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液态水吸收大量热能后蒸发成水蒸气,然而温度不见升高。好奇的人会问潜热藏哪里呢?
这个问题要由原子动力学来回答。
原子由原子核和核外电子云构成,核外电子绕核高速旋转。这是中学生就知道的基本科学知识。
凝聚态是宇宙物质存在的普遍形态。这个道理也不难懂:构成物质的基本粒子,也喜欢像人类一样凑热闹,扎堆抱团取暖天经地义。但扎堆也要讲游戏规则,否则就闹成今年跨年夜的上海滩踩踏死人的惨剧。扎堆大的原则说通俗一点即是:让人活,也让己活,不要过分亲近,留足最低生存距离。
电子为什么要绕核高速旋转?用经典的旋转离心力平衡库仑吸力当然讲得通。其实从另外一个角度来讲更形象,如果把原子当作一个生命体的话,这就是生命的本能嘛:电子如果不在核外高速巡逻,众核中央们岂不要推推搡搡挤在一起?那谁都别想活出一口气!
因而电子是原子的卫兵。卫兵护主的天职,并不妨害不同原子的电子卫兵之间结为好友,即形成化学键。
人在空旷的地方,心里防范性就低。同理,原子在空旷的地方,电子卫兵也会本能地放松警惕,尽量回到原子核心周围悠哉游哉其乐融融。想想也是,外面没有其它原子与你抢地盘,电子跑到老远的轨道上警戒真的没必要,回巢休息洗洗睡得了。当其它原子靠近之时,电子就该迎上去,画出更大的电子云,以防止被入侵。
即物质密度减小,分子/原子距离增加,电子轨道半径缩小,库仑吸力加大,离心力要相应加大,电子速度必须增加,电子动能增加。反之亦然。
按上述推断,相对液态水来说,水蒸气的分子之间非常稀疏,因而各原子的核外电子会尽量往里缩,电子转速提高。增加的动能积分,正是气化潜热的藏身之处!
那么摊到每个电子头上,储藏的潜热,使得动能到底增加多少呢?电子提速多少呢?这是可以估算出来的。
上一篇博文提到,光谱实验观测结果摊到每个水分子的潜能约为0.4eV。
1个H2O分子共有18个重子(质子+中子)以及10个电子。这里的潜热能悄悄藏到那10个电子里去了,而不是用来给重子增速的,折腾重子或者说整个原子,做布朗热运动是显热干的事。因而每个电子平均拿到0.04eV。
事实上这10个电子分布在不同能级的轨道上,平均分配0.4eV理论上是不合理的,但作为估算无所谓。
动能公式为: E=0.5*m*v*v。两边求微分,再求速度增量可得dv=dE/(m*v)。
已知:1eV=1.602*10^(-19)J(焦耳), 电子质量约10^(-30)kg,波尔氢原子轨道速度=5000km/s=5*10^6m/s。
代入前述微分式得到: 速度增量dv= 0.04*1.602*10^(-19)/[10^(-30)*5*10^6]=1360m/s,即1.36km/s。
原电子速度5000km/s,增速变化仅仅1.36km/s,算成百分比近千分之0.3,显然微不足道。但可以注意到:电子绕核速度仅微小变化,即可吸纳较大的潜热能。
在凝结过程中,物质密度增加,分子/原子距离减小,电子轨道半径增大,库仑吸力减小,离心力相应要减小,电子速度必须减小,电子动能减小。或者说此时电子要发生能级跃迁。高能级跃迁到低能级必然释放出光子。也可以理解为轫致辐射,减速扔掉的电子动能以光子形式释放。
储存在电子轨道里的动能增量即潜热能,最终就是在凝结时以热光子释放而收场!
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GMT+8, 2024-12-24 08:19
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