內能領域知多少

瞿曉峰

一、基于分子動理論的內能概念

構成物質的分子都在做無規則運動，因而它們具有動能，物體內大量分子做無規則運動所具有的能量稱為分子動能；由于分子之間具有一定的距離，也具有一定的作用力，因而分子具有勢能，稱做分子勢能；物體內所有分子做無規則運動的動能和分子勢能的總和，叫做物體的內能.

需要注意的是：①整個物體的機械運動與內部分子的無規則運動是兩回事，不能混淆.例如，“物體運動速度越大，分子動能越大，因此內能越大”就犯了宏觀、微觀混為一談的錯誤；②既然一切物體中的分子都在永不停息地做無規則運動，則任何物體在任何情況下都具有內能，也就是說，任何情況下，物體的內能都不可能等于零.所以說，“內能跟溫度有關，所以0℃的冰沒有內能”這種說法是錯誤的.

二、影響內能大小的基本因素

初中階段的內能學習，同學們要注意，影響物體內能大小的因素主要有三：一是質量，同種物質質量的大小決定著分子數量的多少；二是溫度，溫度的高低決定著分子無規則運動的劇烈程度；三是物態，不同物態下分子之間作用力的強弱以及分子間距離是不同的，分子勢能也是不一樣的，同溫度的等量物質，氣態的分子勢能大于液態的分子勢能，液態的分子勢能大于固態的分子勢能.

在實際比較不同物體內能大小的過程中，需要綜合考慮各個相關因素.例如，4只相同規格的燒杯中裝有水，水量及其溫度如圖所示.關于4只燒杯中水的內能的大小，可以依次有序做出判斷.d燒杯中水的內能大于c燒杯中水的內能，這是由于溫度差異導致的；d燒杯中水的內能大于b燒杯中水的內能，這是由于質量差異導致的；b燒杯中水的內能大于a燒杯中水的內能，這是由于溫度差異導致的；c燒杯中水的內能大于a燒杯中水的內能，這是由于質量差異導致的.那么，b、c兩燒杯中水的內能誰大誰小呢？這就不得而知了，b燒杯中水的溫度高，c燒杯中水的質量（分子數量）大.

對于同一物體而言，影響其內能大小的就只剩下溫度與物態兩個因素了，需要指出的是：由物態變化引起分子勢能的變化需要引起同學們的注意.同一物體在沒有物態變化的前提下，物體的內能越大，溫度越高；物體的內能越小，溫度越低.但有物態變化時，情況就不同了，例如晶體熔化及液體的沸騰過程中，物體吸熱，內能增加，但溫度卻保持不變.例如，一塊0℃的冰熔化成0℃的水，由于冰塊吸收熱量導致其內能增加，雖然溫度沒有改變，但分子的勢能發生了變化.故同一物體，溫度升高，內能一定增加；反過來，內能增加，溫度不一定升高，有可能保持不變.

三、改變物體內能的兩種方法

改變物體內能大小的方法有兩種：做功和熱傳遞，如下表所示.

做功和熱傳遞這兩種方式雖然在改變物體內能上是等效的，但本質還是有所區別.“做功”使物體的機械能轉化為物體內無規則運動分子的內能，屬能量的轉化，做功使物體的內能改變有多種形式，如克服摩擦、壓縮氣體等.熱傳遞則是能量從高溫物體傳到低溫物體或者從同一物體的高溫部分傳到低溫部分的過程，屬能量的轉移，熱傳遞改變物體內能方式有傳導、對流和輻射.

四、明辨幾個相近概念

溫度、熱量、內能這三個概念是有本質區別的.①溫度是表示物體冷熱程度的物理量.溫度是狀態量，可以說溫度“是多少”，也可以說溫度“升高了多少”或“降低了多少”；②內能是物體內部所有分子做無規則運動的動能和分子勢能的總和.內能是狀態量，形容內能可以說“有”，也可以說“大”“小”“增大”“減小”；③熱量是熱傳遞過程中傳遞能量的多少.熱量是過程量，可以說“吸收多少”或“放出多少”熱量，但不能說“含有多少”熱量.所以“高溫物體與低溫物體接觸后，高溫物體把溫度傳遞給了低溫物體，所以高溫物體的溫度降低，低溫物體的溫度升高”這種說法是不成立的.

日常生活中說的“熱”，含義是廣泛的，在不同情況下，有的“熱”表示物體的溫度，有的“熱”表示物體的內能，有的“熱”表示在熱傳遞過程中吸收或放出的熱量.例如，“今天的天氣真熱”的“熱”，是表示物體的冷熱程度的，說明氣溫高，指溫度；“氣筒壁熱了”的“熱”，是由于打氣時，克服摩擦做功，同時壓縮氣體做功，機械能轉化為內能，因此，這個“熱”表示的是內能；“物體吸熱，溫度升高”，表示低溫物體吸收熱量，溫度升高，這個“熱”指的是“熱量”.

五、內能獲取及利用的歷史變遷

內能在人們的生產、生活中應用相當廣泛，內能的獲取以及利用的歷史，也是人類技術發展、社會進步的歷史.農耕文化，意味著人類獲取內能的方式主要是燃燒柴草，對內能的利用也很簡單，主要用于烤火取暖以及加熱熟食；工業革命，意味著人類獲取內能的方式聚焦在煤炭燃料的集中開采和使用，產生的內能主要用于通過蒸汽機以轉化成工業生產所需要的機械能；產業革命，意味著人類獲取內能的方式聚焦在石油燃料的集中開采和使用，產生的內能一是通過內燃機以轉化成驅動交通工具前進的機械能，二是通過內燃機帶動發電機產生電氣化生產、生活所需要的電能；現如今，人們把核能轉化為內能，并將內能轉化為機械能，進一步轉化為電能，這成為人類能源獲取與利用的新途徑.

六、內能的利用與溫室效應

由于人口的急劇增加，現代社會對內能的需求也日益增加，且各國都加快了工業化的進程，這樣就必須大量地使用燃料來獲取內能，使得排放到空氣中的二氧化碳相應增加；又由于森林被大量砍伐，大氣中應被森林吸收的二氧化碳沒有被吸收，這也是空氣中二氧化碳含量增加的一個原因，溫室效應也進一步增強.估計到21世紀中葉，地球表面平均溫度將上升1.5～4.5℃，而在中高緯度地區，溫度將上升更大.溫室效應的后果十分嚴重，它將促使自然生態發生重大變化.土地侵蝕加重，荒漠化擴大，森林退向極地，旱澇災害嚴重，雨量將增加7%～11%；溫帶冬天更濕，夏天更旱，這會迫使原有的水利工程重新調整.由于氣溫升高，兩極冰川將熔化，使海平面上升，沿海將受到嚴重威脅……

地球變暖已引起全世界人們的關注，如何積極治理大氣污染已成為人類迫切需要解決的重要課題.由于現階段人類利用的能量主要還是內能，不能因為它造成了大氣污染就“因噎廢食”，棄之不用.在利用內能時，首先，我們可以通過改進設備和技術，采用集中供熱、普及煤氣、天然氣的使用等措施來減輕對大氣的污染；其次，研究把二氧化碳氣體轉化為其他物質的生物、化學技術，實現二氧化碳氣體的收集和綠色轉化；再次，要保護好現有的森林，并大力提倡植樹造林，使大氣中的二氧化碳通過植物光合作用轉化為營養物質；最后，還要研究利用各種途徑，盡量減少礦物能源的總消耗，大力開發和應用太陽能、水能、原子能和風能等，以減少二氧化碳的排放，最終達到減輕溫室效應帶來的嚴重后果.