第 10 章第 2 节内能

第

节

内

能

第 2 节

内能

火的使用在人类历史中具有非常重要的意义，“燧人氏钻木取火”是我国著名的古代传说之一。火为人类提供的更易消化的熟食，帮助人类抵御严寒。如图 10–2–1 所示，生鲜食材经火炙烤变得热气腾腾。食材吸收了炭火的热量后，自身的能量发生了怎样的变化？

什么是内能？

构成物体的分子都在永不停息地做无规则热运动，运动的物体具有动能，我们把分子因热运动而具有的动能叫做分子动能。分子之间存在着相互作用的引力和斥力，与弹簧被拉伸或压缩时产生的弹力类似，由于分子之间的相互作用而使分子具有的势能叫做分子势能。

第

章

内

能

在物理学中，把构成物体的所有分子的分子动能和分子势能的总和叫做物体的内能（internal energy）。在国际单位制中，内能的单位与功和机械能的单位相同，也是焦耳（J）。如图 10–2–2（a）所示，火山喷出的高温岩浆具有内能；而图 10–2–2（b）所示的冰山，虽然温度很低，也具有内能。一切物体，不论温度高低，都具有内能。

图 10–2–2 火山和冰山

将一定质量 100 ℃ 的水，变成 100 ℃ 的水蒸气，内能发生变化吗？

食物被加热后温度升高，内能增加。物体的内能与物体温度有关。此外，内能还与物体的体积、状态有关。

如何改变物体的内能？

在寒冷的冬季，可以在身上贴“暖宝宝”取暖；发烧时，可以将“退热贴”贴在额头上（图 10–2–3）进行物理降温。这些过程都是通过热传递的方式使物体的内能发生改变。热传递过程中，高温物体放出热量，内能减少；低温物体吸收热量，内能增加。

第

节

内

能

如图 10–2–4 所示，将少许易燃粉末放入密闭的厚壁玻璃筒底部，快速向下按压活塞 2 ~ 3 次，观察玻璃筒内发生的现象。

上述实验中，快速向下按压活塞，玻璃筒内的易燃粉末会燃烧。这是因为活塞对玻璃筒内的气体做功，气体的内能增加，温度升高，引燃粉末。可见，做功也是改变内能的一种方式。

钻木取火时，木头相互摩擦，使得干草等易燃物体温度升高，达到燃点而燃烧。近地空间大量的尘埃微粒和微小固体高速进入地球大气层时，会与大气发生剧烈摩擦而燃烧发光，形成美丽的流星（图 10–2–5）。这些现象中都存在做功改变内能的过程。

天冷时，我们可以把手放在暖手袋上，通过热传递让双手变得温暖；也可以搓搓手，通过做功让双手暖和起来。热传递和做功在改变物体的内能上是等效的。它们的差异是，热传递是物体间内能转移的过程，做功是其他形式能转化为内能的过程。

1847 年，英国物理学家焦耳设计了如图 10–2–6 所示的实验。图中的密闭容器内盛有适量的水，实验时，砝码缓慢下降，带动轮轴和转轴使

第

章

内

能

图 10–2–6 焦耳的实验示意图

翼轮搅动容器中的水，翼轮对水做功，使水温升高，内能增加。由于容器的导热性很差，所以容器中的水几乎不与外界发生热传递，水的内能增加完全来自砝码下降带动翼轮转动时重力所做的功。焦耳由砝码的质量和下落距离算出机械功，由水温变化算出内能的增加。焦耳发现，在实验误差许可的范围内，水的内能增加等于砝码重力所做的机械功。

在热现象的本质被揭示之前，人们并不清楚热、功、能量之间的关系，以至于热与功的单位都不一致。18 世纪末，热现象与运动之间关系的发现为焦耳对热与功对应关系的实验研究开辟了道路。在 1840 年到 1878 年近 40 年的时间内，焦耳不断改进实验，采用各种不同的方法、设备、材料研究热和功的对应关系，焦耳甚至用鲸脑油代替水重复了上述实验并得到相同的结果。焦耳的实验为能量守恒定律的建立奠定了基础。

1．图 10–2–7中，通过做功改变物体内能的实例是_________，通过热传递改变物体内能的实例是_________。（均选填序号）