第七章A 物体的内能

导学

在本章中，你将学习

• 物体的内能
• 能的转化和能量守恒定律
• 能的转化的方向性
• 能源的开发利用和环境保护

人们对能量的认识和利用经历了漫长而曲折的历程。1768年，英国的瓦特（James Watt，1736-1819）发明了第一代实用的蒸汽机（图7-1）。这标志着人类对能量的利用进入了一个新台阶，迎来了工业化时代，此后，人们又掌握了获取电能的技术。

如今，人们不仅利用蕴含在煤、石油等物质内部的能量，还利用来自河流、风、太阳光以及来自原子核内的能量。图7-2是我国建成的世界上最大的水力发电设施——长江三峡电站。

下面我们通过一个实例来初步分析能量的利用和转化。如图7-3所示，为了使一只瘪了的乒乓球恢复原状，可用电热吹风机对乒乓球加热。请你分析一下，在此过程中能量的利用和转化情况。你还能列举出其他利用各种不同形式能量的事例吗？

你见过图7-4所示的因纽特人的冰屋吗？每当冬天到来之前，因纽特人都要建造冰屋。他们就地取材，用冰作为“砖”，用水作为“泥”，垒起的冰屋结实不透风，能够把寒风拒之屋外。由于冰是热的不良导体，能很好地隔热，屋里的热量几乎不能通过冰墙传导到屋外，加上冻结成一体的冰屋没有窗子，门口挂着兽皮门帘，这样可以大大减少屋内外空气的对流，冰屋内的温度可以保持在零下几摄氏度到零下十几摄氏度。这相对于零下50多摄氏度的屋外要暖和多了。因纽特人再穿上皮衣，在这样的冰屋里完全可以安全过冬了。

图7-5中的上、下两只杯子内各存有一定质量的冷水和热水，其中上方的杯底有一块半导体材料制成的温差电池，电池的两极与一只小电扇构成回路。由于上、下两只杯子中水的温度不同，风扇会不停地转动。驱动风扇运转的能量正是源自水中的内能。

我们在力学中已经知道什么是动能和势能。物体由于做机械运动而具有动能，地面上的物体由于受到地球引力作用而具有（重力）势能。那么，内能又是什么？动能和势能是可以转化的，内能与其他形式的能是否可以相互转化呢？它们之间有什么规律？这些都是本节中要探讨的问题。

什么是物体的内能？

组成物体的分子不停地做无规则运动。像一切运动着的物体一样，做热运动的分子也具有动能。

我们知道物体里分子运动的速率是不同的，因此各个分子的动能并不相同。在研究热现象时，我们关心的是物体内所有分子动能的平均值。我们把这个平均值叫做分子热运动的平均动能，简称分子动能。

1．内能（internal energy）

（1）分子做无规则运动，因此分子具有动能。

物体内大量分子无规则运动跟温度有关，所以我们又把这种运动叫做热运动。

温度与分子热运动的关系密切，它是物体分子热运动的平均动能的标志。温度越高，物体分子热运动越剧烈，分子热运动的平均动能越大；温度越低，分子热运动的平均动能越小。

物体内分子不仅做永不停息的热运动，而且分子间存在相互作用，因而分子具有与分子间距离有关的势能，叫做分子势能。

物体的分子势能与物体的状态和体积有关。分子势能是随着分子之间距离的变化而变化的，而分子间距离发生变化的宏观表现就是物体的状态和体积发生了变化。当分子间距离发生变化时，分子间作用力就会做功。分子间作用力做正功，分子势能减少；分子间作用力做负功，分子势能增加。

（2）由于分子间存在相互作用力，所以分子具有势能。

一切物体都是由不停地做无规则热运动并且相互作用着的分子组成的。在历史上，人们把物体中所有分子做热运动的动能和分子势能的总和，叫做物体的内能。如今，人们对物体内部能量的认识已经大大拓展了。人们不仅认识到物质由分子或原子组成，而且认识到原子是由原子核和核外电子组成，原子核又由中子、质子等更基本的粒子组成。组成物质的形形色色的粒子具有各种形式的能，它们组成了物质内部的能量总和。

