?【閱前提示】本篇出自『數(shù)理化自學(xué)叢書6677版』，此版叢書是“數(shù)理化自學(xué)叢書編委會”于1963-1966年陸續(xù)出版，并于1977年正式再版的基礎(chǔ)自學(xué)教材，本系列叢書共包含17本，層次大致相當(dāng)于如今的初高中水平，其最大特點就是可用于“自學(xué)”。當(dāng)然由于本書是大半個世紀(jì)前的教材，很多概念已經(jīng)與如今迥異，因此不建議零基礎(chǔ)學(xué)生直接拿來自學(xué)。不過這套叢書卻很適合像我這樣已接受過基礎(chǔ)教育但卻很不扎實的學(xué)酥重新自修以查漏補缺。另外，黑字是教材原文，彩字是我寫的注解。

【山話嵓語】『數(shù)理化自學(xué)叢書』其實還有新版，即80年代的改開版，改開版內(nèi)容較新而且還又增添了25本大學(xué)基礎(chǔ)自學(xué)內(nèi)容，直接搞出了一套從初中到大學(xué)的一條龍數(shù)理化自學(xué)教材大系列。不過我依然選擇6677版，首先是因為6677版保留了很多古早知識，讓我終于搞明白了和老工程師交流時遇到的奇特專業(yè)術(shù)語和計算模式的來由。另外就是6677版的版權(quán)風(fēng)險極小，即使出版社再版也只會再版80年代改開版。我認(rèn)為6677版不失為一套不錯的自學(xué)教材，不該被埋沒在故紙堆中，是故才打算利用業(yè)余時間，將『數(shù)理化自學(xué)叢書6677版』上傳成文字版。??

第二章熱和功

【山話||? 本系列專欄中的力單位達(dá)因等于10??牛頓；功的單位爾格等于10??焦耳。另外這套老教材中的力的單位常用公斤，如今是不允許的，力是不能使用公斤為單位的】?

§2-2物體內(nèi)能的改變

【01】我們主要討論物體由一個狀態(tài)【物體的狀態(tài)是指它所處的情況。物體的狀態(tài)由一組物理量來確定，例如物體的機(jī)械運動狀態(tài)是指它的位置和速度；一定質(zhì)量氣體的熱學(xué)狀態(tài)由它的溫度、壓強(qiáng)、體積這三個物理量中的任意兩個量來確定；物體的狀態(tài)也指它的聚集態(tài)（固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)）是整塊的還是分散的】過渡到另一個狀態(tài)時由于物體內(nèi)部狀態(tài)的變化所引起的內(nèi)能的變化，而不去追究物體內(nèi)能的絕對值或內(nèi)能的總數(shù)量。和研究機(jī)械能一樣，具有實際意義的只是內(nèi)能變化的多少。

【02】物體的內(nèi)能，在哪些情況下才發(fā)生變化呢？

【03】溫度升高時，物體的內(nèi)能隨之而增加，這是因為一方面分子動能在增加，另一方面一般物體受熱時體積開始膨脹，使分子間的距離變大，于是分子勢能也就增加。相反，溫度降低時，物體的內(nèi)能也隨之而減少，這是因為一方面分子動能在減少，另一方面一般物體冷卻時體積開始縮小，使分子間的距離變小，于是分子勢能也就減少。

【04】把整塊物體分裂成粉末或碎片的現(xiàn)象叫做物體的分散，它是物體狀態(tài)變化中一種很重要的概念。例如，水從噴霧器中噴出；用粉筆在黑板上寫字；用鉛筆在紙上繪圖；把麥子放在磨盤里磨成面粉；車刀從加工件上切削下金屬碎屑等都是分散的例子。物體分散時，分子間的平均距離有了增加，這就需要克服分子間的引力做功。所以分子相互作用的勢能就要增加。

【05】物態(tài)變化也伴隨有物體內(nèi)能的變化。在熔解、蒸發(fā)、沸騰等過程中，物體的內(nèi)能增加；相反地，在凝固、液化等過程中，物體的內(nèi)能減少。

