關(guān)于物體內(nèi)能的組成和變化的幾點(diǎn)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(shì)能和所有分子做熱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能的總和，就等于物體的內(nèi)能。該文從高中熱學(xué)中的兩大難點(diǎn)概念——物體內(nèi)能的組成和物體內(nèi)能的變化出發(fā)，對(duì)這兩大概念以筆者自己的觀點(diǎn)進(jìn)行了闡述，并就與這兩大概念相關(guān)的物體內(nèi)能的影響因素、物體做功與內(nèi)能變化量的關(guān)系進(jìn)行了相應(yīng)探討，且舉以實(shí)例對(duì)文中的觀點(diǎn)予以了說(shuō)明。

關(guān)鍵詞：高中熱力學(xué) 物體內(nèi)能的組成 物體內(nèi)能的變化

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(xué)在高中物理中的地位舉足輕重，該部分內(nèi)容以及與內(nèi)能有關(guān)的概念最難為我們高中學(xué)生所理解。該文以?xún)蓚€(gè)高中學(xué)生最容易含混的兩大概念，即物體內(nèi)能的組成和物體內(nèi)能的變化展開(kāi)了幾點(diǎn)物理問(wèn)題的探討，希望能對(duì)和筆者一樣正在進(jìn)行高中物理學(xué)習(xí)的同學(xué)有一點(diǎn)幫助。

1 物體內(nèi)能的組成

教材中明確指出，物體中所有分子的分子勢(shì)能和所有分子做熱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能的總和，就等于物體的內(nèi)能。也就是說(shuō)，物體的內(nèi)能是由其內(nèi)部所有的分子的分子勢(shì)能和分子熱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能所組成的[1]。

從微觀角度來(lái)看，物質(zhì)是由大量的分子組成的，分子都在不停地運(yùn)動(dòng)，所以所有的分子都有動(dòng)能。無(wú)論是通過(guò)前面宏觀力學(xué)部分的牛頓萬(wàn)有引力定律來(lái)理解，還是通過(guò)后來(lái)學(xué)習(xí)的庫(kù)倫定律來(lái)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(duì)應(yīng)的勢(shì)能，所以分子勢(shì)能一定存在。物體內(nèi)分子的種類(lèi)與物體的種類(lèi)有關(guān)，而分子的多少與其質(zhì)量有關(guān)，其分子的熱運(yùn)動(dòng)激烈程度又與溫度有關(guān)，我們由動(dòng)能定理可知Ek=mv2，所以，物體內(nèi)分子的動(dòng)能與其物體種類(lèi)、物體質(zhì)量和環(huán)境溫度有關(guān)。而物體的種類(lèi)還是影響組成其分子的原子的原子核的所帶電荷數(shù)，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(lèi)、體積和質(zhì)量都會(huì)影響其內(nèi)部分子的分子勢(shì)能之和。所以一般籠統(tǒng)地理解，我們認(rèn)為物體的內(nèi)能和物體的種類(lèi)、溫度、質(zhì)量、體積等因素有關(guān)。

以上只是就高中所學(xué)的知識(shí)而進(jìn)行的粗淺認(rèn)識(shí)，筆者通過(guò)查閱文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)對(duì)于固體和液體而言，其內(nèi)部分子的相互作用機(jī)制其實(shí)是非常復(fù)雜的，現(xiàn)階段我們所掌握的知識(shí)并不足以對(duì)其形成深刻認(rèn)識(shí)。至于氣體，教材中有較為詳細(xì)的講解，與上述的理解并無(wú)二致，下面筆者想就文獻(xiàn)中的觀點(diǎn)重點(diǎn)談一下晶體的內(nèi)能。

固體中的晶體，微觀結(jié)構(gòu)一般看成很多晶格，一般我們會(huì)認(rèn)為其粒子在其晶格式固定不動(dòng)，其實(shí)則不然，粒子是一定存在熱運(yùn)動(dòng)的，但因?yàn)槠溥\(yùn)動(dòng)并不劇烈而不會(huì)破壞粒子間的結(jié)合，這種輕微的運(yùn)動(dòng)稱(chēng)之為晶格振動(dòng)。自由的粒子一旦結(jié)合起來(lái)形成晶格，其內(nèi)能都可分為晶格能和晶格振動(dòng)能，晶格能取決于粒子間的相互勢(shì)能，由晶體的體積決定。而晶格振動(dòng)能為晶體的振動(dòng)勢(shì)能和振動(dòng)動(dòng)能之和，此兩者分別由晶體體積和溫度來(lái)決定。所以，晶體的內(nèi)能也可以籠統(tǒng)理解為其內(nèi)部分子的分子勢(shì)能和分子熱運(yùn)動(dòng)動(dòng)能之和，與晶體種類(lèi)、質(zhì)量、溫度、體積等因素有關(guān)。