（3）内能是物体内部具有的能量，它包括物体内所有分子动能很势能。

如果对水加热，水分子的热运动会加剧，导致水分子的动能增加；水在汽化、液化、凝固等过程中，分子间的距离将会发生改变，分子势能会发生变化，因此物体的内能与物体的温度和体积、状态都有关系。在日常生活和生产中，许多实际过程都伴随着内能的变化。图7-4中的冰屋是用隔热的方法减少内能的损失。

值得注意的是，热现象是大量分子热运动的宏观表现，是大量分子运动的统计结果。讨论个别分子的温度和内能是没有意义的。

大家谈

列举几个内能发生变化的实际事例。

如何使物体的内能发生变化？

为了探究内能变化的规律性、更好地利用内能，我们首先要搞清究竟有哪些途径会引起物体内能的变化？

在日常生活中，我们常常可以看到这样一些例子：两手心相互摩擦，温度会升高；锯木头的时候，锯条和木头的温度升高；用砂轮磨刀具的时候，刀具和砂轮的温度升高。在这些例子中，物体温度升高，内能增加，都是与克服摩擦力做功的过程同时发生的。可见，克服摩擦力做功，可使物体的内能增加。

2．内能变化的两个途径

（1）做功可以改变物体的内能。

DIS实验

摩擦与热

18世纪末和19世纪初，科学家通过摩擦生热的实验，把物体内能的变化与机械运动联系起来。图7-6和图7-7分别是用DIS研究摩擦与热的实验装置和软件界面。在铜管内插入温度传感器，点击软件界面中的实验条目“摩擦做功使温度升高”。拉动绳子，观察软件界面上温度的变化曲线。我们可以发现，拉动次数越多，铜管的温度升得越高。观察温度变化曲线，分析拉动次数和对应的温度变化情况，就可以研究克服摩擦做功与热的关系。

除了克服摩擦力做功可以使内能增加外，用力压缩气体对气体做功，也可以增加气体的内能。如图7-8所示，柴油机气缸内的空气受到活塞的压缩，内能增加，温度升高，通过高压油泵喷入的雾状柴油立即被点燃。当高温气体对外膨胀做功时，气体内能转化为活塞的机械能，气体的内能减少，温度下降。

上述例子告诉我们，做功是改变物体内能的一条重要途径。当外界对物体做功时，物体的内能增加；当物体对外做功时，物体的内能减少。

然而，做功并不是改变物体内能的唯一物理过程。灼热的火炉可以使它周围物体的温度升高，内能增加；容器中的热水使放入其中的冰熔化，并不断向外界散热后逐渐冷却，内能减少。这些例子中，虽然没有做功，但物体的内能改变了，这种没有做功而使物体的内能改变的物理过程叫做热传递。

（2）热传递可以改变物体的内能。

我们可以用加热（热传递）的方法使一根铁丝的温度升高；也可使它与其他物体摩擦，用做功的方法使它升高同样的温度。大量事实说明，做功和热传递在改变物体内能上可以收到相同的效果。

做功和热传递在改变内能的效果上时等效的。做功使其他形式的能如机械能等转化为内能；热传递使物体间的内能发生转移。

自主活动

指出下面各例中物体内能的改变是通过什么方式实现的？

（1）池水在阳光照射下温度升高。

（2）锤子敲击钉子，钉子变热。

（3）写在纸上的墨水干了。

（4）锉刀锉铁块时，铁块发热。

历史回眸

19世纪中叶，英国物理学家焦耳从1840年开始，在以后将近40年的时间里，研究了靡擦生热、压缩空气的温度升高以及电流的热效应等力学、电学、化学的功与所产生热量的关系，确定了热与功的当量关系，为内能的发现以及能量守恒定律的建立奠定了基础。焦耳在这方面共做了400余种各式各样的实验。下面是他做过的一个最著名的实验。

这个实验装置如图7-9所示，在与外界隔热良好的量热器里装有水。重物P与重物Pʹ下落时，带动量热器中的叶片转动，由于摩擦而使水的温度升高。测出重物P和Pʹ的质量以及它们下降的距离，可以计算出所做的功。另一方面，由水和量热器的质量、比热容、升高的温度又可计算出增加的内能。焦耳通过多次实验证明，所做的功（或所消耗的机械能）总等于水和量热器增加的内能。

发布时间：2016/9/23 下午4:34:16  阅读次数：1307