這些是一個盒子內的空氣分子,假如我們給這個盒子的外壁加熱一下,也可以理解成,我們給這些空氣分子中的少量分子提供一些動能,然後那些獲得動能的分子就會在盒子內部亂串,並撞上其他的分子,從而也使得其他的分子也跟著動起來。
最終,我們給盒子加熱的能量就會迅速地在盒子內幾乎所有的空氣分子中擴散開來,這部分擴散的能量,有一部分會使一些分子發生旋轉,還有一部分則會使一些分子做空間運動,同時也還有一些分子是既在旋轉,也在做空間運動的,這其中,其實只有在空間中運動的分子才會對溫度產生影響。
所以,溫度的基本定義,其實就是分子的平均動能,而這動能其實並不完全包括分子的旋轉,就比如說一個繞著兩個氧原子中心軸旋轉的氧分子,因為它們幾乎所有的質量都集中在了原子核內,而原子核又很小,它給原子提供的慣性矩幾乎就沒有,所以與原子旋轉相關的能量也就小到可以忽略不計了。
對於前面說的盒子的內部,可以看作是一個系統,而我們假設這個系統裡面的氣體是由一種像氦氣這樣的單個原子組成的分子,那麼我們新增到這個系統中的熱量,它可以使裡面的分子往上下,前後跟左右,也就是數學上的X,Y,Z這三個軸上運動。
換一個術語來說,就是這樣的一個系統中含有三個不同的自由度。
可假如說這個系統中的分子是由兩個原子所組成的呢?那麼分子除了能在這三個不同的自由度上活動之外,它們還可以豎向旋轉,也可以橫向旋轉,而兩個旋轉的方向,也屬於系統內的兩個自由度,所以這個系統就會有五個不同的自由度。
當我們給這個擁有五個自由度的系統加熱的時候,熱量就會平均地分配到系統中的這五個不同的自由度中。
簡單一點地說,假如我們將五個單位的熱能輸入到這個系統中的話,那麼這個系統的五個不同的自由度都將會獲得一個單位的熱量。
但僅有X,Y,Z這三個自由度上所獲得的能量才能提高這個系統的溫度,也就是說,我們使用的五個單位能量,但僅有其中的三個發揮了提高系統溫度的作用。
所以相比之下,如果系統中僅有三個自由度的話,那麼我們給系統新增五個單位的熱量,它就會將這五份熱量完全的轉化成溫度,但在五個自由度中的系統,被轉化成溫度的卻僅有三份熱量。
當然,這只是個簡化的理解方式而已,因為在實際的加熱過程中,被輸入到系統中的能量也還會做其他的一些跟溫度無關的事的,就比如說,能量會使原子中的電子能級發生躍遷,但這個基本就跟前面所說的繞著兩個氧原子中心軸旋轉的氧分子一樣,它消耗的能量是可以忽略不計的。
所以,如果我們只考慮實際輸入的熱量全部流入到系統的自由度中的話,那麼能量將趨於平均地分佈在所有不同的自由度中。
而假如由這圖象中的兩種不同的分子組成的系統呢?那麼這個系統的自由度就多達11個,其中的5個是不同型別的旋轉,還有6個是不同型別的空間運動。
當我們給這個系統輸入熱量之後,熱量將會平均地流入到這11個不同的自由度中,但跟前面說的一樣,因為溫度的定義是分子的平均動能,而這動能中,並不包括分子的旋轉,所以這11個不同的自由度中,僅有6個不同型別的空間運動上的自由度能給這個系統提高溫度。
其實,對於分子,我們前面還故意忽略的一個化學鍵的問題。
而分子內的化學鍵就像連線原子與原子之間的彈簧一樣,它們是可以引起分子的收縮振動的。
這些振動,實際上也屬於自由度上的一種,它對溫度也是發揮著很重要的作用的。
就比如說固體之中,它們之所以能被加熱,靠的就是這些原子的振動。
在固體中的分子,或者說是原子,它們跟氣體或者液體中的不同,因為它們本身都是被化學鍵固定著的,所以在它們的系統中並不存在旋轉的這一種自由度,當然也不存在空間運動上的自由度。
當我們給固體加熱的時候,熱能會全部地轉化成原子振動的動能跟化學鍵上的勢能,同樣的,固體溫度的提上也是分子平均動能的一種體現。
而勢能雖然不能在溫度上直接體現出來,但它可以跟動能進行來回的轉化,所以整體上來說,給固體新增的熱量,最終在溫度的轉化率上,其實是要比液體跟氣體的高的。
最後利用前面說的這些關於溫度上的原理給大家解釋,為什麼水被加熱升溫的速度為什麼是最慢的,原因不只是因為水系統中含有三個與升溫無關的旋轉型別的自由度,還有的就是水中還有氫鍵,它可以簡單的理解成一種自由度很大的化學鍵,當水杯加熱的時候,很多的熱量都消耗在這個化學鍵上了。