溫度、熱量和內(nèi)能的關(guān)系

楊文緒

內(nèi)能，是與分子熱運(yùn)動(dòng)有關(guān)的能量.從微觀上說，內(nèi)能是系統(tǒng)內(nèi)所有分子無規(guī)則運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能、分子間相互作用的勢能、分子內(nèi)部以及原子核內(nèi)部各種形式能量（一般不變）的總和，可想而知內(nèi)能與分子動(dòng)能和分子勢能、質(zhì)量（質(zhì)量大分子多）都有關(guān)系.分子一直處于永不停息的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)中，所以分子有動(dòng)能.分子與分子之間也有相互作用力，分子間也存在勢能.

關(guān)于分子動(dòng)能和分子勢能可以建立這樣的模型，如圖1將分子類比成小球，用彈簧將小球連接起來，每個(gè)小球都在一定范圍內(nèi)移動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)或振動(dòng)等.當(dāng)分子間距離改變時(shí)分子勢能也會(huì)發(fā)生變化.

如圖2所示，物質(zhì)的三種狀態(tài)實(shí)際上是由于分子之間距離的變化引起的.

分子運(yùn)動(dòng)有快有慢，動(dòng)能有大有小，用什么來描述分子動(dòng)能大小呢？物理學(xué)中用溫度來表征分子的平均動(dòng)能，實(shí)際上溫度就是物體分子運(yùn)動(dòng)平均動(dòng)能的標(biāo)志，所以溫度越高代表分子運(yùn)動(dòng)越劇烈，溫度越低分子運(yùn)動(dòng)越緩慢.

熱量是轉(zhuǎn)移的那部分內(nèi)能，內(nèi)能是狀態(tài)量.可以說某個(gè)物體具有多少內(nèi)能，不能說某個(gè)物體具有熱量.熱量是過程量，只有在轉(zhuǎn)移過程中才有意義.

三者之間的關(guān)系我們可以借助圖3來理解.

1.溫度和內(nèi)能的關(guān)系

溫度是分子運(yùn)動(dòng)快慢的標(biāo)志，溫度改變時(shí)說明分子動(dòng)能已改變，在分子勢能不變的情況下，可以說物體溫度越高，內(nèi)能越大.但反過來內(nèi)能越大不能說明溫度越高，因?yàn)檫€有可能分子勢能有變化.由于分子在做永不停息的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)，所以任何物體在任何溫度下都具有內(nèi)能.如：溫度不變時(shí)，內(nèi)能也有可能變化，因?yàn)榉肿觿菽苡锌赡芨淖?

2.內(nèi)能和熱量的關(guān)系

內(nèi)能是物體所具有的能量，熱量是轉(zhuǎn)移的那部分內(nèi)能，兩者的單位都是焦耳.熱量和內(nèi)能的關(guān)系可以類比成做功和能量之間的關(guān)系，做功是能量的一種標(biāo)度，只有在過程中才有意義.可以說物體做了多少功，但不能說物體具有多少功.為什么做功和熱傳遞都可以改變物體的內(nèi)能呢？對(duì)物體做功是直接通過撞擊的方式使分子動(dòng)能增加，或直接改變分子間的距離，從而改變物體內(nèi)能.物體對(duì)外做功，如氣體膨脹內(nèi)能就會(huì)減小.熱傳遞總是從高溫物體傳向低溫物體，是由于高溫物體的分子會(huì)撞擊低溫物體的分子如圖4，使低溫物體運(yùn)動(dòng)比較慢的分子加快運(yùn)動(dòng)，從而使該物體內(nèi)能增加.那么，熱傳遞是從內(nèi)能大的物體傳向內(nèi)能小的物體嗎？不一定是，通過上面的論述知道，熱傳遞的方向只與溫度有關(guān)，內(nèi)能大的物體有可能質(zhì)量大而溫度低.

3.溫度與熱量的關(guān)系

物體吸收熱量，溫度不一定升高，如冰熔化成水的過程中，雖然冰吸收了熱量，但吸收的熱量都用來改變了分子勢能，分子勢能宏觀上與物體的體積有關(guān)，所以冰熔化成水的過程中體積變了，但溫度沒有變化.反過來物體溫度升高，一定吸收了熱量嗎？不一定，還有可能通過做功方式改變物體溫度.如鐵匠在鍛砸鐵器的過程中，鐵器的體積沒有什么變化，但溫度會(huì)升高.

另外，當(dāng)溫度升高到一定程度，就會(huì)使分子間的距離發(fā)生變化，這就是物態(tài)變化.

下面通過幾個(gè)練習(xí)再鞏固一下上面的講解.

例1 （多選）關(guān)于溫度、內(nèi)能和熱量，下列說法正確的是（ ）.

A.溫度越高的物體所含的熱量一定越多

B.溫度相同的兩個(gè)物體間不會(huì)發(fā)生熱傳遞

C.0℃的冰變成0℃的水，溫度不變，內(nèi)能不變

D.任何物體都具有內(nèi)能，通過摩擦可增大冰塊的內(nèi)能

解析 A.熱量是過程量，描述它的術(shù)語只能用“吸收”和“放出”，不能用“含有”，故A的說法錯(cuò)誤；B.溫度相同的兩個(gè)物體間不存在溫度差，說明分子運(yùn)動(dòng)劇烈程度相同，不會(huì)發(fā)生熱傳遞，B正確；C.0℃的冰變成0℃的水，吸收了熱量，盡管溫度不變，分子動(dòng)能沒有變化，但分子勢能增大了，所以內(nèi)能變大，故C的說法錯(cuò)誤；D.任何物體都具有內(nèi)能，通過摩擦，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，冰塊的內(nèi)能增大，D正確.故選B、D.

例2 關(guān)于溫度、內(nèi)能和熱量，下列說法正確的是（ ）.

A.物體內(nèi)能增大，一定從外界吸收熱量

B.汽油機(jī)在做功沖程中把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能

C.物體內(nèi)能減少時(shí)，溫度可能不變

D.鋸條鋸木板時(shí)，鋸條的內(nèi)能增加，木板的內(nèi)能減少

解析 A.物體的內(nèi)能增大，可能是對(duì)物體做功，也可能是吸收熱量，故A錯(cuò)；B.汽油機(jī)在做功沖程中，將內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，故B錯(cuò)；C.物體內(nèi)能減小有可能是分子動(dòng)能減小導(dǎo)致的，還有可能是分子勢能減小導(dǎo)致的，例如水凝固時(shí)，放出熱量、內(nèi)能減少，但溫度不變，故C正確；D.鋸條鋸木板時(shí)，克服摩擦做功，使鋸條和木頭的內(nèi)能都增加、溫度升高，D錯(cuò).故選C.