內(nèi)能領(lǐng)域知多少

瞿曉峰

一、基于分子動理論的內(nèi)能概念

構(gòu)成物質(zhì)的分子都在做無規(guī)則運(yùn)動，因而它們具有動能，物體內(nèi)大量分子做無規(guī)則運(yùn)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(nèi)所有分子做無規(guī)則運(yùn)動的動能和分子勢能的總和，叫做物體的內(nèi)能.

需要注意的是：①整個物體的機(jī)械運(yùn)動與內(nèi)部分子的無規(guī)則運(yùn)動是兩回事，不能混淆.例如，“物體運(yùn)動速度越大，分子動能越大，因此內(nèi)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(guī)則運(yùn)動，則任何物體在任何情況下都具有內(nèi)能，也就是說，任何情況下，物體的內(nèi)能都不可能等于零.所以說，“內(nèi)能跟溫度有關(guān)，所以0℃的冰沒有內(nèi)能”這種說法是錯誤的.

二、影響內(nèi)能大小的基本因素

初中階段的內(nèi)能學(xué)習(xí)，同學(xué)們要注意，影響物體內(nèi)能大小的因素主要有三：一是質(zhì)量，同種物質(zhì)質(zhì)量的大小決定著分子數(shù)量的多少；二是溫度，溫度的高低決定著分子無規(guī)則運(yùn)動的劇烈程度；三是物態(tài)，不同物態(tài)下分子之間作用力的強(qiáng)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(zhì)，氣態(tài)的分子勢能大于液態(tài)的分子勢能，液態(tài)的分子勢能大于固態(tài)的分子勢能.

在實(shí)際比較不同物體內(nèi)能大小的過程中，需要綜合考慮各個相關(guān)因素.例如，4只相同規(guī)格的燒杯中裝有水，水量及其溫度如圖所示.關(guān)于4只燒杯中水的內(nèi)能的大小，可以依次有序做出判斷.d燒杯中水的內(nèi)能大于c燒杯中水的內(nèi)能，這是由于溫度差異導(dǎo)致的；d燒杯中水的內(nèi)能大于b燒杯中水的內(nèi)能，這是由于質(zhì)量差異導(dǎo)致的；b燒杯中水的內(nèi)能大于a燒杯中水的內(nèi)能，這是由于溫度差異導(dǎo)致的；c燒杯中水的內(nèi)能大于a燒杯中水的內(nèi)能，這是由于質(zhì)量差異導(dǎo)致的.那么，b、c兩燒杯中水的內(nèi)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(zhì)量（分子數(shù)量）大.

對于同一物體而言，影響其內(nèi)能大小的就只剩下溫度與物態(tài)兩個因素了，需要指出的是：由物態(tài)變化引起分子勢能的變化需要引起同學(xué)們的注意.同一物體在沒有物態(tài)變化的前提下，物體的內(nèi)能越大，溫度越高；物體的內(nèi)能越小，溫度越低.但有物態(tài)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(nèi)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(dǎo)致其內(nèi)能增加，雖然溫度沒有改變，但分子的勢能發(fā)生了變化.故同一物體，溫度升高，內(nèi)能一定增加；反過來，內(nèi)能增加，溫度不一定升高，有可能保持不變.

三、改變物體內(nèi)能的兩種方法

改變物體內(nèi)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(nèi)能上是等效的，但本質(zhì)還是有所區(qū)別.“做功”使物體的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為物體內(nèi)無規(guī)則運(yùn)動分子的內(nèi)能，屬能量的轉(zhuǎn)化，做功使物體的內(nèi)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(zhuǎn)移，熱傳遞改變物體內(nèi)能方式有傳導(dǎo)、對流和輻射.

四、明辨幾個相近概念

溫度、熱量、內(nèi)能這三個概念是有本質(zhì)區(qū)別的.①溫度是表示物體冷熱程度的物理量.溫度是狀態(tài)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(nèi)能是物體內(nèi)部所有分子做無規(guī)則運(yùn)動的動能和分子勢能的總和.內(nèi)能是狀態(tài)量，形容內(nèi)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(nèi)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(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，因此，這個“熱”表示的是內(nèi)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(nèi)能獲取及利用的歷史變遷

內(nèi)能在人們的生產(chǎn)、生活中應(yīng)用相當(dāng)廣泛，內(nèi)能的獲取以及利用的歷史，也是人類技術(shù)發(fā)展、社會進(jìn)步的歷史.農(nóng)耕文化，意味著人類獲取內(nèi)能的方式主要是燃燒柴草，對內(nèi)能的利用也很簡單，主要用于烤火取暖以及加熱熟食；工業(yè)革命，意味著人類獲取內(nèi)能的方式聚焦在煤炭燃料的集中開采和使用，產(chǎn)生的內(nèi)能主要用于通過蒸汽機(jī)以轉(zhuǎn)化成工業(yè)生產(chǎn)所需要的機(jī)械能；產(chǎn)業(yè)革命，意味著人類獲取內(nèi)能的方式聚焦在石油燃料的集中開采和使用，產(chǎn)生的內(nèi)能一是通過內(nèi)燃機(jī)以轉(zhuǎn)化成驅(qū)動交通工具前進(jìn)的機(jī)械能，二是通過內(nèi)燃機(jī)帶動發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電氣化生產(chǎn)、生活所需要的電能；現(xiàn)如今，人們把核能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，并將內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為電能，這成為人類能源獲取與利用的新途徑.

六、內(nèi)能的利用與溫室效應(yīng)

由于人口的急劇增加，現(xiàn)代社會對內(nèi)能的需求也日益增加，且各國都加快了工業(yè)化的進(jìn)程，這樣就必須大量地使用燃料來獲取內(nèi)能，使得排放到空氣中的二氧化碳相應(yīng)增加；又由于森林被大量砍伐，大氣中應(yīng)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(yīng)也進(jìn)一步增強(qiáng).估計(jì)到21世紀(jì)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(qū)，溫度將上升更大.溫室效應(yīng)的后果十分嚴(yán)重，它將促使自然生態(tài)發(fā)生重大變化.土地侵蝕加重，荒漠化擴(kuò)大，森林退向極地，旱澇災(zāi)害嚴(yán)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(diào)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(yán)重威脅……

地球變暖已引起全世界人們的關(guān)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(xiàn)階段人類利用的能量主要還是內(nèi)能，不能因?yàn)樗斐闪舜髿馕廴揪汀耙蛞瓘U食”，棄之不用.在利用內(nèi)能時，首先，我們可以通過改進(jìn)設(shè)備和技術(shù)，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?xì)怏w轉(zhuǎn)化為其他物質(zhì)的生物、化學(xué)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)二氧化碳?xì)怏w的收集和綠色轉(zhuǎn)化；再次，要保護(hù)好現(xiàn)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(zhuǎn)化為營養(yǎng)物質(zhì)；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(fā)和應(yīng)用太陽能、水能、原子能和風(fēng)能等，以減少二氧化碳的排放，最終達(dá)到減輕溫室效應(yīng)帶來的嚴(yán)重后果.