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当前位置:第五节 改变内能的两种方式
作者：未知来源：中央电教馆时间：2006/4/5 10:03:01阅读：nyq
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内能与热能
内能这个物理量首先是由焦耳实验结出的。焦耳实验指出，当一物体（或系统）从某一初始状态经各种不同的绝热过程到达某一终了状态时，在所有这些绝热过程中，外界对物体（系统）所作的功值都相等。因为在绝热过程中，外界对物体（系统）所作的功与中间经过的路径无关，而只与物体（系统）的初始状态和终了状态有关，所以，这个功值必等于一个状态函数在终态与初态的函数值之差。由此得到一个所谓的“能定理”：任何一个物体（系统）在平衡状态下有一个函数E与之对应，这状态函数称为物体（系统）的内能，当这个物体（系统）从第一状态经过一个绝热过程到第二状态后，它内能的增量等于在过程中外界对它所作的功值，即：
内能是储藏在物体内部的能量，或是物体内部物质运动的能量。它的增加、减少并不引起物体在空间速度的改变，也并不代表物体在空间的宏观机械运动。它的改变只会影响物体内部物质运动的变化，从而引起各种热现象（如膨胀、收缩、熔解、凝固、蒸发、扩散等等）的产生。从微观角度看，物体的内能是物体内一切能量之和。它应包括分子的平动、转动和振动能；由分子间相互作用决定的势能；组成分子的原子的动能和势能；原子核外电子的运动能；核内的能量和物体内部空间的电磁辐射等。因分子运动论只考虑到物质分子和原子这个层次，所以，物体的内能仅指分子和原子的无规则运动动能和相互作用的势能之和。在热学中，通常情况下，原子核外电子的能量、核内能量、物体内部空间的电磁辐射是不变化的，所以，物体内能又往往只指物体内分子（包括原子）无规则运动的动能和相互作用的势能。而热能是物体内部所有分子（包括原子）作无规则热运动的动能之和。这里的“动能之和”包含着分子的平动、转动和振动的动能等，也可以包括分子内部原子的振动动能。因为分子的热运动动能是随着温度而变化的，所以，物体的热能也随着温度的变化而变化。
内能和热能的含义弄懂后，我们就可以进一步来讨论两者的联系和区别。
（1）内能和热能表达的对象都是物体所处的某一热力学状态，两者都属于能的范畴，是两个状态函数。
（2）热能的大小随温度的变化而单调变化。然而，在一般情况下，内能与温度却没有确定的关系，只有理想气体的内能才仅是温度的函数，这个结果叫做焦耳定律。例如，在处理理想气体问题的时候，特别是由单原子分子组成的理想气体，由于只考虑大量分子具有的动能，内能和热能是相等的。
（3）内能既然泛指物体内的一切能量，那它的外延明显就宽于热能。热能属于内能范畴，但内能不光包括热能。从概念间的关系看，内能和热能亦是一种从属关系，其中内能是属概念，热能是种概念。
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热传递与热传导
有许多人在学习物理、解答物理习题时，常把热传递与热传导混为一谈，认为热传递与热传导描述的是同一物理过程，殊不知它们是两个不同的概念。
由内能与热能一节以及热、热运动与热现象的阐述可知，物体的内能就是组成物体全部分子、原子的动能、势能和内部电子能等总和，物体内能的改变可以通过分子、原子有规则运动的能量交换来达成，也可以通过分子、原子的无规则运动的能量交换来达成（或者是两者兼有）。前者能量交换的方式就是作宏观机械功的方式，后者能量交换的方式就是所谓的热传递。更确切地讲，所谓热传递就是没有作宏观机械功而使内能从一个物体转移到另一个物体，或者从物体的一部分转移到另一部分的过程。它通过热传导、对流和热辐射三种方式来实现。实际热传递过程中，这三种方式常常是相伴进行的，重要的是看哪一种方式占主要地位。在热力学中，把除了热传递以外的其他一切能量转移方式都归于作功。所以，热传递和作功是能量转移的两种方式，除此之外没有其他方式。
由以上论述可知，热传递是能量传递的一种方式，它具体又包括热传导、对流和热辐射三种形式。为了帮助大家能把热传递与热传导更好地加以区别，下面我们有必要对热传导、对流和总辐射分别作论述。
热传导指的是物质系统（气体、液体或固体），由于内部各处温度不均匀而引起的热能（内能）从温度较高处向温度较低处输运的现象。
热传导的实质是由大量分子、原子或电子的相互碰撞，而使热能（内能）从物体温度较高部分传到温度较低部分的过程。热传导是固体中热传递的主要方式，在气体、液体中它往往与对流同时发生。各种物质的热传导性能不同，热传导过程的基本定律是博里叶定律。