【06】通過怎樣的物理過程才可以改變物體的內(nèi)能呢？我們現(xiàn)在就來討論這個問題。

【07】物體內(nèi)能改變的第一種方式——做功。大家都熟悉，當(dāng)運動物體克服摩擦力或媒質(zhì)阻力做功時，物體總是要變熱，甚至從一種物態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N物態(tài)。例如：剎車時，制動部分要變熱；鋸木時，鋸條和被鋸的木塊要變熱；進(jìn)行切削加工時，車刀和金屬碎屑要變熱；用錘子多次錘擊金屬塊后，錘子和金屬塊都要變熱；反復(fù)彎折金屬線后，彎折的地方要變熱；摩擦冰塊可以使它熔解等等。

【08】在上述例子中，物體的內(nèi)部狀態(tài)發(fā)生了變化，如溫度有了升高，或者是固體變成了液體，總的說來是物體的內(nèi)能有了增加。這種變化是克服摩擦力做功的結(jié)果，使機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)槲矬w的內(nèi)能。

【09】下面我們做兩個簡單的實驗來進(jìn)一步說明通過做功可以改變物體的內(nèi)能。

【10】【實驗一】在一個薄銅管里裝上大約一半的乙醚，用軟木塞蓋緊，把銅管固定在底座上（圖2·1），用結(jié)實的軟繩在管子上繞一圈，再用兩只手很快地牽動繩子，讓繩子跟管子摩擦，于是管子就漸漸變熱，最后管子里的乙醚開始沸騰，而所產(chǎn)生的蒸汽會把塞子沖開。這是因為我們克服摩擦力做了功，使管子和乙醚的溫度升高，內(nèi)能增加。

【11】【實驗二】在試管里注入少量的水，用軟木塞蓋緊。加熱后使水達(dá)到沸騰狀態(tài)，于是蒸汽會把塞子沖開，使塞子獲得了動能。蒸汽做功后溫度降低，內(nèi)能減少（圖2·2）。

【12】物體內(nèi)能改變的第二種方式——熱傳遞。我們不應(yīng)當(dāng)認(rèn)為，只有在做功時內(nèi)能才會發(fā)生變化。例如用熨斗熨衣服時，衣服的溫度升高，內(nèi)能增加，同時熨斗的溫度降低，內(nèi)能減少。這時，衣服內(nèi)能的增加是由于熨斗內(nèi)能的直接減少，而不是由于做功的緣故這種過程叫做熱傳遞。不僅相互接觸的物體之間會發(fā)生熱傳遞（如上例中的熨斗和衣服），而且在相隔一段距離的物體之間也會發(fā)生熱傳遞（如爐子和它周圍的物體之間，太陽和地面物體之間）。

【13】應(yīng)該注意，在熱傳遞過程中，物體的溫度并不一定發(fā)生變化。例如，當(dāng)冰熔化成水時，熱傳遞只改變物體的聚集態(tài)（由固態(tài)的冰變成液態(tài)的水)，它的溫度保持不變。

【14】為了要量度熱傳遞過程中物體內(nèi)能的改變，我們引入熱量的概念。

【15】在熱傳遞過程中物體內(nèi)能改變的多少，叫做熱量。當(dāng)我們說“物體獲得或放出多少熱量”的時候，我們的意思就是說“由于熱傳遞的結(jié)果，物體增加或減少了多少內(nèi)能”。

【16】由此可見，能夠改變物體內(nèi)能的物理過程有兩種：做功和熱傳遞，當(dāng)然也可能有這兩種方式同時起作用的情形，例如對鐵塊加熱，同時用錘打擊它。

【17】物體內(nèi)能的增加表示它從別的物體那兒得到了一定數(shù)量的能量，物體內(nèi)能的減少表示它把自己的一部分能量傳給了別的物體。

【18】物體內(nèi)能的變化如果是由于做功的結(jié)果，那么內(nèi)能變化的多少可以用功的數(shù)量來量度；如果不是由于做功，而是由于熱傳遞的結(jié)果，那么內(nèi)能變化的多少就不能用功，而必須用熱量來量度。

