什么是物体的内能? 什么叫做物体的内能? 什么是物体的内能与哪些因素有关单位是什
物体的内能是热力学体系中所有微观粒子无制度运动能量总和的统计平均值,其核心组成包括分子动能和分子间相互影响势能。下面内容是具体解析:
一、内能的微观定义
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分子动能
物体内部分子始终进行无制度热运动(平动、转动、振动),其动能总和构成内能的一部分。温度是分子平均动能的宏观体现——温度越高,分子运动越剧烈,平均动能越大。例如,0℃的冰融化成0℃的水时,温度未变(分子动能不变),但吸收的热量用于增加分子势能,导致内能增加。 -
分子势能
由分子间影响力(如范德华力、氢键)和距离决定。当物质发生物态变化(如固态→液态)或体积变化时,分子势能显著改变。例如气体膨胀时,分子间距增大,引力势能转化为动能,导致内能变化。 -
广义内能
学说上还包括原子内部的电子能、化学键能甚至核能,但在常规物理经过(不涉及核反应或化学反应)中,这些能量通常不变,因此一般仅考虑分子动能与势能的总和。
二、内能的宏观性质
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情形函数
内能是体系的固有属性,仅取决于当前情形(如温度、体积),与变化路径无关。例如,气体从情形A经不同路径到情形B,内能变化量ΔU相同。 -
广延量特性
内能与物质数量成正比。例如,两杯50℃水的总内能是一杯50℃水的两倍。 -
完全量的相对性
虽然内能的完全值难以测定(因涉及核能等未知量),但通过ΔU=Q+W(热力学第一定律)可精确计算其变化量。
三、内能的改变方式
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做功
机械功(如压缩气体)或电功等可通过能量转化改变内能。例如摩擦生热是机械能转化为内能,而气体膨胀对外做功会减少内能。 -
热传递
热量从高温物体传递到低温物体。例如加热水壶,火焰的热能通过热传导、对流或辐射增加水的内能。 -
等效性
做功和热传递在改变内能效果上等效,但本质不同:做功是能量形式的转化,热传递是能量的转移。
四、典型示例
- 冰块融化:吸收热量增加分子势能,内能增大但温度不变;
- 理想气体:内能仅与温度相关(ΔU=CvΔT),体积变化不影响其内能;
- 化学反应:如燃烧释放化学能,转化为热能(分子动能)。
内能是体系微观粒子运动与相互影响的能量总和,其变化可通过热力学定律量化,是领会能量守恒与转化的核心概念。