问答题
微观上如何理解分子与分子及分子与器壁间的碰撞是非弹性的?并举出分子与分子及分子与器壁做非弹性碰撞的实例.
【正确答案】从力学上理解,弹性与非弹性碰撞的主要区别是前者机械能守恒,后者机械能不守恒,因而在非弹性碰撞中会发生机械能与非机械能间的转换.在热学中如何理解弹性与非弹性碰撞呢?假如单纯考虑两刚性分子(所谓刚性分子是指不会发生形变的分子)之间的碰撞,这本身是个力学问题,因而必然是弹性碰撞.因为刚性分子只有平动动能和转动动能,它们都是机械能.我们可以把这种描述气体分子空间位置的平动自由度和转动自由度均称为“分子的外部自由度”.气体分子还具有“内部自由度”,如构成分子的原子之间由于相对运动所具有的振动自由度,描述原子内部电子跃迁所具有的自由度,以及与原子核结构有关的自由度等,这些都称为内部自由度.由于内部自由度不表示分子作为一个整体的空间位置,所以它的能量不属于机械能的范畴.在分子之间发生碰撞时,若发生分子外部自由度与内部自由度能量之间的转换,则应该是非弹性碰撞.例如:(1)气体化学反应是由分子间碰撞而发生的,化学反应中的反应热的吸放是由于原子中电子壳层能量的改变而导致的,这是内部自由度能量的释放或吸收,所以在气体化学反应中分子间的碰撞是非弹性碰撞.(2)由于粒子之间的碰撞而致使光线的发射,这类现象也是非弹性碰撞.常见的例子如在日光灯管中发生的在电场中加速的电子去碰撞水银分子,使水银分子中的电子发生能级跃迂,因而发射出紫外光(以后,紫外光又照射到日光灯管的荧光粉上导致二次发光,其光谱覆盖了可见光范围,这样日光灯管就发出白光).(3)在发生核反应或粒子反应时的粒子之间的碰撞等.以上这些都是非弹性碰撞的实例.
同样,分子与器壁间的碰撞也有弹性与非弹性之分.例如若室内温度与室外温度不同时,热量从室内传递到室外.这是先通过室内气体分子与器壁作非弹性碰撞,气体分子把能量从室内传递给器壁,然后室外气体分子与器壁又发生非弹性碰撞,器壁又把能量传递给室外气体.分子与器壁间的非弹性碰撞类似于作直线运动的某刚球与床垫中的弹簧发生的碰撞,刚球与床垫中一个弹簧的碰撞将导致床垫中所有弹簧都振动起来,这时刚球的一部分定向运动动能转换为床垫中弹簧的整体的杂乱无章的动能(它相当于热运动动能).在室内气体的温度高于器壁的温度时,平均说来气体分子在与器壁发生碰撞时总是将能量从气体分子传递给器壁,因而这种碰撞是非弹性碰撞.
但是当气体的温度与器壁温度相同时,平均说来气体分子与器壁之间没有热运动能量的传递,因而它们之间的碰撞是弹性碰撞.
又如真空喷镀,在玻璃上喷镀上一薄层金属.它是通过从真空加热炉中的金属蒸发出气体分子,这些气体分子去碰撞其温度远低于气体温度的玻璃.这时金属原子被粘附在玻璃表面上.显然金属原子与玻璃器壁之间的碰撞是完全非弹性碰撞.在上述例子中都可以看到,在气体分子与器壁发生非弹性碰撞时,同样发生气体分子的外部自由度的能量与器壁的内部自由度能量之间的转换.
总之,在热学中判别弹性碰撞与非弹性碰撞的标准是看是否发生内部自由度能量与外部自由度能量之间的转换.
【答案解析】