内能的概念
内能(internal energy)是组成物体分子的无规则热运动动能和分子间相互作用势能的总和。
内能是能量的一种,其单位为焦耳(J)。
物体的内能不包括这个物体整体运动时的动能和它在重力场中的势能。原则上讲,物体的内能应该包括其中所有微观粒子的动能、势能、化学能、电离能和原子核内部的核能等能量的总和,但在一般热力学状态的变化过程中,物质的分子结构、原子结构和核结构不发生变化,所以可不考虑这些能量的改变。但当在热力学研究中涉及化学反应时,需要把化学能包括到内能中。
内能和热量的区别
热量,指的是由于两物体的温度不同,高温物体向低温物体所传递的能量。
热量是一种过程量,只有在热传递中才会出现,所以热量只能说“某物体吸收了热量”,或“某物体放出了热量”。
不可以说物体“含有”、“具有”热量。可以这么感受下,热量,有点做功的味道。
而内能是一个状态量,指的是组成物体分子的无规则热运动动能和分子间相互作用势能的总和。
物体内能跟什么有关?
物体内能取决于哪些因素?物体内能跟什么有关?
从微观角度来看,物体内能取决于这三个量:
(1)物体的量的多少(化学摩尔量);
(2)分子的平均动能;
(3)分子的平均势能;
分子势能
两个分子之间的分子势能与两者距离关系的图像
由分子间相对位置决定的势能叫分子势能。
分子力做正功时分子势能减小;分子力作负功时分子势能增大。
当r=r0即分子处于平衡位置时分子势能最小。
不论r从r0增大还是减小,分子势能都将增大。
如果以分子间距离为无穷远时分子势能为零,则分子势能随分子间距离而变的图象如上图。
在物理内能的相关考题中,往往有一些文字不好理解,下面进行举例和详细的文字解析:
题目文字中有:一定量。
文字解释:所含物质摩尔量一定(即所包含的分子数目一定)。
题目文字中有:理想气体。
文字解释:不计分子势能,认为分子势能为零。
如果通过对题目文字的阅读,发现研究对象满足上面这两种说法,那么研究对象的内能,就只取决于一个因素,那就是分子的平均动能。
课本上又有这样的结论:分子的平均动能与物体的温度成正比例。
因此,这种前提下,物体的内能从微观看,仅仅与分子的平均动能有关系(正相关),宏观上只于温度有关系(正相关)。
内能与热力学第一定律
对某研究对象而言,宏观上内能的改变与哪些因素有关?
做功与热传递。
这其实是初中物理学过的,不过高中我们有了定量的公式:$\Delta U=W+Q$;
其中,$\Delta U$:物体内能的变化量;W:外界对该物体所做的功;Q:外界向该物体传递的热量;
这便是热力学第一定律的内容:物体内能的变化量,等于外界对该物体所做的功与外界向该物体传递的热量之和。
从中可以看出:热量可以从一个物体传递到另一个物体,也可以借助做功的过程,与其他能量进行互相转换,但是在转换过程中,能量的总值保持不变。
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