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温度、热量和内能的关系

2013-08-09杨文绪

初中生世界·八年级物理版 2013年7期
关键词:内能势能动能

杨文绪

内能,是与分子热运动有关的能量.从微观上说,内能是系统内所有分子无规则运动的动能、分子间相互作用的势能、分子内部以及原子核内部各种形式能量(一般不变)的总和,可想而知内能与分子动能和分子势能、质量(质量大分子多)都有关系.分子一直处于永不停息的无规则运动中,所以分子有动能.分子与分子之间也有相互作用力,分子间也存在势能.

关于分子动能和分子势能可以建立这样的模型,如图1将分子类比成小球,用弹簧将小球连接起来,每个小球都在一定范围内移动、转动或振动等.当分子间距离改变时分子势能也会发生变化.

如图2所示,物质的三种状态实际上是由于分子之间距离的变化引起的.

分子运动有快有慢,动能有大有小,用什么来描述分子动能大小呢?物理学中用温度来表征分子的平均动能,实际上温度就是物体分子运动平均动能的标志,所以温度越高代表分子运动越剧烈,温度越低分子运动越缓慢.

热量是转移的那部分内能,内能是状态量.可以说某个物体具有多少内能,不能说某个物体具有热量.热量是过程量,只有在转移过程中才有意义.

三者之间的关系我们可以借助图3来理解.

1.温度和内能的关系

温度是分子运动快慢的标志,温度改变时说明分子动能已改变,在分子势能不变的情况下,可以说物体温度越高,内能越大.但反过来内能越大不能说明温度越高,因为还有可能分子势能有变化.由于分子在做永不停息的无规则运动,所以任何物体在任何温度下都具有内能.如:温度不变时,内能也有可能变化,因为分子势能有可能改变.

2.内能和热量的关系

内能是物体所具有的能量,热量是转移的那部分内能,两者的单位都是焦耳.热量和内能的关系可以类比成做功和能量之间的关系,做功是能量的一种标度,只有在过程中才有意义.可以说物体做了多少功,但不能说物体具有多少功.为什么做功和热传递都可以改变物体的内能呢?对物体做功是直接通过撞击的方式使分子动能增加,或直接改变分子间的距离,从而改变物体内能.物体对外做功,如气体膨胀内能就会减小.热传递总是从高温物体传向低温物体,是由于高温物体的分子会撞击低温物体的分子如图4,使低温物体运动比较慢的分子加快运动,从而使该物体内能增加.那么,热传递是从内能大的物体传向内能小的物体吗?不一定是,通过上面的论述知道,热传递的方向只与温度有关,内能大的物体有可能质量大而温度低.

3.温度与热量的关系

物体吸收热量,温度不一定升高,如冰熔化成水的过程中,虽然冰吸收了热量,但吸收的热量都用来改变了分子势能,分子势能宏观上与物体的体积有关,所以冰熔化成水的过程中体积变了,但温度没有变化.反过来物体温度升高,一定吸收了热量吗?不一定,还有可能通过做功方式改变物体温度.如铁匠在锻砸铁器的过程中,铁器的体积没有什么变化,但温度会升高.

另外,当温度升高到一定程度,就会使分子间的距离发生变化,这就是物态变化.

下面通过几个练习再巩固一下上面的讲解.

例1 (多选)关于温度、内能和热量,下列说法正确的是( ).

A.温度越高的物体所含的热量一定越多

B.温度相同的两个物体间不会发生热传递

C.0℃的冰变成0℃的水,温度不变,内能不变

D.任何物体都具有内能,通过摩擦可增大冰块的内能

解析 A.热量是过程量,描述它的术语只能用“吸收”和“放出”,不能用“含有”,故A的说法错误;B.温度相同的两个物体间不存在温度差,说明分子运动剧烈程度相同,不会发生热传递,B正确;C.0℃的冰变成0℃的水,吸收了热量,尽管温度不变,分子动能没有变化,但分子势能增大了,所以内能变大,故C的说法错误;D.任何物体都具有内能,通过摩擦,机械能转化为内能,冰块的内能增大,D正确.故选B、D.

例2 关于温度、内能和热量,下列说法正确的是( ).

A.物体内能增大,一定从外界吸收热量

B.汽油机在做功冲程中把机械能转化为内能

C.物体内能减少时,温度可能不变

D.锯条锯木板时,锯条的内能增加,木板的内能减少

解析 A.物体的内能增大,可能是对物体做功,也可能是吸收热量,故A错;B.汽油机在做功冲程中,将内能转化为机械能,故B错;C.物体内能减小有可能是分子动能减小导致的,还有可能是分子势能减小导致的,例如水凝固时,放出热量、内能减少,但温度不变,故C正确;D.锯条锯木板时,克服摩擦做功,使锯条和木头的内能都增加、温度升高,D错.故选C.

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