A-level 物理 (进阶物理)/热量和能量

物质是由粒子组成的。这些粒子在不断运动。当我们感受到某些物质时，我们感受到一种我们称为“热”的东西。这仅仅是我们对粒子运动速度的印象。粒子的平均速度越高，物体就越热。

注意，“热”和“温度”之间存在技术差异。热量是能量传递，也称为功。温度是物质的内能。我们感受到的是热量，而不是温度，因为如果能量没有从物体转移出来，我们就无法测量它。

如果我们有一些由静止粒子组成的物质，那么我们就无法使粒子变得更加静止。这个概念毫无意义。当物质处于这种状态时，它处于可能的最低温度。我们称这种温度为 0°K。这对应于 -273.15 °C。如果温度升高 1°K，则温度升高 1 °C。这两个刻度之间的唯一区别是 0 度的定义——在开尔文刻度中，0 为绝对零度。在摄氏刻度中，0 为水的冰点。在这两个刻度中，1° 是水冰点和沸点之间温差的百分之一。

温度为 T 的某些物质由许多粒子组成。它们的运动本质上是随机的——它们都在以不同的速度运动，因此它们都具有不同的动能。温度与每个粒子的平均能量 E 之间存在以下近似关系

$E\approx kT$ ,

其中 k 是一个称为玻尔兹曼常数的常数。k = 1.38 x 10⁻²³JK⁻¹。T 必须始终以开尔文为单位测量。

状态变化

不同的物质在不同的温度下发生状态变化。换句话说，当每个粒子的平均能量达到一定水平时，物质就会发生状态变化。情况变得复杂，因为为了改变状态，需要额外的能量（或释放能量）。当液态水达到沸点时，它将保持在沸点，直到全部变成水蒸气，因为吸收的能量被用来改变状态，而不是用来提高水的温度。每个粒子改变状态所需的平均能量可以通过使用上述公式来近似，其中 T 是物质改变状态的温度。

活化能

许多事物都具有活化能。例如，为了使化学反应开始，每个粒子的平均能量必须达到一定水平。然而，大多数情况下，化学反应在低于活化能的平均能量水平下开始。这是因为，由于粒子在随机运动，总有可能某些粒子具有所需的活化能。如果反应是放热的（这意味着它释放热量，提高每个粒子的平均能量），那么，一旦发生一个反应，更多的粒子就会具有活化能，因此反应加速，直到所有反应物都被消耗掉。可以使用公式 E=kT 将活化能与物质的温度联系起来。

问题

1. 二氧化碳在 195°K 下升华。这大约对应于每个粒子的多少能量？

2. 某种化学反应需要质量约为 10⁻²⁶kg 的粒子以平均 10ms⁻¹ 的速度运动。这大约对应于多少温度？

3. 水的沸点是 100 °C。这大约对应于每个粒子的多少能量？

4. 铜的热电子发射需要大约 5eV 的每个粒子能量。在该能量水平下，金属丝的温度将是多少？

解答