梅乐芝经理的科普文章 （七）

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第7节物质的组成

物质是用什么构成的？这个问题可能很早就出现在人们的脑海中。春秋时中国的五行理论，其中有。后来五行成为一种包罗万象的体系，从伦理到中医等等不一而足。古希腊时期，恩培多克勒提出四元素组成万物。后来德谟克利特提出原子论，指出万物是由不可分之物（原子）构成。这是一种构思，缺乏实证。

爱尔兰人波义耳给出了一个可行的定义：元素是一种单纯的物质，不能使用物理或化学方法分解为更简单的物质。后来英国人道尔顿又重新提出了原子论。此时已有大量元素被发现，他认为：元素均由不可再分的微粒组成。这种微粒称为原子。原子在一切化学变化中均保持其不可再分性。这一观点重复了德谟克利特的观点，当然他还提出了一些可验证的推论。部分正确部分错误。不过毕竟是可验证的理论，最终原子理论于二十世纪初广泛接受。

意大利人阿伏伽德罗提出了分子论，认为分子是物质组成的基本单元，而分子是由原子构成。这些原子数量及元素类型决定了分子的性质，最终决定了物质的属性。我们常见的物质存在状态是固态、液态、气态，通常称为固体、液体、气体。这些状态的区别就在于分子之间的关联方式不同。固体：分子保持位置不变，间距很小（与分子大小相比）仅在固定位置附近轻微振动。液体：分子无固定位置，间距相对固体情况要大，但整体还还能保持完整性。气体：分子不仅无固定位置，间距非常大，必须施加外因才能维持（引力或密闭容器）不扩散消失。

无论物体什么状态，其分子都在运动，程度与温度相关。温度越高，运动越快。换而言之，温度就是分子运动平均状况的指标。对于固体而言，当温度越来越高，分子的振动越来越剧烈，维持固体各分子保证自己位置的约束相对越来越弱。某些分子因为振动更剧烈而离开原始位置，则固体开始熔化为液体。液体分子没有固定位置，导致可以流动。但整体还可以保持分子不脱离集团。当温度更高，分子运动更快时，某些液体表面分子速度太快，离开液体表面，脱离了液体整体。当大量液体分子开始离开液体表面，液体开始汽化，成为气体。气体的分子间距太远，相互之间基本没有关联。如果没有约束存在，分子就消失得无影无踪。

前面讨论了液体和气体的压力。在地球表面，比如某块钢板。空气中大量分子快速运动，撞击到钢板。这些撞击的整体效果就是大气压力。同样钢板置于水中，大量水分子撞击效果就是水的压力。可以看到，钢板面积越大，则撞击效果越明显，对应压力就越大。我们通常使用压强来定义压力效果。就是固定受压面积，来测定压力大小。测定的压力就定义为压强。压强=压力/面积。通常的大气压就是指大气压强。

思考：

1温度是分子运动速度的平均指标。那么就存在某些分子运动速度远大于平均速度，某些分子速度远小于平均速度。冬天天寒地冻，在外面晾衣服，衣服上都结冰。但是晾一段时间，衣服还是可以晾干，就是这个原因。同样情况，液体表面的某些分子也可以脱离表面，成为气态分子。如果将液体保持着密闭环境，将气态分子清除，对液体而言，其状态有什么变化？

2热量在不同温度的物体之间传递。实质是分子平均运动速度降低，就意味这热量流失。分子平均运动速度升高，就是吸收热量。注意，只是分子平均运动速度，并不涉及分子数量和分子密集程度问题。前面曾经提到，温度有下限，-27315c，而没有上限。原因就是分子运动速度（正常情况下，宏观规模的运动是有方向的。速度就是某方向上的运动快慢程度，速度概念里面包含了方向因素。在分子级别时，讨论的是大量分子的速度大小，不涉及方向）最低为0，就是完全不运动。无法为负。原理上而运动速度可以任意快，也就是温度没有上限。但实际上速度也有上限，最快不超过光速（爱因斯坦相对论要求。2011年9月22日，意大利格兰萨索国家实验室接收730公里以外的从欧洲核子研究组织发射的中微子束的时候，发现中微子比光子提前607纳秒到达目的地，意味着有超过光速的情况出现。2011年11月17日重复验证。2012年2月报道，有可能是实验误差导致的情况。也就是说超光速尚未证实存在。）。温度定义，如果以温度下限为基准，定义为0度，这就是热力学温度定义，以英国人开尔文的名字命名，使用k来表示。0k=-27315c，0c=27315k。如果让1个分子完全静止，这算不算达到0k呢？

