1、第 1 页 共 65 页二、热学【热学】热学是物理学的一个重要部分。它专门研究热现象的规律及其应用。对热现象的研究：一是由观察和实验入手，总结出热现象规律，构成热现象的宏观理论，叫做热力学；二是从物质的微观结构出发（即以分子、原子的运动和它们之间的相互作用出发），应用统计方法去研究热现象的规律，构成热现象的微观理论，叫做统计物理学。它所研究的范围包括：测温学、量热学、热膨胀以及热传递等。若从广泛的涵义上，热学还包括其他有关热现象研究的热力学、分子物理学和热工学等分科。热力学和统计物理学研究对象是一致的，都是研究物体内部热运动的规律性以及热运动对物体性质的影响，但是研究的方法截然不同。热力学根据
2、观察和实验所总结出来的热力学定律，以严密的逻辑推理来研究宏观物体的热性质，它不涉及物质的微观结构。统计物理学则从物质的微观结构出发，依据每个粒子所遵循的力学规律，用统计学的方法研究宏观物体的热性质。热力学对热现象给出可靠的依据，用以验证微观理论的正确性；统计物理学可深入探讨热现象的本质，使热力学的理论获得更深刻的意义。因此这两种方法，起到了相辅相成的作用，使热现象的研究更加深入。【热力学】它是研究热现象中物态转变和能量转换的学科。由观察和实验总结出热现象的规律，构成热现象的宏观理论。在 19 世纪中叶，焦耳等人通过多次实验，将热确定为能的一种形式，从而建立了热力学。热力学的研究是从大量经验中总
3、结了自然界有关热现象的一些共同规律而得出热力学定律（即热力学第零、第一、第二和第三定律），用严密的逻辑推理来研究宏观物体的热性质及规律。热力学所研究的内容，在量子力学发展以前就有了一定的基础，故论及的系统及所持的理论均出于宏观的概念。主要探讨物质系统的平衡状态以及与平衡状态偏离不大的物理、化学过程，近年来，对非平衡状态过程的研究，亦取得一定的成果。热力学不涉及物质内部的微观结构，对热现象的本质亦不能作出解释，这是它的局限性，这些都需要统计物理学来补充、说明并加以发展。【统计物理学】是用统计方法研究由大量微观粒子组成的物质系统内部热运动规律及其对系统性质的影响。它是从物质的微观结构，即从分子、原
4、子的运动和它们之间的相互作用出发，来研究热现象的规律，构成热现象的微观理论。统计物理学的前身是气体分子运动论。统计物理学是从宏观系统内部的微观结构出发，根据微观粒子所遵从的力学规律，用统计方法，将系统的宏观性质及其变化规律推导出来。所以，统计物理学与热力学两者之间可以相互补充。19 世纪在经典力学基础上形成了“统计力学”。在研究气体处于平衡状态下的性质方面取得成就，对热力学已经获得的结果，能从微观角度更深刻地加以阐明。以后，随着研究范围的扩展而取得统计物理学的名称。20 世纪以来，由于发现微观粒子具有量子性质之后，在量子力学基础上形成“量子统计物理”。统计物理学对于许多涉及多体问题的学科都有重
5、要应用。例如，在固体物理学、原子核物理学、物理化学和天体物理学等方面均取得巨大成就。在相变，第 2 页 共 65 页超导性、超流性、等离子体等方面运用统计物理方法，于近年来亦有很大的进展。【热】热的概念来自人们对冷热的感觉。它是物质运动表现的形式之一。它的本质是大量的实物粒子（分子、原子等）永不停息地作无规则的运动。热与实物粒子的无规则运动的速度有关，无规则运动越强烈时，则该物体或系统就越热，温度也越高。热的另一种涵义是热量，热量是能量变化的一种量度。热量与温度的概念不同，不能混为一谈。【热运动】是物质的一种运动形式。宏观物体内部大量微观粒子（如分子、原子、电子等）永不停息的无规则运动称为热运
6、动。它是物质的一种基本运动形式。一个物体或某一系统在热平衡时的温度，取决于他内部微观粒子热运动的状况，热运动越剧烈，它的温度就越高。【热现象】凡与温度有关的物质系统性质的变化，统称为“热现象”。例如，物体吸热后温度升高，体积膨胀；水受热后变成水蒸气等，都是由于温度发生了变化，物体的性质也随着而变化，这说明热现象是大量分子无规则运动的表现。【温度】是表示物体冷热程度的物理量。由人的感觉来判断物体的冷热程度，是建立在主观感觉基础上的。为了能客观地反映物体的冷热程度，人们引入了温度的概念。从分子运动论的观点来看，温度是物体内部大量分子无规则热运动剧烈程度的体现。它是物体冷热的内在根据，热运动越剧烈，
