浅谈热量、热能和内能的联系与区别.doc

浅谈热量、热能和内能的联系与区别热是一种特殊的自然现象。例如用锯子锯木块锯条会热得烫手电铬铁通以电流就能发热等。物体的物理性质随温度发生变化的现象称为热现象。讨论各种热现象时热量、热能和内能是常用的重要物理量。由于这几个量在概念上容易混淆本文从基本概念入手着重阐明热量、热能和内能的物理意义通过相互比较探讨它们之间的联系及本质区别。一、内能与热能自然界一切物质都具有能量。对于一个热力学系统而言其能量可以划分为两类一类是与系统整体的宏观机械运动有关的能量即宏观动能和重力势能称为机械能另一类是与系统内部粒子的微观运动和粒子空间位置有关的能量称为内能。机械能取决于系统宏观运动状态即整体机械运动的速度和位置内能取决于物体的内部结构以及各粒子的运动特性表征在某一状态下系统的热力学性质也就是说内能是由系统内部状态所决定的能量是态函数。这表明机械能和内能是两种不同运动方式机械运动和分子热运动所具有的不同形式的能量。显然机械能不应包括在内能之内。从物质的微观结构来看内能包括分子无规则运动动能平动、转动和振动分子间相互作用势能组成分子的原子内部的能量原子核内部的能量等等。所以热能、化学能和原子能都属于内能的范畴。在一般热力学过程中并不涉及分子结构及原子核的变化化学能和原子能也就不会改变。因此通常所说的内能是指分子无规则运动动能与分子间相互作用势能之总和。焦耳实验表明理想气体的内能只是温度的函数而与气体的体积无关即UfT。根据分子动理论的观点对于理想气体由于分子间相互作用力忽略不计故其内能就是构成气体的所有分子无规则运动的动能包括分子内原子振动势能之和。可以证明这个能量是由气体温度决定的。因之分子动理论进一步指出了“理想气体内能只是温度的函数”这一特性的微观原因。对于实际气体由于分子间具有相互作用力在一定温度下这种相互作用力与分子间的距离有关当气体体积变化时分子间的平均距离发生改变这样就要克服分子间相互作用力而作功从而改变了分子间的相互作用势能。由此可见实际气体的内能是气体温度和体积的函数UfTV。所以一般说来内能不止取决于物体温度且依赖于分子间相互作用情况即还与体积有关。尤其是在物态变化时分子势能的影响更为显著。例如晶体在熔化过程中温度始终保持一定但其内能增加这种变化正是由于分子间势能增加的结果。热能是跟物体冷热程度温度相关的能量有人把热能称为内能这种说法比较通俗但不甚确切。这是因为尽管热能的增减跟温度变化联系在一起然而热能本身与温度之间并没有一种精确的对应关系我们知道内能是指物体内部分子无规则运动动能与分子间势能的总和。而根据分子动理论热能是物体内部所有分子无规则运动的动能分子平动、转动及振动之和这是热能的微观本质由此可见在通常情况下热能只是内能的一部分即物体中取决于温度的分子热运动动能之和。不过对于理想气体来说由于不考虑分子间的相互作用力也就不存在分子间的势能所以只有在理想气体这一特殊情况下热能才等于内能。二、热量和内能作为热学的重要概念之一的热量原是在十八世纪时用热质说来说明混合量热法的规律时提出的。热质说认为热质是一种没有质量没有体积的流体物体所含热质的多少就决定了该物体温度的高低。热量就是物体所含有的热质的量它可在温度不同的物体间传递但其总量守恒现在还保留热量这个词语不过对它赋予了新的含义在各种物理过程中能量的转移有两种方式即作功和热传递。而在温度不同的物体间即使彼此不作功也会发生能量的转移能量从高温物体转移到低温物体直到两物体的温度趋向均衡为止。象这种不由作功而发生能量传递的过程称为热传递过程。在热传递过程中转移的能量称为热量但是热量并不就是系统的内能因为内能是系统状态的单值函数如果系统的状态不发生变化它只具有一定的内能根本谈不上传递热量。只有在状态变化过程中热量才有意义所以热量是过程量而不是态函数。也就是说就某一状态的物体而言我们只可以说它含有多少内能而不能说它含有多少热量。说它含有多少热量则是没有意义的。虽然热量和内能的含义不同但是这两个概念密切相关。例如在热传递过程中高温物体的温度降低放出热量内能减少低温物体的温度升高吸收热量内能增加。当然这只有在热传递过程中不发生物态变化的前提下才正确。热量是由于两物体之间存在温度差所引起的一种能量转移量但所转移的能量与温度变化之间并不一定有唯一的对应关系而是因过程的具体途径不同而相差很大。在某种特殊条件下温度与热量之间甚至可以没有任何联系即当温度变化时可以没有吸收热量或放出热量。例如绝热膨胀系统对外作功。温度降低尽管过程前后存在温度差但并没有热量放出。三、对“热”的理解日常生活用语中所说的“热”通常有多种含义。例如“天气炎热”指的是气温高“给水加热”是指水吸收了热量也可理解为增加水的热能至于说“摩擦生热”则要根据情况分别对待。例如车制金属零件可将车刀和工件作为系统当用油冷却时工件不致过热这时