物理·内能(第十三章)

初中物理考点--物理·内能(第十三章)，内能是物体、系统的一种固有属性，即一切物体或系统都具有内能，不依赖于外界是否存在、外界是否对系统有影响。

第十三章·内能

• 定义
  • 微观定义：从微观上说，系统内能是构成系统的所有分子无规则运动动能、分子间相互作用势能、分子内部以及原子核内部各种形式能量的总和 。后面两项在大多物理过程中不变，因此一般只需要考虑前两项，二者的总和就是通常所指的内能。但在涉及电子的激发、电离的物理过程中或发生化学反应时分子内部（不包括原子核内部）的能量将大幅变化，此时内能中必须考虑分子内部的能量。核内部能量仅在核物理过程中才会变化，因此绝大多数情形下，都不需要考虑这一部分的能量。内能的绝对量（主要是其中的核内部能量部分）还不完全清楚，但不影响解决一般问题，对于内能我们常常关心的是其变化量。
  • 宏观定义：抛开物质内部的结构细节，从宏观上说，内能是与系统在绝热条件下做功量相联系的，描述系统本身能量的一种状态函数。内能的宏观定义式为：ΔU=Wa，其中ΔU为内能的变化量，Wa为绝热过程外界对系统的做功量。在宏观定义中，内能是一个相对量。内能是系统的一种状态函数（简称态函数），即内能可以表达为系统的某些状态参量（例如压强、体积等）的某种特定的函数，函数的具体形式取决于具体的物质系统（具体地说，取决于物态方程）。当系统处于某一平衡态时，系统的一切状态参量将取得定值，内能作为这些状态参量的特定函数也将取得定值（尽管还不清楚它的绝对数值是多少）。对于一定量物质构成的系统，通过做功、热传递与外界交换能量，引起系统状态变化，而导致内能改变，其间的关系由热力学第一定律给出。对于不存在宏观动能变化的系统，则有ΔU=W+Q，其中ΔU为内能的变化量，W为外界对系统的做功量，Q为系统（从外界）的吸热量，该式称为热力学第一定律的常用表达式。内能的概念建立在焦耳等人大量精密的热功当量实验的基础之上。能量和内能概念的建立标志着能量转化与守恒定律（即热力学第一定律）的真正确立。
• 分类
  • 狭义内能：在一般的物理问题中（不涉及电子的激发电离，化学反应和核反应），内能中仅分子动能和势能两部分会发生改变，此时我们只关心这两部分，而将这两部分之和定义为内能。这是一种简化的定义，即狭义内能。在涉及电子的激发电离，化学反应和核反应时，为不引起误解狭义内能应严格称为热力学能（以前称为热能，热能这一概念在一些工程领域内仍广泛使用）。
  • 广义内能：在不涉及核反应的物理过程或化学过程中，原子核内部的能量不会改变，此时可以将内能定义为热力学能与电子能之和。 最广义的内能就是物体或系统内部一切微观粒子的一切运动形式所具有的能量总和。即热力学能、电子能与原子核内部能量之和。
• 性质
  • 内能是物体、系统的一种固有属性，即一切物体或系统都具有内能，不依赖于外界是否存在、外界是否对系统有影响。内能是一种广延量（或容量性质），即其它因素不变时，内能的大小与物质的数量（物质的量或质量）成正比。当系统发生某一变化，从原先的平衡态过渡到另一个新的平衡态时，内能的变化量仅取决于变化前后的系统状态，而与这个变化是如何发生的（例如变化的快慢）以及变化经历了怎样曲折的过程（例如是经历一个等温过程、等压过程还是一个任意过程）完全无关。内能的这一性质和功、热量有着本质的区别。功和热量都是系统与外界之间交换的能量，或者说系统（从外界）吸收或放出（给外界）的能量。一旦系统对外界做了功或传了热，这部分能量就不再是系统的能量（即不再是系统内能的一部分），而是变成外界物体的能量（构成外界物体内能或动能的一部分）。系统只存在或含有内能（内能的存在不依赖于外界），不存在热量或功（离开外界和系统的相互作用，谈不上热量和功）。仅当系统在外界（外力或温差）的作用下，系统内能中的一部分以功或热量这两种能量形式传给外界（或反之）。功和热量的大小，不仅取决于系统变化前后的状态，还取决于变化的每一细节过程。
• 内能变化的途径
  • （1）做功可以改变物体的内能 。（如钻木取火） 当外力对物体做正功时，物体内能增大，反之亦反。
  • （2）热传递可以改变物体的内能。（如放置冰块使物体降温） 热传递的三种形式：热传导，热对流（一般见于气体和液体）以及热辐射。热传递的条件是物体间必须有温度差。
• 相关拓展
  • 分子的动能：包括分子的平动能、转动能和振动动能（分子的振动同时具有振动势能，一般将振动动能和振动势能统称为振动能）。
  • 分子内部的能量：分子（包括一般所指的分子、原子和离子，见前文注）内部的能量主要取决于电子的能量和核内部的能量。核内部的能量仅在核物理过程中发生变化，因此在其它一切情形时，都可以认为分子内部的能量主要就是电子的能量。更准确地说包括了电子的动能，电子和核的引力势能，电子和电子间的斥力势能（单电子原子、离子或分子不存在该能），核与核间的斥力势能（不存在化学键的孤立原子不存在该能）。
  • 分子间的相互作用势能：该种势能来源于分子间的引力和斥力。分子间力又称范德华力，广义的分子间力还包括氢键力等分子间特殊作用力。分子间力本质上都是电磁力，其大小、正负（即表现为引力还是斥力）由分子的偶极矩和分子间的距离所决定。由于电子的运动是随机的，因此分子的偶极矩的大小和方向也是随机的，从而分子间引力和斥力同时存在并不断变化（化学键力本质上也是电磁力，但存在于分子内部，并且大小比分子间力大1-2个数量级）。
• 内能 （热力学及化学） 内能（internal energy） 从微观的角度来看，是分子无规则运动能量总和的统计平均值。分子无规则运动的能量包括分子的动能、分子间相互作用势能以及分子内部运动的能量。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 。