【19】下面的例子進(jìn)一步說明了做功和熱傳遞使物體內(nèi)能發(fā)生改變的等效性。

【20】(1)金屬塊用錘子打擊時會變熱，這是由于做功的結(jié)果。不做功而把金屬塊和高溫物體相接觸，金屬塊同樣也會變熱。

【21】(2)當(dāng)開動蒸汽機(jī)時，汽缸里的蒸汽由于做功而開始冷卻。但是，如果將汽缸的活塞固定，再把汽缸放在冷水里，這時蒸汽雖然沒有做功，它的溫度也會降低。

【22】不難想象，也有一些內(nèi)能變化的過程，只有對物體做功才能完成，例如把整塊物體變成粉末、碎屑，切削或磨光工件，拉伸或軋制金屬等。

【23】和處于重力場中某一位置的物體只可能具有一個完全確定的勢能值，以及處于某一運動速度的物體只可能具有一個完全確定的動能值一樣，處于一定狀態(tài)的物體，也只可能具有一個完全確定的內(nèi)能值。如果物體在一定的狀態(tài)下同時具有不同的內(nèi)能值 U? 和 U??，那么我們可以從物體中取出能量差值?U?－U??，而保持物體的狀態(tài)不變。于是，我們就可以在物體本身不發(fā)生任何變化的情況下，用它作為做功的能源。顯然這是直接違反能量守恒定律的，所以也是絕對不可能的。

【24】讀者還應(yīng)該了解，分子物理學(xué)所研究的現(xiàn)象，只與分子的無規(guī)則運動和分子之間的相對位置有關(guān)，而不考慮分子內(nèi)部所發(fā)生的變化，它們將在電學(xué)、光學(xué)和原子結(jié)構(gòu)各部分中進(jìn)行討論。實際上，在一般溫度下所進(jìn)行的物理過程中，分子內(nèi)部的變化是可以忽視的。

【25】通過討論，我們知道了物體由一個狀態(tài)轉(zhuǎn)變到另一狀態(tài)時內(nèi)能變化的情況。但是我們并沒有涉及物體內(nèi)能的總的數(shù)量是多少的問題。這一問題沒有多大意義，因為和勢能一樣，我們所感興趣的只是它的變化而已。

習(xí)題2-2

1、什么叫做物體的內(nèi)能？它的組成部分是哪一些？

2、比較物體的機(jī)械能和它的內(nèi)能。

3、物體內(nèi)能的大小跟哪些因素有關(guān)？關(guān)系怎樣？?

4、質(zhì)量相同而溫度不同的水，哪一種具有較大的內(nèi)能？溫度相同而質(zhì)量不同的兩杯水，那一杯水具有更大的內(nèi)能？質(zhì)量相同溫度也相同的一塊冰和一杯水，那一個具有較大的內(nèi)能？（回答時要說明理由）

5、使物體內(nèi)能發(fā)生變化的方式有哪幾種？舉例說明。

6、根據(jù)內(nèi)能的變化來說明“摩擦生熱”和“鉆木取火”的物理意義。

7、質(zhì)量相等、溫度相同的鐵塊和鐵屑，哪一個具有更多的內(nèi)能？為什么？

8、1克水和1克蒸汽，溫度都是100℃，哪一個具有更大的分子勢能？哪一個具有更大的分子動能？哪一個具有更大的內(nèi)能？為什么？[提示：1克蒸汽的體積約為1克水的1600倍]

9、為什么說，氣體的內(nèi)能就是指分子無規(guī)則運動的動能？氣體內(nèi)能的改變也就是分子熱運動動能的改變？對于液體和固體，這種說法是否也適用？說明道理。