分子热力学问题!为什么0度的水结成0度的冰,体积变大,分子势能减小呢?

Question

分子热力学问题!
为什么0度的水结成0度的冰,体积变大,分子势能减小呢?

Answer 1

通常的物质大多固体比液体密度大,水很特殊,变成冰后,分子间隙不是减小而是增大,但平均势能依然是减小的.下面的内容是我对其它问题的回答,讨论的是冰变水,实质一回事,就不再重打了.
冰中的分子高度有序排列（这正是冰中分子间隙大的原因）,分子间具有较强的氢键作用和取向力作用,这两种作用都是引力（这两种力都是在分子排列有序的情况下才比较大,欲知详情可留言或补充问题）.因此冰中水分子间的平均势能较低.当冰变为水后,分子的排列变得比较凌乱,这就破坏或削弱了分子间的引力作用,造成势能增大.很明显,冰变水需要吸收能量,来自外界的热量就提供了这里的所需.
当冰吸热时,分子运动固然要加剧、平均动能要升高（表现为温度升高）,但很快,它们就通过分子间的碰撞破坏了分子间的引力作用,动能就转化为分子间的势能了.因此,还没有等到温度又可察觉的升高时,因吸热增加的动能就被消耗掉了,这种情况一直要等到并全部融化后才会改变.在此熔化过程中,尽管吸热有升高温度的趋势,但实际上并不会升高.
综上所述,冰融化过程中,从外部的吸热实际上全部用于破坏分子间的引力作用,使分子间势能增大,而此过程中分子的平均动能并不改变,宏观上表现为温度不变.