内能领域知多少

瞿晓峰

一、基于分子动理论的内能概念

构成物质的分子都在做无规则运动，因而它们具有动能，物体内大量分子做无规则运动所具有的能量称为分子动能；由于分子之间具有一定的距离，也具有一定的作用力，因而分子具有势能，称做分子势能；物体内所有分子做无规则运动的动能和分子势能的总和，叫做物体的内能.

需要注意的是：①整个物体的机械运动与内部分子的无规则运动是两回事，不能混淆.例如，“物体运动速度越大，分子动能越大，因此内能越大”就犯了宏观、微观混为一谈的错误；②既然一切物体中的分子都在永不停息地做无规则运动，则任何物体在任何情况下都具有内能，也就是说，任何情况下，物体的内能都不可能等于零.所以说，“内能跟温度有关，所以0℃的冰没有内能”这种说法是错误的.

二、影响内能大小的基本因素

初中阶段的内能学习，同学们要注意，影响物体内能大小的因素主要有三：一是质量，同种物质质量的大小决定着分子数量的多少；二是温度，温度的高低决定着分子无规则运动的剧烈程度；三是物态，不同物态下分子之间作用力的强弱以及分子间距离是不同的，分子势能也是不一样的，同温度的等量物质，气态的分子势能大于液态的分子势能，液态的分子势能大于固态的分子势能.

在实际比较不同物体内能大小的过程中，需要综合考虑各个相关因素.例如，4只相同规格的烧杯中装有水，水量及其温度如图所示.关于4只烧杯中水的内能的大小，可以依次有序做出判断.d烧杯中水的内能大于c烧杯中水的内能，这是由于温度差异导致的；d烧杯中水的内能大于b烧杯中水的内能，这是由于质量差异导致的；b烧杯中水的内能大于a烧杯中水的内能，这是由于温度差异导致的；c烧杯中水的内能大于a烧杯中水的内能，这是由于质量差异导致的.那么，b、c两烧杯中水的内能谁大谁小呢？这就不得而知了，b烧杯中水的温度高，c烧杯中水的质量（分子数量）大.

对于同一物体而言，影响其内能大小的就只剩下温度与物态两个因素了，需要指出的是：由物态变化引起分子势能的变化需要引起同学们的注意.同一物体在没有物态变化的前提下，物体的内能越大，温度越高；物体的内能越小，温度越低.但有物态变化时，情况就不同了，例如晶体熔化及液体的沸腾过程中，物体吸热，内能增加，但温度却保持不变.例如，一块0℃的冰熔化成0℃的水，由于冰块吸收热量导致其内能增加，虽然温度没有改变，但分子的势能发生了变化.故同一物体，温度升高，内能一定增加；反过来，内能增加，温度不一定升高，有可能保持不变.

三、改变物体内能的两种方法

改变物体内能大小的方法有两种：做功和热传递，如下表所示.

做功和热传递这两种方式虽然在改变物体内能上是等效的，但本质还是有所区别.“做功”使物体的机械能转化为物体内无规则运动分子的内能，属能量的转化，做功使物体的内能改变有多种形式，如克服摩擦、压缩气体等.热传递则是能量从高温物体传到低温物体或者从同一物体的高温部分传到低温部分的过程，属能量的转移，热传递改变物体内能方式有传导、对流和辐射.

四、明辨几个相近概念

温度、热量、内能这三个概念是有本质区别的.①温度是表示物体冷热程度的物理量.温度是状态量，可以说温度“是多少”，也可以说温度“升高了多少”或“降低了多少”；②内能是物体内部所有分子做无规则运动的动能和分子势能的总和.内能是状态量，形容内能可以说“有”，也可以说“大”“小”“增大”“减小”；③热量是热传递过程中传递能量的多少.热量是过程量，可以说“吸收多少”或“放出多少”热量，但不能说“含有多少”热量.所以“高温物体与低温物体接触后，高温物体把温度传递给了低温物体，所以高温物体的温度降低，低温物体的温度升高”这种说法是不成立的.

日常生活中说的“热”，含义是广泛的，在不同情况下，有的“热”表示物体的温度，有的“热”表示物体的内能，有的“热”表示在热传递过程中吸收或放出的热量.例如，“今天的天气真热”的“热”，是表示物体的冷热程度的，说明气温高，指温度；“气筒壁热了”的“热”，是由于打气时，克服摩擦做功，同时压缩气体做功，机械能转化为内能，因此，这个“热”表示的是内能；“物体吸热，温度升高”，表示低温物体吸收热量，温度升高，这个“热”指的是“热量”.

五、内能获取及利用的历史变迁

内能在人们的生产、生活中应用相当广泛，内能的获取以及利用的历史，也是人类技术发展、社会进步的历史.农耕文化，意味着人类获取内能的方式主要是燃烧柴草，对内能的利用也很简单，主要用于烤火取暖以及加热熟食；工业革命，意味着人类获取内能的方式聚焦在煤炭燃料的集中开采和使用，产生的内能主要用于通过蒸汽机以转化成工业生产所需要的机械能；产业革命，意味着人类获取内能的方式聚焦在石油燃料的集中开采和使用，产生的内能一是通过内燃机以转化成驱动交通工具前进的机械能，二是通过内燃机带动发电机产生电气化生产、生活所需要的电能；现如今，人们把核能转化为内能，并将内能转化为机械能，进一步转化为电能，这成为人类能源获取与利用的新途径.

六、内能的利用与温室效应

由于人口的急剧增加，现代社会对内能的需求也日益增加，且各国都加快了工业化的进程，这样就必须大量地使用燃料来获取内能，使得排放到空气中的二氧化碳相应增加；又由于森林被大量砍伐，大气中应被森林吸收的二氧化碳没有被吸收，这也是空气中二氧化碳含量增加的一个原因，温室效应也进一步增强.估计到21世纪中叶，地球表面平均温度将上升1.5～4.5℃，而在中高纬度地区，温度将上升更大.温室效应的后果十分严重，它将促使自然生态发生重大变化.土地侵蚀加重，荒漠化扩大，森林退向极地，旱涝灾害严重，雨量将增加7%～11%；温带冬天更湿，夏天更旱，这会迫使原有的水利工程重新调整.由于气温升高，两极冰川将熔化，使海平面上升，沿海将受到严重威胁……

地球变暖已引起全世界人们的关注，如何积极治理大气污染已成为人类迫切需要解决的重要课题.由于现阶段人类利用的能量主要还是内能，不能因为它造成了大气污染就“因噎废食”，弃之不用.在利用内能时，首先，我们可以通过改进设备和技术，采用集中供热、普及煤气、天然气的使用等措施来减轻对大气的污染；其次，研究把二氧化碳气体转化为其他物质的生物、化学技术，实现二氧化碳气体的收集和绿色转化；再次，要保护好现有的森林，并大力提倡植树造林，使大气中的二氧化碳通过植物光合作用转化为营养物质；最后，还要研究利用各种途径，尽量减少矿物能源的总消耗，大力开发和应用太阳能、水能、原子能和风能等，以减少二氧化碳的排放，最终达到减轻温室效应带来的严重后果.