分子勢(shì)能是描述分子間的作用力相對(duì)應(yīng)位置關(guān)系的能，其變化情況要看分子間作用力。分子間作用力分為斥力和引力。在平衡位置時(shí)相對(duì)平衡，小于平衡位置時(shí)表現(xiàn)為斥力，大于平衡位置時(shí)表現(xiàn)為引力。但無(wú)論何時(shí)，引力與斥力都是同時(shí)存在的。

分子間由于存在相互的作用力，從而具有與其相對(duì)位置有關(guān)的能，即分子勢(shì)能。所以分子勢(shì)能與分子間的相互作用力的大小和相對(duì)位置有關(guān)。

分子勢(shì)能與相互作用力的關(guān)系：

其實(shí)分子間作用力越大，勢(shì)能越大。分子之間存在引力和斥力，但分子間距大于它自身直徑的10倍以上的時(shí)候，他們之間的作用力就變得十分微弱，可以忽略不計(jì)。

分子勢(shì)能與分子距離的關(guān)系：

1、分子距離在平衡距離處分子勢(shì)能最小。

2、分子距離在大于平衡距離和小于平衡距離時(shí)其分子勢(shì)能將增大。

3、分子距離在小于平衡距離時(shí)是斥力引起勢(shì)能，最大值在零距離處。

4、分子距離在大于平衡距離時(shí)是引力引起勢(shì)能，最大值在無(wú)窮遠(yuǎn)處。

當(dāng)溫度變化使物體熱脹冷縮時(shí)，分子勢(shì)能到底如何變化呢?

1、利用分子的彈簧模型，從分子力的角度分析

固體分子在不停的振動(dòng)，根據(jù)分子力的特征，用勁度系數(shù)為k1的彈簧來(lái)模擬分子靠近時(shí)表現(xiàn)的斥力，用勁度系數(shù)為k2的彈簧來(lái)模擬分子遠(yuǎn)離時(shí)表現(xiàn)的引力。斥力比引力變化快，所以k1 k2。B球與兩彈簧均不連接在一起。

小球在振動(dòng)過(guò)程中，動(dòng)能和勢(shì)能相互轉(zhuǎn)化。以小球A為參考，設(shè)B小球在平衡位置的速率為v0，以平衡位置為原點(diǎn)，取向右為正方向，B球在振動(dòng)過(guò)程中機(jī)械能守恒。則有:

兩小球距離最近時(shí)，小球偏離平衡位置的距離為：

兩小球距離最遠(yuǎn)時(shí)，小球偏離平衡位置的距離為：

則小球在振動(dòng)過(guò)程中的偏離平衡位置的平均位置為：

由于達(dá)不到絕對(duì)零度，分子速度不能為0，所以小球在振動(dòng)過(guò)程中，因?yàn)榉肿釉谄胶馕恢玫乃俣炔豢赡転榱恪?/p>

則v0 因?yàn)閗1 k2;則x 0。

則兩分子間的平均距離為:r=r0+x，在任何情況下都比平衡位置的距離r0大。此時(shí)分子間的平均作用力表現(xiàn)為引力，當(dāng)溫度升高時(shí)，分子平均速率變大，則v0也變大，x增大，r也增大，分子勢(shì)能增大。

2、力用分子間作用力的圖線分析

溫度為t2時(shí)，粒子最近距離為rt2 ，粒子最遠(yuǎn)距離為rt2 ，分子勢(shì)能都為EP2;溫度降低為t1時(shí)，分子在最近和最遠(yuǎn)處的勢(shì)能為EP1。

在一定溫度下，由于粒子在平衡位置附近振動(dòng)，因而具有動(dòng)能Ek，總能量為Ek與分子勢(shì)能EP之和，在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中是守恒的。

分子從平衡位置出發(fā)，根據(jù)分子間作用力的特點(diǎn)及圖線(a)可以看出:分子間距離減小所引起的斥力增長(zhǎng)比由于距離增大所引起的引力增長(zhǎng)快得多，因此分子距離減小時(shí)分子勢(shì)能的增大(如圖(b)AB部分所示)比遠(yuǎn)離時(shí)分子勢(shì)能的增大(如圖(b)BC部分所示)也快得多。

分子在振動(dòng)過(guò)程中，最接近的距離r 與最遠(yuǎn)距離是r 處的勢(shì)能與分子在平衡位置處的動(dòng)能相等。由于因而粒子間接近的距離r0-r 比粒子間遠(yuǎn)離的距離r -r0來(lái)得小，因此平均距離增大了。隨著溫度的升高，Ek增大，分子間的平均距離r r0，且隨之增大(如圖所示)。當(dāng)分子從平衡位置遠(yuǎn)離時(shí)，分子力表現(xiàn)為引力，做負(fù)功，分子勢(shì)能增大。

3、根據(jù)分子振動(dòng)的特征分析

由彈簧振子做簡(jiǎn)諧振動(dòng)時(shí)，在一個(gè)周期內(nèi)的平均動(dòng)能和平均勢(shì)能是相等的。由于分子內(nèi)的原子在平衡位置附近的微小振動(dòng)可以近似看做簡(jiǎn)諧振動(dòng)(不考慮分子的轉(zhuǎn)動(dòng))，因此，分子在振動(dòng)過(guò)程中，平均動(dòng)能與平均勢(shì)能相等。當(dāng)溫度升高時(shí)，分子平均速度變快，則分子的平均動(dòng)能變大。所以分子的平均勢(shì)能也變大。

因此，物體溫度升高時(shí)，分子動(dòng)能變大，分子勢(shì)能也變大。

4、結(jié)論

通過(guò)以上分析可以得出:

固體分子間平均距離大于r0，溫度越低，越接近r0。當(dāng)分子不振動(dòng)，即T=0K時(shí)，才有r=r0。當(dāng)溫度升高時(shí)，分子間平均距離增大，體積膨脹，則分子勢(shì)能增大。

為什么一定質(zhì)量0℃的冰熔化為相等質(zhì)量0℃的水，總的分子勢(shì)能增加了呢?

