分子勢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，即分子勢能。所以分子勢能與分子間的相互作用力的大小和相對(duì)位置有關(guān)。

分子勢能與相互作用力的關(guān)系：

其實(shí)分子間作用力越大，勢能越大。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)。

分子勢能與分子距離的關(guān)系：

1、分子距離在平衡距離處分子勢能最小。

2、分子距離在大于平衡距離和小于平衡距離時(shí)其分子勢能將增大。

3、分子距離在小于平衡距離時(shí)是斥力引起勢能，最大值在零距離處。

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

當(dāng)溫度變化使物體熱脹冷縮時(shí)，分子勢能到底如何變化呢?

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)過程中，動(dòng)能和勢能相互轉(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 ，分子勢能都為EP2;溫度降低為t1時(shí)，分子在最近和最遠(yuǎn)處的勢能為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與分子勢能EP之和，在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中是守恒的。

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比由于距離增大所引起的引力增長快得多，因此分子距離減小時(shí)分子勢能的增大(如圖(b)AB部分所示)比遠(yuǎn)離時(shí)分子勢能的增大(如圖(b)BC部分所示)也快得多。

分子在振動(dòng)過程中，最接近的距離r 與最遠(yuǎn)距離是r 處的勢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，分子勢能增大。

3、根據(jù)分子振動(dòng)的特征分析

由彈簧振子做簡諧振動(dòng)時(shí)，在一個(gè)周期內(nèi)的平均動(dòng)能和平均勢能是相等的。由于分子內(nèi)的原子在平衡位置附近的微小振動(dòng)可以近似看做簡諧振動(dòng)(不考慮分子的轉(zhuǎn)動(dòng))，因此，分子在振動(dòng)過程中，平均動(dòng)能與平均勢能相等。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。所以分子的平均勢能也變大。

因此，物體溫度升高時(shí)，分子動(dòng)能變大，分子勢能也變大。

4、結(jié)論

通過以上分析可以得出:

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)第一定律來解說

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)能沒有變化，所以0℃水的分子勢能一定大于0℃冰的分子勢能。

2、從微觀角度運(yùn)用分子動(dòng)理論來解說

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，簡略地說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)氧原子周圍有四個(gè)氫原子，兩個(gè)是通過共價(jià)鍵連結(jié)，另兩個(gè)是由氫鍵連結(jié)的。一個(gè)氫原子周圍有兩個(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，所以總的分子勢能仍然增加，即由氫鍵決定的分子勢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，水的體積便開始增大。