小狐狸皮皮的物理世界

曹远强

物质的三态是怎么回事

这天晚上，小狐狸皮皮和爷爷坐在明亮的灯光下闲聊。

皮皮说：“爷爷，您讲了六种物态变化，我知道了物质可以在固、液、气三种状态之间转化，可说到底，它们是同一种东西呀！比如水和冰，它们的本质应该是相同的。”

这时，一缕香味飘进小院，钻进小屋。

狐狸爷爷没有理会皮皮，一脸兴奋地问道：“好香啊，谁家做好吃的啦？”

皮皮吸了一下鼻子，说：“煮的是苞米，可能是邻居小鹿家吧！”

“你刚才说什么？”狐狸爷爷努力回想剛才皮皮的问话。

“哦，我想起来了！物质是由分子、原子构成，分子很小很小，人们通常以10-10米为单位来量度分子，分子在不停地做无规则运动。在固体中，分子十分紧密地排列在一起，它们距离近，相互作用力大，所以固体就具有了一定的形状和体积。如果固体得到足够的热量，分子之间固定的位置就会被打破，位置不再固定，活动变得比较自由，相互作用力就会变小，这样固体就会变成可以流动的物质，没有一定的形状，但是仍然具有一定的体积。”

“我明白啦，这就成了液体。刚才您说的就是熔化的过程。”

“对！如果液体物质吸热，分子能量提高，分子运动的距离就会变得很大，分子的分布就会变得十分松散，分子之间的作用力也会变得极小。这样一来，物质在宏观上就表现得具有流动性，没有一定的形状，也没有一定的体积。也就是说，物质变成了气体。”

扩散现象

“我明白了，液体吸热就会汽化，这就是汽化的过程。”皮皮说。

“对！我们现在闻到的香味，就是从远处‘跑过来的气体分子。”狐狸爷爷解释说。

“这样说来，就是气体的分子在运动，液体的分子在运动，固体的分子固定不动。”皮皮总结说。

“不对！一切分子都在不停地进行无规则运动，固体的分子也在运动，没有绝对静止的分子。”狐狸爷爷纠正说。

“哦，固体的分子也在运动，只不过限制在一定的范围内。”皮皮恍然大悟。

“是的。因此，不同物质的分子可以通过运动相互渗入对方，这叫扩散现象。刚才我们闻到的香气，就是远处的气体分子朝我们这边扩散过来了。液体的扩散也很常见，你把一滴墨水滴在水里，就会看到它的扩散过程。至于固体分子的扩散嘛——”狐狸爷爷沉吟起来，他一时间没有找到合适的例子。忽然，他看见了墙角堆煤的地方，灵机一动，说：“找到啦！你看，那白墙已经变黑了。可是，不只是表面变黑哦，这是煤分子长期向白墙扩散导致的，因此，白墙里面也黑了。”

皮皮疑惑了：“您讲了这么多扩散现象，那扩散说明了什么呢？”

狐狸爷爷反问道：“你说呢？”

皮皮说：“说明分子在不停地做不规则运动，而且分子之间是有空隙的。一个物体里有那么多的分子，而且在运动，可我的眼睛看不见，这个世界是多么不可思议呀！”

皮皮想了想，又说：“爷爷，分子的世界真奇妙，我想观察一下墨水的扩散。”

分子热运动

皮皮拿来一个杯子装上冷水，然后找来钢笔准备往杯子里滴墨水。

狐狸爷爷说：“先停下，你再拿一个杯子盛上热水，做一个对照实验，看哪一个扩散快。”

皮皮按狐狸爷爷的吩咐做了，往两杯水里各滴入了一滴墨水，然后伏在桌子上聚精会神地观察起来。那墨水袅袅的，像青烟一般在水中逐渐散开。很明显，热水里面的墨水先散开，这说明墨水分子在热水里面扩散得更快。

狐狸爷爷告诉皮皮：“分子的不规则运动与温度有关，因此又叫热运动。温度越高，分子的热运动越剧烈。”