3地球大气离地面85公里至800公里之间称为热层，最高温度可达2000c那么宇航员所穿的宇航服会不会因为热而损坏？

4同质量的冰体积居然比水体积大，是否意味着固态情况下分子距离大于液态呢？事实上冰的分子和水的分子形状不同！虽然组成相同，冰中的水分子像张开翅膀的蝴蝶，而液态

（本章未完，请翻页）水分子则是蝴蝶的翅膀稍稍收拢。同时也说明水分子之间的间距与冰中水分子之间间距没多大差距。

5同体积酒精和同体积水混合，结果体积并没有达到原体积的两倍。表明某种液体的分子间隙过大。而某些液体分子过于稠密，表面看起来不像液体，而像固体。沥青，常用于公路铺设、防水密闭材料、建筑结合剂（注意不是柏油，沥青来自石油，柏油来自煤焦油）。澳大利亚昆士兰大学进行了一项沥青滴漏实验，以表明沥青是液体。用了60年时间滴出8滴。

6地球内部都是液体，中心是金属液体，外层是岩石液体，就表面薄薄一层固体。就因为地壳内部是液体，所以地球的薄壳相当于漂浮在液体上，可以移动。我们所能观察的地球历史，就是外壳漂移和沉浮的历史。

7地球表面山的极限。自从印度次大陆撞上欧亚板块后，青藏高原就开始形成，撞击部位形成了喜马拉雅山脉，持续在上升中。那么山脉是否会持续上升，没有终止呢？地壳下面是岩浆液体，当山太高以后，下面承载的岩石受的重力太大就陷入岩浆中，这时山就无法继续升高。估计地球可以承载的山的高度大约20公里。火星有21公里高的山，是太阳系中最高的山。但火星内部已经冷却，无法再让山增高了。同样情况，冰厚度增加到一定程度，压力使得冰熔点降低，出现湖泊。在南极冰层下大约有140多个湖，其中最大的是沃斯托克湖，在冰下4000米。形成时间超过50万年，面积157万平方公里。

8在显微镜下，可以观察水中的灰尘、花粉粒的运动，从侧面可以得知水分子的运动规律，就是没有规律。这一运动称为布朗运动，以英国人布朗命名。

9液体分子之间有吸引力，维持液体体积不变。造成这种吸引力的因素和原子的类型有密切关系。水内部的分子受到各个方向吸引力，但是表面的水分子只能收到下方的吸引力，造成水分子被拉入水中。最终表面的水分子数量达到最小，无法再被吸入内部。就在水表面就形成一层膜，这次膜具有一定韧性，可以让小动物、昆虫在上面奔跑。这层膜的效果就使用表面张力来等效。

在液体与气体（非液体同一种物质）分界面，大量液体分子进入气体，称为汽化。少量气体分子进入液体，称为溶解。当进入的气体分子数量和重新离开液体的气体分子数量相等时，称为饱和溶解，这时候进入液体的分子数量不再增加。此时一定体积的液体中溶解的气体分子总质量称为溶解度。当液体外气体分子的数量减小时，表现为气压强降低，则液体中的气体分子数量会下降，在一个较低水平重新达到平衡，也就是说，气压降低，则气体溶解度下降。当温度升高时，分子活动加剧，气体分子更容易离开液体，也导致溶解度下降。因为溶解度随气压和温度相关，因此给出溶解度时，就得同时给出当时的压强和温度。