改變內(nèi)能的兩種方式
我們知道，溫度這個物理量在宏觀上的意義是表示物體冷熱程度，而它又是大量分子熱運動平均動能大小的標志，這是溫度的微觀含義。2.分子勢能分子間存在著相互作用力，因此分子間具有由它們的相對位置決定的勢能，這就是分子勢能。如果分子間距離約為10-10m數(shù)量級時，分子的作用力的合力為零，此距離為r0。當分子距離小于r0時，分子間的作用力表現(xiàn)為斥力，要減小分子間的距離必須克服斥力做功，因此，分子勢能隨分子間距離的減小而增大。這種情形與彈簧被壓縮時彈性勢能增大是相似的。如圖1中彈簧壓縮，彈性勢能ep增大。如果分子間距離大于r0時，分子間的相互作用表現(xiàn)為引力，要增大分子間的距離必須克服引力做功，因此，分子勢能隨分子間的距離增大而增大。這種情況與彈簧被拉伸時彈性勢能增大是相似的。如圖1中彈簧拉伸，ep增大。從以上兩種情況綜合分析，分子間距離以r0為數(shù)值基準，r不論減小或增大，分子勢能都增大。所以說，分子在平衡位置處是分子勢能最低點。如果分子間距離是無限遠時，取分子勢能為零值，分子間距離從無限遠逐漸減少至r0以前過程，分子間的作用力表現(xiàn)為引力，而且距離減少，分子引力做正功，分子勢能不斷減小，其數(shù)值將比零還小為負值。當分子間距離到達r0以后再減小，分子作用力表現(xiàn)為斥力，在分子間距離減小過程中，克服斥力做功，使分子勢能增大。其數(shù)值將從負值逐漸變大至零，甚至為正值。分子勢能隨分子間距離r的變化情況可以在圖2的圖象中表現(xiàn)出來。從圖中看到分子間距離在r0處，分子勢能最小。
既然分子勢能的大小與分子間距離有關，那么在宏觀上什么物理量能反映分子勢能的大小變化情況呢？如果對于確定的物體，它的體積變化，直接反映了分子間的距離，也就反映了分子間的勢能變化。所以分子勢能的大小變化可通過宏觀量體積來反映。3.物體的內(nèi)能（1）物體中所有分子熱運動的動能和分子勢能的總和，叫做物體的內(nèi)能。一切物體都是由不停地做無規(guī)則熱運動并且相互作用著的分子組成，因此任何物體都是有內(nèi)能的。提問學生：宏觀量中哪些物理量是分子熱運動的平均動能和分子勢能的標志？根據(jù)學生的回答，引導到一個確定的物體，分子總數(shù)是固定的，那么這物體的內(nèi)能大小是由宏觀量——溫度和體積決定的。如果不是確定的物體，那么物體的內(nèi)能大小是由質(zhì)量、溫度、體積和物態(tài)來決定。課堂討論題：下列各個實例中，比較物體的內(nèi)能大小，并說明理由。①一塊鐵由15℃升高到55℃，比較內(nèi)能。②質(zhì)量是1kg50℃的鐵塊與質(zhì)量是0.1kg50℃的鐵塊，比較內(nèi)能。③質(zhì)量是1kg100℃的水與質(zhì)量是1kg100℃的水蒸氣，比較內(nèi)能。（2）物體機械運動對應著機械能，熱運動對應著內(nèi)能。任何物體都具有內(nèi)能，同時還可以具有機械能。例如在空中飛行的炮彈，除了具有內(nèi)能，還具有機械能——動能和重力勢能。提問學生：一輛汽車的車廂內(nèi)有一氣瓶氧氣，當汽車以 60km/h行駛起來后，氣瓶內(nèi)氧氣的內(nèi)能是否增加？通過此問題，讓學生認識內(nèi)能是所有分子熱運動動能和分子勢能之總和，而不是分子定向移動的動能。另一方面，物體機械能增加，內(nèi)能不一定增加。4.物體的內(nèi)能改變的兩種方式（1）列舉鋸木頭和用砂輪磨刀具，鋸條、木頭和刀具溫度升高，說明克服摩擦力做功，可以使物體的內(nèi)能增加。如果外力對物體做功全部用于物體內(nèi)能改變的情況下，外力做多少功，物體的內(nèi)能就改變多少。如果用w表示外界對物體做的功，用δe表示物體內(nèi)能的變化，那么有w=δe。功的單位是焦耳，內(nèi)能的單位也是焦耳。