0摄氏度的水变成0摄氏度的冰,体积增大了,为何反说分子势能减小了呢?

Question

0摄氏度的水变成0摄氏度的冰,体积增大了,为何反说分子势能减小了呢?

Answer 1

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.当水温升高的过程中,一方面,缔合数小的缔合水分子、单个水分子在水中的比例逐渐增加,水的体积随之减小.分子间总势能增加.随着温度的升高（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）.在0℃～4℃的过程中,由缔合水分子氢键断裂引起水的体积减小的趋势,比由分子热运动速度加快引起水的体积增大的趋势更大,因此,在0℃～4℃的范围内,水的体积随温度的升高而减小,表现为反常膨胀,但其分子间总势能却是增加的,这是由于克服缔合水分子间的结合力做功而引起的.当水的温度大于4℃时,水发生的是热胀冷缩现象.
总体上说,一定质量的物体（固态或液态）温度升高时无论体积如何变化,其分子势能都是增加的.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,而且让学生弄清为什么物体温度升高分子势能一定增加的道理.