7、物体的温度就越高。某一物体温度升高或降低，就标志kT。式中 k 为玻尔兹曼常数，T 为气体温度的微观实质是分子平均动能的量度。由此看来，温度是含有统计意义的，它是大量气体分子热运动的集体表现。对于个别分子而言，它的动能可能大于平均动能，也可能小于平均动能。但在温度一定时，它是一个确定的值。对于个别分子，说它温度是多少是没有意义的。【温标】温度数值的表示方法叫做“温标”。为了定量地确定温度，对物体或系统温度给以具体的数量标志，各种各样温度计的数值都是由温标决定的。为量度物体或系统温度的高低对温度的零点和分度法所做的一种规定，是温度第 3 页 共 65 页的单位制。建立一种温标，首先选取某种物质的
8、某一随温度变化的属性，并规定测温属性随温度变化的关系；其次是选固定点，规定其温度数值；最后规定一种分度的方法。最早建立的温标是华氏温标、摄氏温标，这些温标统称为经验温标。它们的缺陷是温度读数与测温物质及测温属性有关，测同一热力学系统的温度，若使用摄氏温标标定的不同测温属性的温度计，其读数除固定点外，并不严格一致。经验温标现已废弃不用。为了统一温度的测量，温度的计量工作中采用理想气体温标为标准温标。规定温度与测温属性成正比关系，选水的三相点为固定点。在气体液化点以下及高温下理想气体温标不适用，由于氦的液化温度最低，因此氦温度计有它一定的优越性。国际单位制中采用的温标，是热力学温标。它的单位是开尔
9、文，中文代号是开，国际代号是 K。【摄氏温标】是经验温标之一，亦称“百分温标”。温度符号为 t，单位是摄氏度，国际代号是“”。摄氏温标是以在一大气压下，纯水的冰点定为0。在一大气压下，汽点作为 100，两个标准点之间分为 100 等分，每等分代表 1。在温度计上刻 100的基准点时，并不是把温度计的水银泡（或其他液体）插在沸腾的水里，而是将温度计悬在蒸汽里。实验表明只有纯净的水在正常情况下沸腾时，沸水的温度才同上面蒸汽温度一样。若水中有了杂质，溶解了别的物质，沸点即将升高，也就是说，要在比纯净水的沸点更高的温度下才会沸腾。如水中含有杂质，当水沸腾时，悬挂在蒸汽里的温度计上凝结的却是纯净的水，因
10、此它的水银柱的指示跟纯净水的沸点相同。在给温度计定沸点时，避免水不纯的影响，应用悬挂温度计的方法。为了统一摄氏温标和热力学温标，1960 年国际计量大会对摄氏温标予以新的定义，规定它应由热力学温标导出，即t=T-273.15用摄氏度表示的温度差，也可用“开”表示，但应注意，由上式所定义的摄氏温标的零点与纯水的冰点并不严格相等，沸点也不严格等于 100。华氏温度计的冰点为 32 度，沸点为 212 度，两【华氏温标】是经验温标之一。在美国的日常生活中，多采用这种温标。规定在一大气压下水的冰点为 32 度，沸点为 212 度，两个标准点之间分为 180等分，每等分代表 1 度。华氏温度用字母F 表
11、示。它与摄氏温度（C）和华氏温度（F）之间的换算关系为第 4 页 共 65 页摄氏温标与华氏温标的各种温度计，在玻璃管中根据不同的用途，装有不同的液体（如煤油、酒精或水银），由于液体膨胀与温度之间并不严格遵守线性关系，而且不同的液体和温度的非线性关系彼此也不一样，由于测温物质而影响温标的准确性，为此这些经验温标已在废弃之列。【国际实用温标】从准确与实用出发，在 1927 年第七届国际计量大会上决定采用国际温标。由于科学技术不断地发展，工业生产上的需要，国际温标不断修改，目前所采用的国际实用温标，是 1968 年国际计量委员会对 1948 年国际实用温标（1960 年修正版）作了重要修改而建立的
12、。1968 年国际实用温标选取的方法，是根据它所测定的温度可紧密接近热力学温度，而其差值应在目前测定准确度的极限之内。1968 年国际实用温标在国际实用开耳文温度和国际实用摄氏温度之间是用符号 T68和 t68来加以区分的。T 68和 t68之间的关系是：t68=T68-273.15。T 68和 t68的单位如在热力学温度 T 和摄氏温度 t 中一样仍为开尔文（符号 K）和摄氏度（符号）。常用的换算公式是 T=t+273.15。【三相点】亦称“三态点”。一般指各种稳定的纯物质处于固态、液态、气态三个相（态）平衡共存时的状态，叫做该物质的“三相点”。该点具有确定的温度和压强。物态叫做“相”，通常