对流作为热传递的一种途径，是流体（气体、液体）中热传递的主要方式。它是指流体中较热部分和较冷部分在流体本身的有序的循环流动下的相互搀和，使温度趋于均匀从而达到热能（内能）传递的过程。
对流往往自发产生，这是由于温度不均匀性所引起的压力或密度差异的结果。
至于热辐射，它是指受热物体以电磁辐射的形式向外界发射并传送能量的过程。物体温度越高，辐射越强。与热传导、对流不同，热辐射能把热能以光的速度穿过真空，从一个物体传给另一个物体。任何物体只要温度高于绝对零度，就能辐射电磁波，波长
为0．4～40微米范围内的电磁波（即可见光与红外线）能被物体吸收而变成热能，故称为热射线。因电磁波的传播不需要任何媒质，所以热辐射是真空中唯一的热传递方式。例如，太阳传给地球的热能就是以热辐射的方式经过宇宙空间而来的。
由此可见，热传导与热传递是两个从属关系概念，热传递概念的外延明显宽于热传导概念的外延，故热传递是一个属概念，而热传导是一个种概念。
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热量与热能
业已证明，欲使物体的内能增加，可以通过两种不同的方式来达到。一是直接对物体作宏观机械功。如焦耳当初用以测定热功当量的实验，就是用机械作功的方法搅动水银，使水银的内能增大，从而使水银的温度升高的；又如，把两物体摩擦，两物体的内能都能增大，从而使它们的温度升高，另一种方式是把物体与另一高温物体直接热接触，通过一定时间，低温物体的温度也能升高直至与高温物体温度相同。后者的物理本质是：当低温物体与高温物体接触在一起后，两物体的分子在边界上互相碰撞，交换动量和能量，交换的结果就使得两个物体分子无规则运动剧烈程度趋于一致，平均平动能当然亦相等，这时两物体的温度自然地趋于一致。从能量守恒的观点看，此过程中必定是高温物体中一部分能量通过分子间的无规则碰撞传给了低温物体。能量的这种传递方式在热学中就称作热传递。这里所论的“能量”显然是指物体的内能，而内能中又包含着热能。故热传递结果又必然是高温物体的内能减少，低温物体的内能增加。于是，热学上把热传递过程中物体内能的这种改变量称作为热量。可见，热量并不
是物体的内能，更不是物体的热能，而是物体（系统）在热传递过程中内能改变量的量度。或者可以说，热量是在热传递过程中传递的能量。离开物体（系统）状态的变化，即物体（系统）内能的改变，去谈论什么热量是毫无意义的。热量与功一样是个过程量，即热量与具体过程有关系，它既不是状态函数也不是状态参量。
有人认为物体本身就含有热量，高温物体含有的热量多于低温物体含有的热量。所以，当高温物体与低温物体热接触后，高温物体的热量就自动地传给低温物体，直至两者含有相同的热量为止，这时两者就达成了所谓的热平衡。事实上，持有这种热量观的人已不知不觉地陷入了历史上的“热质论”，而“热质论”早已被历史判处“死刑”。
还有一点值得一提。有些物理参考书上把 
作为定义热量的依据，实际上，依据此式定义热量也有不妥之处。例如，物体（系统）在等温变化过程中，物体（系统）与外界肯定存在热交换，然而，上式就不能正确地反映出来。
概括以上的讨论，我们可以得出下面的结论：
（1）热能是内能中的一部分，它表达、描述的是物体（系统）所处的某一热力学状态，是一个状态量，而热量反映的是一个热传递过程，它是一个过程量。
（2）热能的大小随温度的变化而变化，而热量只有在特定的热传递过程中才可以把它看成是温度变化的函数（例如 
）。
（3）物体只要在绝对零度以上就存在分子热运动，就有热能和内能，而热量只是在不同物体（或物体的不同部位）之间传递着的能量。所以，没有了过程，热量也就没有意义。
（4）热能的相关物只有一个，而热量的相关物在一般情况下至少要涉及两个。当然，当一个物体内部各处温度不均匀时也存在能量的传递过程，即有热量可论，但这属特殊情况。
（5）热能的相关时间是我们考察它的那个时刻，而热量的相关时间是完成一个热传递过程的那段时间。
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内能与热量的区别
内能是一个状态量，一个物体在不同的状态下有不同的内能，而热量是一个过程量，它表示由于热传递而引起的变化过程中转移的能量，即内能的改变量．如果没有热传递，就无所谓热量，但此时物体仍有确定的内能．例如，我们只能说“某物体在某温度时具有多少内能”而不能说“某物体在某温度时具有多少热量．”