1、從能量轉(zhuǎn)化守恒的角度運(yùn)用熱力學(xué)第一定律來(lái)解說(shuō)

因?yàn)闇囟仁欠肿悠骄鶆?dòng)能大小的標(biāo)志，水和冰同為0℃時(shí)，它們的分子平均動(dòng)能相等，又由于二者質(zhì)量相等，分子數(shù)目相同，故分子總動(dòng)能也相同，今將一定質(zhì)量O℃的冰熔化為0℃的水，系統(tǒng)吸收熱量，同時(shí)體積縮小，外界對(duì)系統(tǒng)做功。

根據(jù)熱力學(xué)第一定律可知0℃的水的內(nèi)能大于0℃的冰的內(nèi)能，而分子的總動(dòng)能沒(méi)有變化，所以0℃水的分子勢(shì)能一定大于0℃冰的分子勢(shì)能。

2、從微觀角度運(yùn)用分子動(dòng)理論來(lái)解說(shuō)

晶體粒子的結(jié)合力的種類：

現(xiàn)今將離子、原子、分子統(tǒng)稱為粒子。晶體中粒子間存在著相互作用力，這種力稱為結(jié)合力。使晶體中粒子結(jié)合在一起的結(jié)合力也稱為化學(xué)鍵。

化學(xué)鍵主要有五種：即離子鍵、共價(jià)鍵、金屬鍵、氫鍵和范德瓦耳斯鍵。其中離子鍵、共價(jià)鍵的作用很強(qiáng)，金屬鍵可以很強(qiáng)，所以離子晶體、原子晶體硬度大、熔點(diǎn)高、揮發(fā)性低，金屬可以具有高的熔點(diǎn)、高的硬度和低揮發(fā)性，氫鍵較這三種鍵弱得多，但比范德瓦耳斯鍵要強(qiáng)。

以上幾種化學(xué)鍵雖然它們的起源不同，性質(zhì)不同，但也具有共同的特征，簡(jiǎn)略地說(shuō)可歸納為分子間相互作用。

對(duì)于大多數(shù)晶體，結(jié)合力不是單純的，而是綜合性的，即晶體的結(jié)合往往是幾種鍵共同作用的結(jié)果。

冰的微觀結(jié)構(gòu)：

冰有一定的晶體結(jié)構(gòu)，所以屬于晶體。冰的晶體結(jié)構(gòu)是四面體結(jié)構(gòu)，是由氫鍵連結(jié)而成，所以是氫鍵晶體。每個(gè)氧原子經(jīng)由氫鍵與其他四個(gè)氧原子連結(jié)，這四個(gè)氧原子位于四面體的頂點(diǎn)。

一個(gè)氧原子周?chē)兴膫€(gè)氫原子，兩個(gè)是通過(guò)共價(jià)鍵連結(jié)，另兩個(gè)是由氫鍵連結(jié)的。一個(gè)氫原子周?chē)袃蓚€(gè)氧原子，即每個(gè)氫原子都介于兩個(gè)氧原子之間，三者成一直線，但氫的平衡位置并不在這兩個(gè)氧原子的連線的中點(diǎn)，而與以共價(jià)鍵連結(jié)的氧原子的距離小，與以氫鍵連結(jié)的那個(gè)氧原子的距離大。

“冰變水”分子勢(shì)能變化：

冰的四面體結(jié)構(gòu)不是密堆積，有較大的空隙，因而冰的密度比水小，即相等質(zhì)量冰的體積比水的大。冰熔化時(shí)約有15%的氫鍵斷裂，將大量分子通過(guò)氫鍵構(gòu)造的非密堆積式的整體空間結(jié)構(gòu)碎裂為大量的由少量分子組成的尚保留空間結(jié)構(gòu)的小團(tuán)體，由范德瓦耳斯力將這些小團(tuán)體拉近變密，所以0℃的冰熔化為0℃的水，體積變小。

但由于氫鍵強(qiáng)于范德瓦耳斯鍵，拉斷氫鍵時(shí)克服氫鍵作用力所做的功多于小團(tuán)體靠近時(shí)范德瓦耳斯力所做的功，所以總的分子勢(shì)能仍然增加，即由氫鍵決定的分子勢(shì)能的變化起決定性作用。

當(dāng)冰全部熔化為0℃的水后繼續(xù)加熱升溫，仍不斷有氫鍵斷裂，將小團(tuán)體結(jié)構(gòu)繼續(xù)碎裂為更小的團(tuán)體，直至水溫達(dá)4℃時(shí)。由氫鍵結(jié)合的分子團(tuán)體變?yōu)樽钚?，只由一個(gè)氫鍵將兩個(gè)分子連結(jié)在一起的團(tuán)體，最小的團(tuán)體以最密集的方式堆積，分子間的空隙達(dá)到最小，所以此時(shí)水的體積最小。繼續(xù)升溫，水的體積便開(kāi)始增大。