13、物质是以三种形态存在。即固态、液态、气态，也可称为固相、液相、气相。物体的变化常叫做相变。或者说，在某一系统中，具有相同物理性质均匀的部分亦称为相。相与相间必有明显可分的界面。例如，食盐的水溶液是一相，若食盐水浓度大，有食盐晶体，即成为两相。水和食油混合，是两个液相并存，而不能成为一个相。又如水、冰和汽三相共存时，其温度为 273.16K（0.01），压强为 6.106102帕。由于在三相点物质具有确定的温度，因此用它来作为确定温标的固定点比选汽点和冰点具有优越性，所以三相点这个固定温度适于作为温标的基点，现在都以水的三相点的温度作为确定温标的固定点。几种物质三相点的数据温 度 （K） 压 强
14、 （帕）氢 13.84 7038.2氘 18.63 17062.4氖 24.57 43189.2氮 63.18 12530.2二氧化碳 216.55 517204水 273.16 610.5【绝对零度】绝对零度是根据理想气体所遵循的规律，用外推的方法得到的。当温度降低到-273.15时，气体的体积将减小到零。若用分子运动论来解释，理想气体分子的平均平动动能由温度 T 确定，则可将绝对零度与“理想气体分子停止运动时的温度”等同看待。事实上一切实际气体在温度接近-第 5 页 共 65 页273.15时，早已变成液态或固态，它的温度趋于一个极限值，这个极限值就称为绝对零度。绝对零度是温度的最低点，实
15、际上永远也不会达到的。【温度计】是测定温度的仪器之统称。利用物质的某一物理属性随温度的变化来标志温度。根据使用目的的不同，已设计制造出多种温度计。其设计的依据：如利用固体、液体、气体受温度的影响而热胀冷缩的现象；在定容条件下，气体或蒸气压强因不同温度而变化；热电效应的作用；电阻随温度的变化而变化；以及热辐射的影响等多种。一般说，任何物质的任一物理属性，只要它随温度的改变而发生单调的、显著的变化，都可用来标志温度而制成温度计。温度计的种类很多，如定容气体温度计、定压气体温度计、液体（水银、酒精、煤油）温度计、铂电阻温度计、温差电偶温度计、辐射高温计、光测高温计等多种类型。在我国气象上常将能自动记
16、录温度变化的仪器称“温度计”。而对无自动记录装置的测温仪器称“温度表”。【温度表】俗称“寒暑表”。我国气象上将直接能读取数值而无自动记录装置的仪器，统称为温度表。其种类甚多，如干湿球温度表、最低温度表、最高温度表、地面温度表等。家庭使用的温度表，系常见的一种两端封闭内径均匀的毛细玻璃管。封闭的下端是圆球或圆柱形，内注水银、酒精或煤油。由于温度的变化，液柱升降而伸缩。根据液柱顶端所在位置，即可直接读出标度数值。【水银温度计】它是利用水银热胀、冷缩的性质而制造的一种测温计。高温可以测到 300 多摄氏度。由于熔点关系，测量-30以下的低温时则不能使用。制造水银温度计，首先应选取壁厚、孔细而内径均匀
17、的玻璃管，经酸洗等过程使管内洁净。一端加热并吹成一个壁薄的球形或圆柱形的容器。水银是在某种特定温度下注入球形容器与玻管之中，此时水银的温度应比以后所测之最高温度还要高些。然后用火焰将灌满水银玻管的顶端封闭。当水银温度降低时开始收缩，于是在水银柱的上部管内出现一段真空。温度计的定标分度，首先要确定两个固定标点，作为永不改变的标记。将温度计液泡部分，插入在一标准大气压下正在熔解的冰块中，当水银柱下降至某一处稳定时，刻一记号作为下固定点。然后再将温度计的整体，置于处在一标准大气压下的水蒸气中，当水银柱上升停在某一位置不动时作一记号为上固定点。此二固定点间的距离，称为基本标距。此标距的长短与温度计的管
18、径以及液泡的容积有关。将这段标距分成 100 等分，每一等分即为一度。在下固定点处标 0记号，在上固定点标 100记号。在熔点以下及沸点以上还可刻同样长的标度。刻在 0以下的标度，称为冷度，刻在 0以上的称热度。由于温度计的基本标度被均分为 100等分，故称百分温度计，又称摄氏温度计。除摄氏温标外也有采用华氏温标的，此温标以 32为冰点，以 212为沸点，其中等分 180 个刻度。华氏温度计用字母 F 表示。两种温标关系为第 6 页 共 65 页水银温度计存在一定的缺点，例如，玻璃管的内径不可能完全相同，尽管每个刻度与每个刻度之间的距离相等，但由于管的内径不同，则每刻度之间水银液柱的体积并不相
19、等，因而造成误差。当玻璃管内水银受热体积膨胀的同时，温度计的玻璃管及液泡部分的玻璃也受热膨胀。结果所读出的只不过是水银膨胀数值与玻璃膨胀数值之间的差数而已。由于水银的凝固点（-38.87）与沸点（356.7）的关系，故它的计量只能在这个范围之内，可以测高温。若用以测低温，则必受限制。【酒精温度计】构造与水银温度计相同，唯管内装有含红色染料的酒精，便于观察，此种温度计是用酒精为工作物质。因酒精的沸点（78）较低，凝固点在-117，因此多用酒精温度计作测低温物质。【煤油温度计】煤油温度计的工作物质是煤油，它的沸点一般高于 150，凝固点低于-30。所以煤油温度计的量度范围约为-30150。因酒精的
