世界是如何存在的?(下)

作者: Alex Yuan

来源: 微信公众号泼皮士(ID:popishi)

发布日期: 2017-07-27 09:42:17

本文是《费曼物理学讲义》第一册第1章的后半段内容,探讨了从原子的角度来描述物质状态变化和化学反应的过程,包括水的蒸发、食盐的溶解以及碳的燃烧等现象。

这是我们发布的物理学专栏的第二篇,也是《费曼物理学讲义》第一册第1章的后半段内容。我们的世界充斥着物质,而物质又时时处于变化之中。人类肉眼所见,其实处处蕴含有趣的动态现象。经过上一期,我们对“从原子的角度来描述不同的物态(气-液-固三态)”已经了然。那么,能否用原子假说来描述过程呢?答案是肯定的。今天我们就从原子的观点出发来考察一些过程。

原子过程

I. 与水的表面相联系的过程

水的表面上会发生什么情况?放大十亿倍,我们发现,水面的上方有一些东西:水分子(水蒸气);还有一些别的——空气,主要为氮分子和氧分子。这幅画面中正发生什么事呢?水里的分子不停地振动着。时不时地水面上的一个分子受到比平常厉害一些的撞击,飞了出去。或许,另外一个分子也被撞击飞了出去。于是,一个分子接着一个分子,水消失(蒸发)了。——由于飞出去的分子比留下的分子的平均动能大,蒸发还会使液体变冷!

但是如果给容器盖上盖子,过一会儿我们就会发现,空气分子中有大量水分子。时不时地,有一个水分子飞到水里,再次结合在一起。——而当一个水分子从空气中靠近水面时,会突然受到一个很强的吸引力,使得速率增大,结果产生了热量!于是这杯呆板、无趣的盖上盖子的水,变得生动、有趣起来:在它的表面上方,不停有一些分子飞出去,一些分子飞回来。每一刻离开的分子和飞回来的分子的数目正好一样,长期看来,竟“什么也没发生”!

(气-液平衡!)

II. 固体在水中的溶解如果将一块食盐扔入水中会怎样?食盐是固体,是晶体。严格来说,晶体不是由原子构成,而是由所谓离子构成的。普通食盐中,氯离子(带一个额外电子的氯原子)和钠离子(少一个电子的钠原子)因电吸引力而结合,有组织地排列成三维结构。但是,当把它丢到水里之后,我们发现:在带负电的氧和带正电的氢的吸引下,有些离子松开了(溶解了)。

由于电吸引力,水分子中氢原子一端靠近氯离子,氧原子一端则靠近钠离子。从图中我们能看出食盐正在溶解到水中还是从水中结晶出来吗?绝对不能!因为这又是一个动态过程:正当某些原子离开晶体时,别的原子又重新回到晶体上。和蒸发类似;溶解还是结晶,取决于水中的食盐是多于还是少于维持平衡所需的量。水中少盐则溶解;水中多盐则结晶。

化学反应一个过程中,如果发生了原子伙伴关系的重新安排,我们就称之为化学反应。

与之相应的其他过程(无新分子生成)叫物理过程。但是,二者并无截然的界限。大自然母亲显然不在乎我们怎样称呼它们,她只是不停产生这些过程给我们看。碳在氧气中的燃烧,就是一个化学过程。碳在氧气中燃烧时,可见不同的原子组合:两个氧原子形成一个分子,一碳一氧形成一个一氧化碳分子,一碳二氧形成一个二氧化碳分子。为什么原子要这样组合,而不是那样组合?为什么氧气是两个氧原子结合,而不是三个或四个?

这就是原子的特性:它们喜欢某些特定的伙伴,某些特定的方向等等。物理学的任务就是要分析每个原子为什么有这样那样的偏好。

以上,就是我们《费曼物理》第一册第1章的全部内容。下一期,我们将继续介绍《费曼物理》第一册第2章:基础物理学。最后,问大家一个厉害的问题:水的饱和蒸汽压和沸点是什么关系?答案提示:100℃时,水的饱和蒸汽压就是一个标准大气压。

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