關于物體內能的組成和變化的幾點探討

鐘梓鳴

摘 要：教材中明確指出，物體中所有分子的分子勢能和所有分子做熱運動的動能的總和，就等于物體的內能。該文從高中熱學中的兩大難點概念——物體內能的組成和物體內能的變化出發，對這兩大概念以筆者自己的觀點進行了闡述，并就與這兩大概念相關的物體內能的影響因素、物體做功與內能變化量的關系進行了相應探討，且舉以實例對文中的觀點予以了說明。

關鍵詞：高中熱力學 物體內能的組成 物體內能的變化

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）07（c）-0107-02

Abstract： Textbooks clear that the object of all molecules of molecular potential energy and thermal motion of all the molecules do sum of kinetic energy， it is equal to the internal energy of the object. This article from high school in two difficult thermal concept - can change the inner body composition and energy objects of view， these two concepts to the author's own views were elaborated on and with these two concepts within object factors that affect the objects acting relationship with the amount of change in the internal energy accordingly discussed with examples of both the text view to be described.

Key Words： High school thermodynamics； The composition can be inside the object； Can change inside the object

熱學在高中物理中的地位舉足輕重，該部分內容以及與內能有關的概念最難為我們高中學生所理解。該文以兩個高中學生最容易含混的兩大概念，即物體內能的組成和物體內能的變化展開了幾點物理問題的探討，希望能對和筆者一樣正在進行高中物理學習的同學有一點幫助。

1 物體內能的組成

教材中明確指出，物體中所有分子的分子勢能和所有分子做熱運動的動能的總和，就等于物體的內能。也就是說，物體的內能是由其內部所有的分子的分子勢能和分子熱運動的動能所組成的[1]。

從微觀角度來看，物質是由大量的分子組成的，分子都在不停地運動，所以所有的分子都有動能。無論是通過前面宏觀力學部分的牛頓萬有引力定律來理解，還是通過后來學習的庫倫定律來理解，我們都可以判斷分子之間是存在分子力的。有力存在，就必定有對應的勢能，所以分子勢能一定存在。物體內分子的種類與物體的種類有關，而分子的多少與其質量有關，其分子的熱運動激烈程度又與溫度有關，我們由動能定理可知Ek=mv2，所以，物體內分子的動能與其物體種類、物體質量和環境溫度有關。而物體的種類還是影響組成其分子的原子的原子核的所帶電荷數，物體的體積影響其分子之間的相互作用力大小，所以物體的種類、體積和質量都會影響其內部分子的分子勢能之和。所以一般籠統地理解，我們認為物體的內能和物體的種類、溫度、質量、體積等因素有關。

以上只是就高中所學的知識而進行的粗淺認識，筆者通過查閱文獻，發現對于固體和液體而言，其內部分子的相互作用機制其實是非常復雜的，現階段我們所掌握的知識并不足以對其形成深刻認識。至于氣體，教材中有較為詳細的講解，與上述的理解并無二致，下面筆者想就文獻中的觀點重點談一下晶體的內能。

固體中的晶體，微觀結構一般看成很多晶格，一般我們會認為其粒子在其晶格式固定不動，其實則不然，粒子是一定存在熱運動的，但因為其運動并不劇烈而不會破壞粒子間的結合，這種輕微的運動稱之為晶格振動。自由的粒子一旦結合起來形成晶格，其內能都可分為晶格能和晶格振動能，晶格能取決于粒子間的相互勢能，由晶體的體積決定。而晶格振動能為晶體的振動勢能和振動動能之和，此兩者分別由晶體體積和溫度來決定。所以，晶體的內能也可以籠統理解為其內部分子的分子勢能和分子熱運動動能之和，與晶體種類、質量、溫度、體積等因素有關。

2 物體內能的變化

我們雖然知道了物體內能的組成，也了解其內能的決定因素，但是，物體的內能是絕對沒有辦法測定的，而且以任何一個值來衡量物體的內能都是沒有意義的。物體的內能不能測定，可物體內能的變化量卻是有辦法進行量度的。

物體內能的改變途徑有且只有兩種，即熱傳遞和做功。

熱傳遞的實質其實是讓物體的內能實現了轉移，高溫物體能通過熱傳遞的方式，將其內能轉移給低溫物體，使高溫物體自身的內能減少，而使得低溫物體的內能增加。其間若沒有第三個物體參與能量的交換，那么高溫物體內能的減少量必定是和低溫物體內能的增加量是相等的[2]。

教材中明確給出了一個功的概念，即功是物體能量轉化的量度。這個概念是在告訴我們，所謂做功，其實是一個物體的內能與其他形式的能量的相互轉化的過程。譬如說，一個物體以一定的初速度從粗糙的斜面上滑下，摩擦力在這個過程中阻礙物體的運動，做了負功，該物體的一部分動能就轉化成了物體和粗糙斜面兩者的內能。

從上述討論我們可以看出，物體內能的變化，可以由熱量的傳遞量和外界對物體做功兩方面進行度量，筆者通過認真思考，認為做功與內能的變化其實可以深入地總結一下。

首先，做功雖然可以使物體的內能改變，但并不是只要對物體做功其內能就一定會發生改變。這一點我們以物體做自由落體運動這一模型來分析就能得到清晰的認識，物體下落，其重力不斷對物體做功，但這個過程其重力做的功全部變為了物體的動能，物體的內能既沒有增加也沒有減少[3]。其次，改變物體內能的功，未必需要外力來完成，機械波、電磁波、電流等也可以對物體做功使其內能為之改變。這個也很好理解，一根通電的導線，在其通電一定時間后會變熱，這中間既沒有熱量傳遞也沒有外力做功，導線的內能卻增加了，這就是電流完成了對導線的做功。再次，其他形式的能量和內能之間不但可以完成相互轉化，在許多方面還能夠相互涵蓋，為同一本質的兩種表現。如分子的動能實則就涵蓋在其所組成的物體的內能當中，物體的彈性勢能和內能也是其分子勢能這同一性質的不同表現而已。

3 結語

熱學是高中物理的重點內容，也是日后我們想在材料學、動力學等科學領域實現進一步學習的基礎，認真對物理的內能進行深入的學習和研究對我們每一個高中生而言都很有必要。該文就筆者的觀點，對物體內能的組成和物體內能的變化兩大版塊進行了簡要的探討，若其間有因筆者才識之不足抑或撰文資料之不完備而引起的紕漏，還望大家發現后不吝賜教，幫忙斧正。

參考文獻

[1] 相翠翠.理想模型法在高中熱學中的應用[J].高中數理化，2016（1）：42-43.

[2] 陳光榮.一組高中熱學是非判斷題[J].中學物理教學參考，1996（4）：11-12.

[3] 黃俞紅.假設法解高中物理選修3-3熱學題[J].學周刊，2015（12）：171.