20、沸点是 78，凝固点是-114，酒精温度计能比煤油温度计测更低的温度，但高于 78的温度它就不能测定了。从中学物理实验室经常要测量的温度范围来看，煤油温度计比酒精温度计更适用。当学生看到温度计的刻度在 100，却不加分析地把温度计说成是酒精温度计，这是错误的（酒精温度达到 78就已经沸腾了，岂能有 100的温度刻度）。目前中学实验室里所用的装有红色工作物质的温度计，一般都是煤油温度计，而不是酒精温度计。【体温计】是测量人体温度用的温度计。亦称“体温表”或“医用温度计”。体温计的工作物质是水银。它的液泡容积比上面细管的容积大得多。泡里水银，由于受到体温的影响，产生微小的变化，水银体积的膨胀，使管
21、内水银柱的长度发生明显的变化。人体温度的变化一般在 35到 42之间，所以体温计的刻度通常是 35到 42，而且每度的范围又分成为 10 分，因此体温计可精确到 1/10 度。体温计的下部靠近液泡处的管颈是一个很狭窄的曲颈，在测体温时，液泡内的水银，受热体积膨胀，水银可由颈部分上升到管内某位置，当与体温达到热平衡时，水银柱恒定。当体温计离开人体后，外界气温较低，水银遇冷体积收缩，就在狭窄的曲颈部分断开，使已升入管内的部分水银退不回来，仍保持水银柱在与人体接触时所达到的高度。体温计是一种最高温度计，它可以记录这温度计所曾测定的最高温度。用后的体温计应“回表”，即拿着体温计的上部用力往下猛甩，可使
22、已升入管内的水银，重新回到液泡里。其他温度计绝对不能甩动，这是体温计与其他液体温度计的一个主要区别。【温差电偶温度计】利用温差电偶来测量温度的温度计。将两种不同金属导体的两端分别连接起来，构成一个闭合回路，一端加热，另一端冷却，则两个接触点之间由于温度不同，将产生电动势，导体中会有电流发生。因为这种温差电动势是两个接触点温度差的函数，所以利用这一特性制成温度计。若在温差电偶的回路里再接入一种或几种不同金属的导线，所接入的导线与接触点的温度都是均匀的，对原电动势并无影响，通过测量温差电动势来求被测的温度，这样就构成了温差电偶温度计。这种温度计测温范围很大。例如，铜和康第 7 页 共 65 页铜构
23、成的温差电偶的测温范围在 200400之间；铁和康铜则被使用在2001000之间；由铂和铂铑合金（铑 10）构成的温差电偶测温可达千摄氏度以上；铱和铱铑（铑 50）可用在 2300；若用钨和钼（钼 25）则可高达 2600。【分子物理学】物理学的一个学科。分子物理学从物质的微观结构的观点出发，研究气体、液体和固体的基本性质及其热现象的规律。如物体的体积，压强和温度之间的关系；物质的比热容；扩散、热传递、粘滞性等输运过程以及液体的表层性质，相平衡以及简单的相变过程。【分子运动论】分子运动论是从物质的微观结构出发来阐述热现象规律的理论，例如它阐明了气体的温度是分子平均平动动能大小的标志，大量气体分
24、子对容器器壁的碰撞而产生对容器壁的压强。此外，它还初步揭示了气体的扩散，热传递和粘滞现象的本质，并解释了许多气体实验定律，分子运动论的成就促进了统计物理学的进一步发展。【分子】由化学键结合起来的单个原子或一组原子，它是物质中能独立存在并保持该物质一切化学性质的最小单位。例如，水分子是由两个氢原子和一个氧原子组成的（H 2O）。像氯化钠那样的离子化合物并无明显的分子结构。氯化钠一般写成 NaCl，但氯化钠晶体事实上是由氯离子（Cl -）和钠离子（Na +）有规则排列。构成物质的单位是多种多样的，或是原子（如金属）或是离子（如盐类）或是分子（如有机物）。为了简化，在中学物理中，一般把构成物质的单位
25、统称为分子。用油膜法可以粗略地测定分子的大小。分子直径的数量级是 10-10米。物理学中有各种不同的方法来测定分子的大小。用不同方法测出的分子的大小并不完全相同，但数量级是相符的。把分子看作小球，是分子运动论中对分子的简化模型，实际上，分子有它复杂的内部结构。【阿伏伽德罗常数】是化学和物理学中的重要常数之一。1 摩尔（简称摩，国际符号是 mol）的任何物质，其中含有的粒子数相同。称为“阿伏伽德罗常数”。用“N”表示N=6.0220451023摩尔 -1。此常数系意大利化学家阿伏伽德罗发现，因而得名。知道阿伏伽德罗常数，可算出水分子的质量 mH2O=310-26千克。阿伏伽德罗常数是微观世界的一
