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为什么氢键使水的比热容大

admin 我的分享 2024-01-04 06:12:51 286 0

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比热,也称比热容,是指单位质量的某种物质升高或下降单位温度所吸收或放出的热量。比热是热力学中常用的一个物理量,它表示物体吸热或散热能力。比热容越大,物体的吸热或散热能力越强。我们知道水是我们日常生活中常见的吸热和散热能力最强的液体,水的比热容在25℃时,大约是4.2×10³ J/(kg℃),比其它液体普遍较高。实际上,液态水具有如此强的储热能力正是由于它内部包含了大量的氢键。之前介绍水的密度时我们提到过,在液态水中,许多水分子缔合在一起形成了不同组合形式的分子微团。

图1 水的微团缔合结构

如图1(b)~(d)那样,随着加热升高温度到一定程度,缔合的水分子会分开成为缔合程度更小甚至独立的单个水分子,我们称之为缔合的离解。缔合和离解是个伴随着热量输送的可逆的平衡过程,其中,缔合是放热过程,离解是吸热过程。水的高比热特性,就是因为在常温下水是高度缔合的,当加热水给它输入热量,水就部分拆开缔合,增大分子运动(动能)和加大分子间距(势能)。而由于水分子的极性和氢键的作用使水分子之间的引力较强,所以拆开缔合需要较多能量。我们知道热的本质就是分子运动,正是由于液态水中存在大量氢键,使得拆开水分子缔合,使水分子获得运动动能和分子势能要比拆开其它三原子极性分子耗费更多的输入热量,所以液态水的比热更大。水的氢键使水具有特优的吸热能力,水将大部分所吸收的热,用来打断氢键,因此不会增加液体的温度。因为有此项特质,生活在水中的有机体能得到水的保护,而不会因空气中温度的急遽变化而有致命的危险。所以,我们地球上的原始生命诞生自海洋,也就是十分合乎情理的一个现象了。

(声明:本文知识点源主要归纳自南开大学已故申泮文院士的相关著作。)

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