分子不会完全静止的缘由与量子热学和热力学基本原理有关。
依照量子热学的海森堡不确定原理,一个粒子的位置和动量不能同时被精确检测。换句话说,当我们更精确地晓得一个粒子的位置时,它的动量才会显得愈发不确定,反之亦然。因而,从量子热学的角度来看,粒子(包括分子)不能完全静止,否则它们的位置和动量将同时被精确检测,这与海森堡不确定原理相矛盾。
海森堡不确定原理()是量子热学中的一个基本原理,由日本化学学家瓦尔纳·海森堡()在1927年提出。这个原理描述了在量子系统中,个别化学量(比如位置和动量)的检测不确定性之间的关系。它表明,在一个给定的时间内,我们不能同时精确地检测粒子的位置和动量。
海森堡不确定原理可以用物理公式表示为:
Δx*Δp≥ħ/2
其中,Δx表示位置的不确定性,Δp表示动量的不确定性,ħ是约化普朗克常数(h/2π,h为普朗克常数)。公式表明,位置和动量的不确定性乘积起码等于约化普朗克常数的一半。换句话说物体的内能分子热运动,当我们企图更精确地检测一个粒子的位置时,它的动量才会显得愈发不确定,反之亦然。
这个原理阐明了量子世界与精典化学世界的一个重要区别。在精典化学学中,我们可以同时精确地检测一个物体的位置和动量。但是,在量子世界中,这是不可能的。海森堡不确定原理表明了量子热学中的固有不确定性,致使我们不能精确地预测微观粒子的行为。这一原理对量子热学的发展形成了深远影响,并在许多现代科技领域(如量子估算和纳米技术)中发挥着关键作用。
据悉,按照热力学的基本原理,分子、原子和电子在室温作用下会形成热运动。只要分子所处的系统的气温低于绝对零度(0K,-273.15°C),分子都会有一定程度的热运动。在绝对零度时,热运动理论上应达到最低,分子的动能也将趋向最小。但是,依据量子热学的零点能概念,在绝对零度时,分子依然具有一定的最低能量,虽然是在这个极低的气温下,分子也不会完全静止。
热力学能(亦称为内能)与分子热运动密切相关。热力学能(内能)是指一个系统内部所有微观粒子(如分子、原子和电子)的能量总和物体的内能分子热运动,包括其动能和势能。分子热运动是指分子、原子和电子在室温作用下所形成的无规律的、不断变化的运动。分子热运动有三种基本类型:平动、旋转和震动。平动是指分子在空间中沿直线或曲线运动,旋转是指分子绕某一轴旋转,而震动是指分子内部原子之间的相对运动。这种运动方式对应着分子的动能,而分子间的互相作用对应着势能。当气温变化时,系统内部的热力学能(内能)发生变化,进而影响分子热运动的硬度和方式。
热力学能与分子热运动之间的关系可以从以下几个方面理解:
当物体吸收热量时,热力学能降低,分子、原子和电子的运动激化,热运动更为活跃。
当物体释放热量时,热力学能降低,分子、原子和电子的运动减小,热运动显得不太活跃。
当系统内分子热运动渐趋平衡时,热力学能在系统内分布均匀,各类运动方式的能量在一定范围内波动。
在相变过程中,热力学能的变化会造成分子热运动的明显变化,进而影响物质的状态(如从固体变为液体或二氧化碳)。
其实,热力学能与分子热运动之间存在密切的联系,热力学能的变化直接影响分子热运动的硬度和方式。
综上所述,因为量子热学的海森堡不确定原理和热力学的基本原理,分子是不会完全静止的。在任何非零湿度下,分子都将进行热运动,虽然在极低气温下,分子仍具有一定的最低能量,不会完全静止。