26、个重要常数，用分子运动论定量地研究热现象时经常要用到它，它是联系宏观世界和微观世界的桥梁。这一常数将摩尔质量或摩尔体积这种宏观物理量跟分子质量或分子大小这种微观物理量联系了起来。因此阿伏伽德罗常数相当重要。上述为其精确值，通常可取作 N=6.021023摩尔 -1。【阿伏伽德罗定律】又称“阿伏伽德罗假说”。由压强公式和气体分子的平均平动动能与温度的关系，将得到气体压强的另一表达式：P=nKT第 8 页 共 65 页这一公式表明，在相同的温度 T 和相同的压强 P 下，任何气体在相同的体积内所包含的分子数都相等。这一结论叫做“阿伏伽德罗定律”。如在标准状态（大气压值为标准大气压，温度 T 为 2
27、73.15K）时，任何气体在 1 米 3中含有的分子数都等于 2.68761025个/米 3。这个数值就称为洛喜密脱常数。由于 1摩尔的任何气体所含分子数都相等，所以阿伏伽德罗定律也可表述为：在相同的温度和相同的压强下，1 摩尔的任何气体所占有的体积都相同。这一定律仅对理想气体才严格正确。【物态】亦称“聚集态”。是物质分子集合的状态，是实物存在的形式，在通常条件下，物质有三种不同的聚集态：固态、液态和气态，即平常所说的物质三态。固态和液态，统称为凝聚态。它们在一定的条件下可以平衡共存，也可以相互转变。例如，在一个标准大气压，0时，冰、水混合物可以平衡共存，当温度和压强变化时，该混合物可以完全变
28、成水，或完全结成冰。除上述物质三态外，近年来我们还把“等离子体”称为物质的第四态，把存在于地球内部的超高压、高温状态的物质称为物质的第五态。此外还有超导态和超流态。【固体】凡具有一定体积和形态的物体称为“固体”，它是物质存在的基本状态之一。组成固体的分子之间的距离很小，分子之间的作用力很大，绝大多数分子只能在平衡位置附近作无规则振动，所以固体能保持一定的体积和形状。在受到不太大的外力作用时，其体积和形状改变很小。当撤去外力的作用，能恢复原状的物体称弹性体，不能完全恢复的称塑性体。构成固体的粒子可以是原子、离子或分子，这些粒子都有固定的平衡位置。但由于这些粒子的排列方式不同，固体又可分为两类，即
29、晶体和非晶体。如果粒子的排列具有规则的几何形状，在空间是三维重复排列，这样的物质叫晶体，如金属、食盐、金刚石等。如果组成固体的粒子杂乱堆积，分布混乱，这样的物质叫非晶体。如玻璃、石蜡、沥青等。晶体有一定的熔点，而非晶体却没有固定的熔解温度。非晶体的熔解和凝固过程是随温度的改变而逐渐完成的。它的固态和液态之间没有明显的界限。【液体】液体的分子结构介于固体与气体之间，它有一定的体积，却没有一定的形状。液体的形状决定于容器的形状。在外力作用下，液体被压缩性小，不易改变其体积，但流动性较大。由于受重力的作用，液面呈水平面，即和重力相垂直的表面。从微观结构来看，液体分子之间的距离要比气体分子之间的距离小
30、得多，所以液体分子彼此之间是受分子力约束的，在一般情况下分子不容易逃逸。液体分子一般只在平衡位置附近作无规则振动，在振动过程中各分子的能量将发生变化。当某些分子的能量大到一定程度时，将作相对的移动改变它的平衡位置，所以液体具有流动性。液体在任何温度下都能蒸发，若加热到沸点时迅速变为气体。若将液体冷却，则在凝固点凝结为固体（晶体）或逐渐失去流动性。【气体】是物质三种聚集状态之一。气体分子间的距离很大，分子间的相互作用力很小，彼此之间不能约束，所以气体分子的运动速度较快，因此它的体积和形状都随着容器而改变。气体分子都在作无规则的热运动，在它们之间没有发生碰撞（或碰撞器壁）之前，气体分子作匀速直线运
31、动，只有在彼此之第 9 页 共 65 页间发生碰撞时，才改变运动的方向和运动速度的大小。由于和器壁碰撞而产生压强，因此温度越高、分子运动越剧烈，压强就越大。又因为气体分子间的距离远远大于分子本身的体积，所以气体的密度较小，且很容易被压缩。任何气体都可以用降低温度或在临界温度以下压缩气体体积的方法使它变为液体。所以，对一定量的气体而言，它既没有一定的体积，也没有一定的形状，它总是充满盛它的容器。根据阿伏伽德罗定律，各种气体在相同的温度和压强下，在相同的体积里所包含的分子数都相同。【晶体】具有规则几何形状的固体。其内部结构中的原子、离子或分子都在空间呈有规则的三维重复排列而组成一定型式的晶格。这种
