做做功，改變物體的內(nèi)能

□文、圖/張軍

我們通常所說的內(nèi)能是狹義的概念，即物體內(nèi)部所有分子做無規(guī)則運動的動能和分子勢能之和。物體內(nèi)能的改變也是自然界最為普遍的現(xiàn)象之一，每時每刻都在發(fā)生。初中物理課本中介紹了改變物體內(nèi)能的兩種方式，即做功和熱傳遞。今天，我們就來做幾個實驗，進一步體會用做功的方式改變物體的內(nèi)能。

內(nèi)能是從微觀角度考慮的，它的大小與物體的質(zhì)量、溫度、體積或狀態(tài)都有關(guān)系。溫度對應(yīng)了分子無規(guī)則運動的劇烈程度，或者說對應(yīng)了分子平均動能的大小；而體積或狀態(tài)的變化，反映了分子間距離的變化、分子間作用力的變化、分子勢能的變化。在溫度、狀態(tài)相同的情況下，同種物體的質(zhì)量越大，內(nèi)能也就越大。但是，內(nèi)能的絕對值是無法計算的，通常計算的是內(nèi)能的變化量。

并不是所有方式的做功都能改變物體的內(nèi)能。比如，把物體舉高，增加的是重力勢能；讓物體水平方向加速，增加的是動能。能讓物體內(nèi)能增加的做功方式通常有4 種，分別是克服摩擦做功、壓縮氣體做功、彎折做功、鍛打或撞擊做功。

克服摩擦做功

手冷了，把雙手搓一搓，就會感覺暖和些，這就是用克服摩擦的方式增加手的內(nèi)能，直觀體驗就是雙手溫度在升高（圖1）。生活中，摩擦無處不在，因此這種改變內(nèi)能的方式也隨處可見。汽車在路面上行駛，與地面的摩擦?xí)屳喬ド郎亍Ｈ绻囆旭偹俣忍螅喬囟壬眠^高，就容易爆胎。所以，汽車限速是基于路面壽命、行車安全等多方面考慮的。機器運轉(zhuǎn)時，零部件間不停摩擦，會損耗機械能，影響工作效率。有研究表明，2006 年，全國8個工業(yè)部門消耗在摩擦、磨損和潤滑方面的資金約有9 500 億元；如果正確運用摩擦學(xué)知識，可以節(jié)省約3 270 億元，占當(dāng)時GDP 的1.55%。

嚴(yán)格來說，縫衣服、釘扣子、擦玻璃、穿衣服、走路、牙齒咀嚼食物、關(guān)節(jié)完成動作、水流過水管、風(fēng)穿過小巷，乃至地球板塊運動，都存在摩擦，都有機械能在轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，也就是通常所說的摩擦生熱，只不過我們一般意識不到。不過，鉆木取火卻為大家所熟知。

我們用電鉆去鉆木頭。鉆之前，測一下木頭與鉆頭的溫度，大約25℃；鉆木頭10秒鐘，鉆孔處的溫度升至190℃以上；停止鉆孔，拿走鉆頭，5 秒后再測木頭上的鉆孔溫度，降至78.4℃（圖2）。可以看到木屑已經(jīng)變色，說明雖然沒有出現(xiàn)明火，但是已有不完全的燃燒發(fā)生了。

圖2

下次玩滑滑梯，滑行可不能太長、太快哦，小心褲子著火。

壓縮氣體做功

用氣筒給自行車打過氣的同學(xué)應(yīng)該都知道，快速壓縮活塞幾次后，氣筒壁的溫度就明顯升高了（圖3）。壓縮氣體時，機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，活塞、氣筒壁、筒內(nèi)氣體的溫度都升高了，而且輪胎溫度也在升高。也許有同學(xué)會質(zhì)疑，是不是活塞與筒壁的摩擦導(dǎo)致了溫度升高呢？這個因素也存在，但不是主要因素。只要把氣嘴從輪胎上取下，推拉活塞幾次，摸摸打氣筒外壁就能知道，溫度明顯沒有打氣時那么高。

圖3 供圖/視覺中國

用氣球和打氣筒就可以做個實驗。先測一下氣球溫度，25℃。快速充氣，溫度很快升到27℃。將氣放掉，氣球溫度迅速降到22℃以下，這是因為氣體膨脹對外做功，導(dǎo)致內(nèi)能減小的緣故（圖4）。燒開水時，水蒸氣會頂起壺蓋，將內(nèi)能轉(zhuǎn)化為壺蓋的機械能，同時水蒸氣因內(nèi)能減少而發(fā)生液化，成為“水霧”。

圖4

壓縮氣體做功，讓氣體溫度升高，又稱為“氣動加熱”。飛行器再入大氣層時，溫度會升高，主要原因不是因為與空氣摩擦，而是氣動加熱。飛行器壓縮前面的空氣，可使空氣溫度超過10 000℃，導(dǎo)致氧氣、氮氣等變成等離子狀態(tài)，產(chǎn)生耀眼的光芒。導(dǎo)彈彈頭、太空探測器等進入地球大氣層時，都有可能被燒毀。我們所說的“流星”，其實就是進入大氣層后在高溫狀態(tài)下發(fā)光的隕石。這些隕石大部分會被燒掉，甚至爆炸為碎片，只有少部分落到地面。高溫氣流的燒蝕與沖擊會在隕石表面留下凹坑，有的類似拇指按壓，有的類似波浪，稱為“氣印”（圖5）。研究人員可以通過分析隕石上的氣印與熔流線，推知隕石在大氣中的飛行方向、是否定向降落等信息。

圖5

彎折和鍛打做功

找一根鐵絲，快速彎折七八次，彎折處的溫度快速從室溫升到30℃以上（圖6）。這是因為人彎折鐵絲做功時，機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。這時，不能貿(mào)然用手摸彎折處，以免燙傷。如果繼續(xù)彎折下去，鐵絲就會斷掉。在生產(chǎn)、生活中，很多情況下的彎折不像彎折鐵絲那樣頻繁、劇烈，但是能量轉(zhuǎn)化依然在發(fā)生，比如汽車駛過路面、列車駛過鋼軌、過山車駛過軌道，時間長了也會導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)破損、金屬疲勞等。

圖6

物體之間發(fā)生撞擊時，也會有機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。我們同樣可以用實驗來探究。

最后，給大家留個實驗題。找個塑料袋，用鋼尺壓在玻璃板上，拿美工刀快速將塑料袋底部劃掉。注意：劃切塑料袋時，必須壓緊刀口、快速劃動。劃過之后，剩余的塑料袋底部就應(yīng)該通了，但是你會發(fā)現(xiàn)，剩余的塑料袋底部居然還是密封的（圖7）！這是為什么呢？

圖7