2 物體內(nèi)能的變化

我們雖然知道了物體內(nèi)能的組成，也了解其內(nèi)能的決定因素，但是，物體的內(nèi)能是絕對(duì)沒(méi)有辦法測(cè)定的，而且以任何一個(gè)值來(lái)衡量物體的內(nèi)能都是沒(méi)有意義的。物體的內(nèi)能不能測(cè)定，可物體內(nèi)能的變化量卻是有辦法進(jìn)行量度的。

物體內(nèi)能的改變途徑有且只有兩種，即熱傳遞和做功。

熱傳遞的實(shí)質(zhì)其實(shí)是讓物體的內(nèi)能實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)移，高溫物體能通過(guò)熱傳遞的方式，將其內(nèi)能轉(zhuǎn)移給低溫物體，使高溫物體自身的內(nèi)能減少，而使得低溫物體的內(nèi)能增加。其間若沒(méi)有第三個(gè)物體參與能量的交換，那么高溫物體內(nèi)能的減少量必定是和低溫物體內(nèi)能的增加量是相等的[2]。

教材中明確給出了一個(gè)功的概念，即功是物體能量轉(zhuǎn)化的量度。這個(gè)概念是在告訴我們，所謂做功，其實(shí)是一個(gè)物體的內(nèi)能與其他形式的能量的相互轉(zhuǎn)化的過(guò)程。譬如說(shuō)，一個(gè)物體以一定的初速度從粗糙的斜面上滑下，摩擦力在這個(gè)過(guò)程中阻礙物體的運(yùn)動(dòng)，做了負(fù)功，該物體的一部分動(dòng)能就轉(zhuǎn)化成了物體和粗糙斜面兩者的內(nèi)能。

從上述討論我們可以看出，物體內(nèi)能的變化，可以由熱量的傳遞量和外界對(duì)物體做功兩方面進(jìn)行度量，筆者通過(guò)認(rèn)真思考，認(rèn)為做功與內(nèi)能的變化其實(shí)可以深入地總結(jié)一下。

首先，做功雖然可以使物體的內(nèi)能改變，但并不是只要對(duì)物體做功其內(nèi)能就一定會(huì)發(fā)生改變。這一點(diǎn)我們以物體做自由落體運(yùn)動(dòng)這一模型來(lái)分析就能得到清晰的認(rèn)識(shí)，物體下落，其重力不斷對(duì)物體做功，但這個(gè)過(guò)程其重力做的功全部變?yōu)榱宋矬w的動(dòng)能，物體的內(nèi)能既沒(méi)有增加也沒(méi)有減少[3]。其次，改變物體內(nèi)能的功，未必需要外力來(lái)完成，機(jī)械波、電磁波、電流等也可以對(duì)物體做功使其內(nèi)能為之改變。這個(gè)也很好理解，一根通電的導(dǎo)線(xiàn)，在其通電一定時(shí)間后會(huì)變熱，這中間既沒(méi)有熱量傳遞也沒(méi)有外力做功，導(dǎo)線(xiàn)的內(nèi)能卻增加了，這就是電流完成了對(duì)導(dǎo)線(xiàn)的做功。再次，其他形式的能量和內(nèi)能之間不但可以完成相互轉(zhuǎn)化，在許多方面還能夠相互涵蓋，為同一本質(zhì)的兩種表現(xiàn)。如分子的動(dòng)能實(shí)則就涵蓋在其所組成的物體的內(nèi)能當(dāng)中，物體的彈性勢(shì)能和內(nèi)能也是其分子勢(shì)能這同一性質(zhì)的不同表現(xiàn)而已。

3 結(jié)語(yǔ)

熱學(xué)是高中物理的重點(diǎn)內(nèi)容，也是日后我們想在材料學(xué)、動(dòng)力學(xué)等科學(xué)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)進(jìn)一步學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，認(rèn)真對(duì)物理的內(nèi)能進(jìn)行深入的學(xué)習(xí)和研究對(duì)我們每一個(gè)高中生而言都很有必要。該文就筆者的觀點(diǎn)，對(duì)物體內(nèi)能的組成和物體內(nèi)能的變化兩大版塊進(jìn)行了簡(jiǎn)要的探討，若其間有因筆者才識(shí)之不足抑或撰文資料之不完備而引起的紕漏，還望大家發(fā)現(xiàn)后不吝賜教，幫忙斧正。

參考文獻(xiàn)

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

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

[3] 黃俞紅.假設(shè)法解高中物理選修3-3熱學(xué)題[J].學(xué)周刊，2015（12）：171.