32、排列称为晶体结构。晶体点阵是晶体粒子所在位置的点在空间的排列。相应地在外形上表现为一定形状的几何多面体，这是它的宏观特性。同一种晶体的外形不完全一样，但却有共同的特点。各相应晶面间的夹角恒定不变，这条规律称为晶面角守恒定律，它是晶体学中重要的定律之一，是鉴别各种矿石的依据。晶体的一个基本特性是各向异性，即在各个不同的方向上具有不同的物理性质，如力学性质（硬度、弹性模量等等）、热学性质（热膨胀系数、导热系数等等）、电学性质（介电常数、电阻率等等）光学性质（吸收系数、折射率等等）。例如，外力作用在云母的结晶薄片上，沿平行于薄片的平面很容易裂开，但在薄片上裂开则非易事。岩盐则容易裂成立方体。这种易于
33、劈裂的平面称为解理面。在云母片上涂层薄石蜡，用烧热的钢针触云母片的反面，便会以接触点为中心，逐渐化成椭圆形，说明云母在不同方向上导热系数不同。晶体的热膨胀也具各向异性，如石墨加热时沿某些方向膨胀，沿另一些方向收缩。晶体的另一基本特点是有一定的熔点，不同的晶体有它不相同的熔点。且在熔解过程中温度保持不变。对晶体微观结构的认识是随生产和科学的发展而逐渐深入的。1860 年就有人设想晶体是由原子规则排列而成的，1912 年劳埃用 X 射线衍射现象证实这一假设。现在已能用电子显微镜对晶体内部结构进行观察和照相，更有力地证明假想的正确性。【非晶体】指组成它的原子或离子不是作有规律排列的固态物质。如玻璃、
34、松脂、沥青、橡胶、塑料、人造丝等都是非晶体。从本质上说，非晶体是粘滞性很大的液体。解理面的存在说明晶体在不同方向上具有不同的力学性质，非晶体破碎时因各向同性而没有解理面，例如，玻璃碎片的形状就是任意的。若在玻璃上涂一薄层石蜡，用烧热的钢针触及背面，则以触点为中心，将见到熔化的石蜡成圆形。这说明导热系数相同。非晶体没有固定的熔点，随着温度升高，物质首先变软，然后由稠逐渐变稀，成为流体。具有一定的熔点是一切晶体的宏观特性，也是晶体和非晶体的主要区别。晶体和非晶体之间是可以转化的。许多物质存在的形式，可能是晶体，也可能是非晶体。将水晶熔化后使其冷却，即成非晶体的石英玻璃，它的转化过程需要一定的条件。
35、【各向同性】亦称均质性。物理性质不随量度方向变化的特性。即沿物体不同方向所测得的性能，显示出同样的数值。如所有的气体、液体（液晶除外）第 10 页 共 65 页以及非晶质物质都显示各向同性。例如，金属和岩石虽然没有规则的几何外形，各方向的物理性质也都相同，但因为它们是由许多晶粒构成的，实质上它们是晶体，也具有一定的熔点。由于晶粒在空间方位上排列是无规则的，所以金属的整体表现出各向同性。【各向异性】亦称非均质性。物理性质随量度的方向而变化的通性，称为各向异性。各向异性是晶体的重要特征之一。即在各个不同的方向上具有不同的物理性质，如力学、热学、电学、光学性质等。参见“晶体”条。【多晶体】由许多晶体
36、（称为晶料）构成的物体，称多晶体。一块晶体是由许多小的晶粒聚合起来组成的。每一晶粒又由许多原子构成。原子在每一晶粒中作有规则的整齐排列，各个晶粒中原子的排列方式都是相同的。但是在一块晶体中，各个晶粒的取向彼此不同，晶粒与晶粒之间并没有按照一定的规则排列。尽管每个晶粒内部原子排列很整齐，但由于一块晶体内部各个晶粒的排列不规则，总的来看是杂乱无章的，这样的多晶体不能用来制造晶体管。例如多晶硅可用来拉制单晶，称为单晶硅。掺有特定微量杂质的单晶硅，可制成大功率晶体管、整流器及太阳能电池等。【单晶体】简称“单晶”。单个晶体构成的物体。在单晶体中所有晶胞均呈相同的位向。单晶体具有各向异性。自然界存在的单晶
37、，如金刚石的晶体等。亦可由人工将多晶体拉制成单晶体，如电子器件中所用的锗及硅的单晶体。【解理面】晶体中易于劈裂的平面称为“解理面”。凡显露在晶体外表的晶面往往是一些解理面。例如，云母结晶薄片，在外力作用下很容易沿平行于薄片的平面裂开，石膏也容易沿一定方向裂成薄片，岩盐则容易裂成立方体。解理面的存在，说明晶体在不同方向上具有不同的力学性质。非晶体破碎时因各向同性而没有解理面，例如，玻璃碎片形状就是完全任意的。【结合力】晶体中粒子之间存在着相互作用力，这种力称为“结合力”。这种力使粒子规则地聚集在一起形成空间点阵，使晶体具有弹性、具有确定的熔点和熔解热，决定晶体的热膨胀系数等等。因此结合力是决定晶
