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质量相同的100度水蒸气的内能大于100度水的内能.为什么?

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质量相同的100度水蒸气的内能大于100度水的内能.为什么?

怎么会大呢?不是都是100度吗?而且水的分子动能大于水蒸气的分子动能吗?还有物体吸收热量内能一定增加吗?内能可以无限大的是吗?希望天才帮我把每个问题一个一个详细写出来谢谢!本人才初二

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全部答案

    2018-03-07 17:57:47
  •   第1个问题 
    要理解这个问题,首先要熟悉几个概念(概念摘自百度):
    温度:是用来表示物体冷热程度的物理量。从分子运动论观点看,温度是物体分子平均平动动能的标志。温度是大量分子热运动的集体表现,含有统计意义。
      对于个别分子来说,温度是没有意义的。
    内能:在物理学中,我们把物体内所有分子作无规则运动的动能和分子势能的总和叫做物体的内能(internal energy)。
    此外,根据统计热力学和气体分子动理论,分子速率存在三个统计平均值:最概然速率,数学平均速率,根均方速率。
      在计算分子运动的平均距离时压要用数学平均速率,在计算平均平动能时要用根均方速率。注意,这里有很重要的一点是,三个统计平均值是比值恒定的。
    数学平均速率决定分子运动的平均距离就是说数学平均速率决定气体分子的势能,根均方速率决定分子平均平动能即决定气体分子的温度。
      
    100度的水蒸气中,气体分子温度知道,气体的平均平动能知道,从而根均方速率知道,又由于数学平均速率和根均方速率比值恒定,而分子势能和数学平均速率正比,从而可以知道水蒸气的分子势能。于是,水蒸气的分子平均平动能和水蒸气分子势能都由100度这个已知条件得出,那么,100度水蒸气内能就近乎已知(这里用“近乎”的原因是内能还应该包含分子平均转动动能,但是此能量定量比较困难,而对这里的定性分析影响不大,故在此忽略)。
      
    所以,水蒸气的温度一定,内能就是定值(前提是质量一定),而100度的水,在物理化学上被称为过热水,其形成机制这里先不关心,但是有一点是明显的,100度的水分子活动空间肯定比水蒸气小的多,所以水蒸气的分子间距比水分子的间距大的多,分子间距与分子势能的关系如下:
    1。
      分子距离在平衡距离处分子势能最小
    2。分子距离在大于平衡距离和小于平衡距离时其分子势能将增大
    3。分子距离在小于平衡距离时,斥力大于引力,分子势能表现为斥力,最大值在零距离处。
    4。
      分子距离在大于平衡距离时,引力大于斥力,分子势能表现为引力,最大值在无穷远处。
    5。分子距离在无穷远处引力和斥力都为零,引力引起的势能最大。
    6。分子距离在无穷近处引力和斥力最大,斥力引起的势能最大
    水蒸气的情况属于上述第5种情况。
      (100度水的分子间距近,但肯定不是无穷近)
    这说明了水蒸气分子势能比水分子势能大。
    水蒸气和水的温度一样,得出水蒸气和水的分子平均平动能一样,而内能包括动能和分子势能,水蒸气的分子势能大于水的分子势能,(注意,这里忽略了分子转动动能,因为水蒸气和水的分子转动动能相比平动能和势能可以忽略)至此,推导出水蒸气分子内能大于水分子内能。
      
    关于第2个问题,水的动能是不是大于水蒸气的分子动能,这其实是一个复杂的问题,首先,动能包括分子转动动能和平动动能,转动相当于地球的自传,平动相当于地球绕太阳的公转。温度相同,是有大量分子平均平动能决定,(这里的平均意义重大,几乎是一个哲学问题)。
      平均动能一样,分子动能不一定一样,(你这里所说的“分子动能”是个模糊地概念,分子动能可以是分子平均动能,可以是分子总动能,可以是分子平动动能,可以是分子转动动能)所以,要是你指的是分子平均平动能,那么100度的水和水蒸气是一样的,因为温度一样,如果你指的其他,那么除非及其巧合的情况,否则不可能一样。
      
    第3个问题,热力学第一定律 系统的内能=系统的热交换 系统的功交换,所以物体吸收热量内能不一定增加,因为体系可能对外做功。
    第4个问题,内能是无限大的,首先,一定质量的分子数目就很大恨打,而这些大量分子具有一定得空间位置,每个分子之间都具有势能,即使只有10个分子,其中每个分子都与其他9个分子有空间位置关系,即他们都具有势能,那么,如果有几亿亿亿亿个分子的话,他们之间彼此都有势能,那么这些分子有多少势能呢?每个分子与其它几亿亿亿亿个分子都有势能,仅这个势能的数目就是几亿亿亿亿的几亿亿亿亿“次方”,(其实更确切的应该是几亿亿亿亿的阶乘,初2可能不了解阶乘的概念,先用这个定性说明,以便理解)就更不用考虑每个势能的大小了。
      其次,内能还包括平动能和转动能,分子的速率是十分大的,用分子个数几亿亿亿亿乘以这个十分大的速率,结果也是巨大的,再加上每个分子的转动动能,所以,内能肯定是无穷大。
    需要补充的一点是,当温度为绝对0度的时候,分子就停止运动,这个时候分子的内能就为0,但是,有一条定律是:绝对0度不能达到,这也从另一个角度说明了分子的内能是无限大的。
      
    再补充一点,内能作为一种能量,虽然是无穷大,但是,这种能量是不能无限利用的,这就是著名的热力学第二定律所包含的原理,其中涉及到熵于不可逆的概念,鉴于楼主的基础这里不再累述。以前有人设想从一个体系无限的取出能量,制造一个永动机来服务人类,这种永动机称为“第二类永动机”,“第二类永动机”虽然不违反能量守恒定律,但是违反了热力学第二定律。
      

    解毕
    希望继续保持这种求知欲望和辩证精神,祝学习进步。

    彼此那沉默_

    2018-03-07 17:57:47

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