,在單元參、單元肆中提及:熱量變化與物質的溫度變化成正比。

2.由粒子的觀點,當物質吸收熱能時,會增加粒子運動的速度,而粒子運動的速度愈快則表顯出的溫度就會愈高,亦即粒子運動的動能愈大,則表現出的溫度就愈高

3.此時粒子間的距離也會因為運動加劇而稍微增加,正可說明物質吸收熱量時,體積會稍微膨脹的道理

4.動能與溫度兩者之間有理論公式可供運算,但因許多概念對國中學生而言都還沒學到,故在國中階段尚不會涉及。

(三)狀態改變時,熱對粒子的影響:

1.由粒子觀點來看;狀態的改變直接影響的是粒子間的距離,改變粒子間的距離是需要大量能量的,換言之;要將粒子間的距離變大,就需要對粒子「作功」

2.粒子與粒子之間存在著引力,此種引力來自於化學鍵結或萬有引力,因此要將兩粒子由近拉遠,是需要能量對粒子作功的。

3.正如在地球上將重物抬起,就是要抵抗地球與重物之間的引力對物體作功,才能將物體與地球的距離拉大,這必需有能量對物體作功,且根據「能量守恆定律」,外力對物體作功所消耗的能量不會無故消失,而是轉變成物體的「重力位能」。

4.若以磁鐵為例,將磁鐡的NS相對,則兩塊磁鐵因磁力而相吸引,今若欲將兩塊互相吸引的磁鐵距離拉大,則需要對兩塊磁鐵施力,當兩磁鐵的距離增大的同時,外力正對兩磁鐵作功,且所作的功會轉換成兩鐵之間的位能。(如圖一所示)


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5.純物質在熔化及汽化的過程中,雖然不斷吸收熱量,但為何溫度不會改變呢?這些熱量跑到哪裡去了?讓我們接著討論這個問題。

 

三、 熱與熔化、汽化

(一)熔化的過程:

1.前面已經提到:物質吸收熱量是在增加粒子的動能,同時會使物質的溫度上升,但純物質的熔點固定,也就是說純物質在熔化過程中雖然不斷的吸收熱量,可是溫度並未增加,代表粒子的動能並增加

2.根據「能量守恆定律」,物質在熔化的過程中所吸收的熱能並非無故的消失了,而是另有用處;這些熱能用來轉換成粒子間的位能

3.由固體轉變為液體時,物質的粒子間距離必需大幅度增加,這個過程所需大量的熱能被用來轉換成粒子間的位能,暫時儲存在粒子之間,稱為:熔化熱

4.當物質的狀態由液態變成固態時,這些儲存在粒子之間的位能便會再釋放出來成為熱能,這便是凝固熱,而熔化熱=凝固熱,所不同的是:熔化是吸熱的過程,而凝固則是放熱的過程。

5.熔化的過程中物質的溫度不會改變,是因為物質達到熔點後,在熔化的過程中粒子的動能並增加,故呈現的溫度不會改變,增加的是粒子的位能,而粒子所含的位能不會影響物質的溫度。

(二)汽化的過程

1.物質在汽化的過程中,熱對粒子的影響及其能量的變化與上述原理相同,只是當物質由液體變為氣體時,粒子間改變的距離較熔化時更大,故所需的熱能遠大於熔化熱汽化熱>熔化熱

2.汽化與凝結的過程相反:

(1)汽化與能量的轉換:當物質的狀態由液態變成氣態時,需要大量的熱能以改變粒子間的距離,這些能量會以位能的形式暫時儲存起來。(如圖二之甲、乙所示)

 

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(2)凝結與能量的轉換:當物質由氣體變為液體時,這些儲存在粒子之間的位能便會再釋放出來成為熱能,這便是凝結熱,且:
汽化熱=凝結熱,所不同的是:汽化是吸熱的過程,而凝結則是放熱的過程。

3.當物質吸收熱量時,溫度不一定會升高,應視下列兩種情形而定:

(1)狀態無改變時:
此時物質所吸收的熱能會使粒子運動變得更劇烈,亦即物質吸收的熱能轉變成粒子的動能,所以物質的「溫度增加」

(2)狀態改變時(熔化、汽化):
此時物質吸收的熱能用來對粒子作功並轉換成位能,而物質吸收的熱能並未改變粒子的運動速率,所以粒子的動能不變,即「溫度維持不變」

 

 

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