38、体性质的一个主要因素。可从四种典型的结合力（离子键、共价键、范德瓦耳斯键和金属键）的本质和有关结合力的规律来进一步探讨。【离子键】将正、负离子结合在一起的静电力，称为“离子键”。由离子键的作用而组成的晶体，称为离子晶体。最典型的离子晶体是 NaCl。由于离子键的作用强，因此离子晶体具有高的熔点，低的挥发性和大的压缩模量。【共价键】因共有电子而产生的结合力称为“共价键”。例如氢分子就是氢原子靠共价键而形成的。完全由负电性元素组成晶体时，粒子之间的结合力就是共价键。由共价键的作用而组成的晶体称为原子晶体，例如，金刚石和金刚砂（SiC）为典型的原子晶体。由于共价键的作用强，所以原子晶体硬度大、熔点高
39、、导电性差、挥发性慢。例如，硅、锗、碲这些半导体中的重要材料都是原子晶体。第 11 页 共 65 页【金属键】正离子与自由电子的总体之间的作用力使各粒子结合在一起，这种结合力称为“金属键”。这种结合的特点是电子的“共有化”。在结合时，原来分属各自原子的价电子不再被束缚于其本身，而为所有“原子实”所共有。于是共有化电子形成的负电子云和浸在这个负电子云中的带正电的原子实之间出现库仑作用，原子越紧密，势能越低，从而把原子聚合在一起。由金属键的作用而组成的晶体叫金属晶体，简称金属。因此金属可以具有较高的熔点，高硬度和低挥发性，还具有导电、导热性能好和金属光泽，以及较大的范性。【结合能】分散的原子（离子
40、或分子）在结合成稳定晶体的过程中，所释放出来的能量称为“结合能”。如以 EN表示组成晶体的 N 个原子在自由时的总能量，E 0为晶体的总能量，则结合能 E6可表示为E6=EN-E0虽然四种化学键的性质不同，起源不同，但具有共同的特征即：排斥力和吸引力两部分。结合能也有排斥和吸引两部分，并与 r 有关。例如，在范德瓦尔斯键和离子键的情况下，整个晶体的相互作用能与气体分子间的势能相似，可写成表示引力所引起的相互作用能，r 是两相邻粒子间的距离。由于排斥能随距离的变化比吸引能迅速，因而mn。A m、A n、m、n 的大小由晶体的结构和作用力的性质所决定。【分子力】组成物体的分子间在距离相当近时所显示
41、的相互作用力。这种相互作用在分子间距 r10 -8米时才显示出来。当分子间距 r10 -10米时，分子之间表现为斥力，而当分子间距处于 10-8米r10 -10米的范围内，分子之间又表现为引力。如图 2-1 所示。当 rr 0（r 0约为 10-10米左右）时，两分子之间的引力和斥力将随距离的缩小而迅速增大，引力比斥力增长慢，总的表现是斥力。当 rr 0时，两分子间的斥力和引力都随距离的增大而减小，但引力减小得慢，总的表现出是一种引力。当 r=r0时，两分子之间的引力和斥力相等，作用的合力为零。分子间的作用同时存在引力和斥力，由于这两个力随分子间距离变化的情况不同，所表现出来的合力有时为引力，
42、有时为斥力，有时为零。分子力的本质相当复杂，它与分子的电性结构有密切关系。对于气体，在一般条件下，分子之间的距离较大，其分子力是微不足道的，可以忽略。但在低温、高压情况下，分子力不能忽略。固体和液体分子聚集的主要因素是分子力，使它们有一系列不同于气体的性质。此外，分子之间的作用力在不同的情况下表现的形式是不同的。有时表现为“内聚力”，有时表现为“附着力”。第 12 页 共 65 页【内聚力】是在同种物质内部相邻各部分之间的相互吸引力，这种相互吸引力是同种物质分子之间存在分子力的表现。只有在各分子十分接近时（小于10-6厘米）才显示出来。内聚力能使物质聚集成液体或固体。特别是在与固体接触的液体附
43、着层中，由于内聚力与附着力相对大小的不同，致使液体浸润固体或不浸润固体。【附着力】是在两种不同物质的接触处所发生的相互吸引力。这种相互吸引力是两种物质分子之间存在分子力的表现。只有在这两种物质的分子十分接近（小于 10-8米）时才显示出来。从微观角度来看固体表面总是“粗糙”的，所以两固体接触时很难显示附着力的作用。液体与固体则能密切接触，它们之间就容易显示附着力的作用。液体浸润固体的现象，就是附着力发生作用的结果。总之附着力和内聚力都来源于分子之间的作用力，但不能把分子之间的作用力称为附着力或内聚力，因附着力和内聚力是指物质各部分间的相互作用，并不是指某几个分子之间的相互作用。【表面张力】液体
44、表面分子间的吸引力。即液体表面的分子有一种使其面积缩成最小的力，或称一种抵抗表面积扩张的力，此力称“表面张力”。液体表面是指液体与空气或其他液体相接触的自由面。若不指明，即可认为相对于空气而言。表面张力的大小与接触面的物质有密切关系。此外，表面张力还与温度有关，温度越高，表面张力越小。表面张力的方向总是与液面相切，与分界线相垂直。若在液面作一长为 L 的直线，将液面分成两部分，这两部分之间的相互牵引力为 F，则表面张力 F=L。其中 为液体表面张力系数。表面张力的单位为牛顿/米。由于表面张力的作用，液滴表面有收缩到最小的趋势，而使液滴成近似球形的状态。【液体的表面层】液体自由面以下厚度等于分子