由此皮皮知道了，物质是由分子、原子组成的，但分子又是由什么组成的呢？皮皮问狐狸爷爷，狐狸爷爷耐心地解答着。灯影里，火炉旁，他们俩的身影构成了一幅温馨的画面。

内能做功

这天晚上，皮皮把烧开的水倒进暖水瓶，可是没有装满，只灌了大半瓶。他用力把暖水瓶的软木塞塞好后，转身离开了。突然，砰的一声，皮皮吓了一大跳。皮皮到处寻找，不知道是哪里发出的响声。狐狸爷爷提醒他：“暖水瓶的塞子蹦出来了！”皮皮跑过去一看，发现还真是这么回事。他从地上捡起软木塞，心中十分纳闷。

狐狸爷爷说：“你不用疑惑，这是内能做功造成的。”

皮皮问：“内能是什么呀？”

狐狸爷爷说：“物体是由许多分子组成的，分子都在做运动，因此，物体内部存有大量分子的动能。同时，分子之间存在引力和斥力，这样分子间就具有了势能。一个物体内部的所有分子的动能和势能的总和，就叫物体的内能，所有的物体都有内能。”

皮皮问：“分子动能和势能的总和叫内能，是内能把软木塞弹出来的吗？”

狐狸爷爷说：“是啊！内能既然是一种能量，它就能做功。暖水瓶水面上的气体内能会随着水蒸气的增多而变大，大到一定程度，就能把软木塞推开。”

物体都有内能

皮皮说：“哦，原来是这样。那内能的大小与什么因素有关呢？”

狐狸爷爷说：“微观上来说，与分子的数量和分子运动的剧烈程度有关，这两个因素在宏观上对应着物体的质量和温度。温度就反映了分子运动的剧烈程度，分子运动越剧烈，温度越高。”

“您说这桌子有内能吗？”皮皮好奇地问道。

狐狸爷爷反问道：“你认为呢？”

皮皮说：“有，一定有内能！那零下100℃的冰有内能吗？”

狐狸爷爷说：“只要是物体就都有内能，温度再低分子也不会停止运动，因此总是存在分子的动能，所以物体的内能一定大于零。”

皮皮高兴地笑了，说：“在是否拥有内能这点上，真是万物平等了。”

低温有极限

狐狸爷爷准备午休，听到皮皮和小猴子淘淘在屋外谈论内能。皮皮说：“所有的物体都有内能，零下100℃的冰有内能，零下500℃的冰也有内能。”

小猴子淘淘说：“那零下5000℃的冰呢？”

皮皮说：“一定也有内能。”

狐狸爷爷听到他们的议论，赶紧出来纠正他们的错误：“你们说一切物体都有内能是对的，但说在零下500℃、零下5000℃时也有，那就错了，因为这样低的温度在宇宙中是不存在的。”

皮皮说：“怎么会呢？听说太阳表面的温度能达到6000℃，高温有这么高，那么低温应该也能很低呀！”

狐狸爷爷说：“错了，低温是有极限的。零下273.15℃是宇宙中最低的温度，以这个温度为零点，建立起来的温度标记方法叫绝对温度（也叫热力学温度），单位是开尔文（K），简称开。绝对温度没有零下，只有零上。”

小猴子淘淘恍然大悟：“哦，原来低温是有极限的呀！”

狐狸爷爷的课堂

物质在微观上是由极小的分子构成的，分子永不停息地做无规则运动。

物质通常有固态、液态、气态三种存在状态，这是因为组成它们的分子结合紧密程度不同，固体最紧密，气体最松散，液体介于二者之间。

分子数量的多少，宏观上表现为质量大小;分子运动的剧烈程度，宏观上表现为温度高低。

物体分子的动能和势能的总和叫物体的内能，所有的物体都有内能。

宇宙中最低的温度是零下273.15℃。

（编辑 乖乖隆地洞）