45、力作用半径的一层液体层，叫做“液体表面层”。从微观角度来看，液体表面并不是一个几何面，而是有一定厚度的薄层。由于表面层内的分子力作用，使分子都受到一个与液体自由面相垂直、方向指向液体内部的作用力。表面张力就是由表面层中应力的各向异性所引起的。【液体的附着层】设液体分子的分子力作用半径为 r，固体分子的分子力作用半径为 l，当液体与固体接触时，在界面处液体一侧厚度等于 r（当 rl时），或等于 l（当 lr 时）的一层液体层，叫做液体的附着层。在附着层中第 13 页 共 65 页的液体分子，是处于液体与固体两种物质分子的分子力相互作用下，于是在与固体接触处的液面将出现浸润、不浸润、弯月面以及毛细
46、现象等。【浸润现象】亦称润湿现象。当液体与固体接触时，液体的附着层将沿固体表面延伸。当接触角 为锐角时，液体润湿固体，若 为零时，液体将展延到全部固体表面上，这种现象叫做“浸润现象”。如图 2-2a、b 所示。润湿现象的产生与液体和固体的性质有关。同一种液体，能润湿某些固体的表面，但对另外某些固体的表面就很难润湿。例如，水能润湿玻璃，但不能润湿石蜡。造成浸润现象的原因，可从能量的观点来说明。如图 2-3 所示。A 为附着层中任一分子，在附着力大于内聚力的情况下，分子 A 所受的合力与附着层相垂直，指向固体，此时，分子在附着层内比在液体内部具有较小的势能，液体分子要尽量挤入附着层，结果使附着层扩
47、展。附着层中的液体分子越多，系统的能量就越低，状态也就越稳定。因此引起了附着层沿固体表面延展而将固体润湿。【不浸润现象】亦称不润湿现象。当液体与固体接触时，液体的附着层将沿固体表面收缩。当接触角 为钝角时，液体不润湿固体，若 = 时，液体完全不润湿固体。这种现象称为液体不浸润现象。如图 2-4a、b 所示。不润湿现象的产生与液体和固体性质有关。同一种液体，能润湿某些固体的表面，但不能润湿另一些固体的表面。例如，水银不能润湿玻璃，却能润湿干净的锌板、铜板、铁板。造成不浸润现象的原因，可从能量的观点来说明。第 14 页 共 65 页如图 2-5 所示。A 为附着层中任一分子，在内聚力大于附着力的情
48、况下，分子 A 受到的合力 f 垂直于附着层指向液体内部，此时，若将一个分子从液体内部移到附着层，必须反抗合力 f 作功，结果将使附着层中势能增大。附着层中的液体分子越少，系统的能量就越低，状态就越稳定，因此附着层就有缩小的趋势，宏观上就表现出液体不被固体所吸附。当然液体就不能润湿固体了。【弯月面】由于液体对固体浸润或不浸润的作用，使液体在圆柱形的管子里，呈现不同的液面。凡不浸润固体的液体表面呈凸状。例如水银装在玻璃管内，液面即成凸状，而浸润体的液体表面则成凹状，例如，水装在玻璃管内其液面即成凹面状态。这些弯曲的液面，统称为弯月面。【布朗运动】悬浮在液体或气体中的微粒所作的永不停息的无规则运动
49、，叫做布朗运动。作布朗运动的微粒（直径约为 10-1510 -3厘米）称为布朗微粒。布朗运动是英国植物学家布朗于 1827 年观察悬浮在溶液中花粉运动时发现的。这些小的颗粒，为液体的分子所包围，由于液体分子的热运动，小颗粒受到来自各个方向液体分子的碰撞，布朗粒子受到不平衡的冲撞，而作沿冲量较大方向的运动。又因为这种不平衡的冲撞，使布朗微粒得到的冲量不断改变方向。所以布朗微粒作无规则的运动。温度越高，布朗运动越剧烈。它间接显示了物质分子处于永恒的，无规则的运动之中，所以，布朗运动只反映了液体分子热运动所产生的结果，它并不能代表液体分子本身的热运动。布朗运动的颗粒并不是单一的分子，每个小颗粒都含有千百万个分子。因此，小颗粒的布朗运动只间接地揭露了分子的运动，并不就是分子运动。由于分子的频繁碰撞，每个小颗粒在液体中受周围液体分子的碰撞每秒钟约有 1021次。在气体中由于气体分子的密度较低，小颗粒受气体分子的碰撞每秒至少也有 1015次。在这样频繁的碰撞下是很难观测的。通常在显微镜下观察到的仅是微粒经过数秒或数十秒钟运动的总结果。但是，布朗运动并不限于上述悬浮在液体或气体中的布朗微粒，一切很小的物体受到周围介质分子的撞击，也会在其平衡位置附近不停
