【种花家务·物理】2-2-01分子的动能和势能，物体的内能『数理化自学丛书6677版』
【阅前提示】本篇出自『数理化自学丛书6677版』，此版丛书是“数理化自学丛书编委会”于1963-1966年陆续出版，并于1977年正式再版的基础自学教材，本系列丛书共包含17本，层次大致相当于如今的初高中水平，其最大特点就是可用于“自学”。当然由于本书是大半个世纪前的教材，很多概念已经与如今迥异，因此不建议零基础学生直接拿来自学。不过这套丛书却很适合像我这样已接受过基础教育但却很不扎实的学酥重新自修以查漏补缺。另外，黑字是教材原文，彩字是我写的注解。
【山话嵓语】『数理化自学丛书』其实还有新版，即80年代的改开版，改开版内容较新而且还又增添了25本大学基础自学内容，直接搞出了一套从初中到大学的一条龙数理化自学教材大系列。不过我依然选择6677版，首先是因为6677版保留了很多古早知识，让我终于搞明白了和老工程师交流时遇到的奇特专业术语和计算模式的来由。另外就是6677版的版权风险极小，即使出版社再版也只会再版80年代改开版。我认为6677版不失为一套不错的自学教材，不该被埋没在故纸堆中，是故才打算利用业余时间，将『数理化自学丛书6677版』上传成文字版。
第二章热和功
【山话|| 本系列专栏中的力单位达因等于10⁻⁵牛顿；功的单位尔格等于10⁻⁷焦耳。另外这套老教材中的力的单位常用公斤，如今是不允许的，力是不能使用公斤为单位的】
§2-1分子的动能和势能，物体的内能
【01】“热和功”是物理学的一个重要部分。它是研究物态变化（如熔解、汽化等）和热力工程的理论基础。本章除了引入一些在今后学习中将得到广泛应用的有关热和功的基本概念，如内能、热量、热功当量等以外，还对能的相互转变和能量守恒定律作了较为详尽的介绍。
【02】在学习本章之前，最好先复习一下第一册“机械能”一章中“功”和“能量”的概念，同时回忆一下下面的几个问题：
【03】(1)什么叫做机械能？机械能有哪几种？它们各决定于哪些因素？它们的数学表达式是怎样的？式中各个符号的物理意义又是怎样的？
【04】(2)如果采用厘米·克·秒制，式中各物理量应该用什么单位？如果用米·公斤·秒制，式中各物理量的单位又是什么？
【05】(3)功和能量为什么可以用同一单位来表示？怎样进行不同单位之间的换算？
【06】(4)外力对物体做功时，物体的机械能发生怎样的改变？物体克服阻力做功时，物体的机械能又将发生怎样的改变？
【07】(5)在什么情况下物体的机械能才是守恒的？
1、分子的动能
【08】学习机械能一章后，我们知道，一切运动着的物体都具有动能。动能的大小决定于物体的质量和它的运动速度。质量越大，速度越快，它的动能也就越大。分子运动论的研究告诉我们，组成物体的分子都在不停地作无规则运动，因此，一切分子也都具有动能。
【09】分子作无规则运动所具有的动能，叫做分子的动能。
【10】因为各个分子的运动速度一般说来是不同的，所以分子的动能也各不相等，而它们的平均值，就叫做分子平均动能。
【11】在前一章中我们已经讲过，物体的温度是大量分子热运动剧烈程度的表征；分子热运动越剧烈，物体的温度就越高。也就是说，分子平均动能大，物体的温度就高；分子平均动能小，温度就低。反过来说：物体的温度越高，分子平均动能就越大；物体的温度越低，分子平均动能也就越小。因此，从分子运动论的观点来看，温度是分子平均动能的标志。温度的升高或降低，标志着分子平均动能的增加或减少。
【12】我们知道，物体的动能是一种机械能，它只跟物体的机械运动有关，而跟物体内部分子的无规则运动无关。所以分子动能和整个物体的动能是完全不同的两回事，千万不要把它们混为一谈。
【13】举一个例来说，静止在地面上的足球，我们说它没有动能，因为相对于地面来讲，它没有机械运动。可是组成足球的分子依然具有动能，因为它们都在永不停息地作无规则运动。当足球开始运动的时侯，除了分子的动能以外，整个足球由于它的机械运动也有了动能。
2、分子的势能
【14】我们知道，地面上的物体，由于它跟地球相互作用而具有势能。在举起物体的时候，克服重力做功，物体的势能增加；相反地，当物体下落时，重力做功，物体的势能减少。拉长或压缩弹簧时，都要反抗弹力做功，使弹簧各部分之间的相对位置发生变化，增加了弹簧的势能。
【15】实际上，除了地面上的物体具有重力势能，发生形变的弹簧具有弹性势能外，一切相互作用的物体也都具有由它们的相对位置或物体内部各部分之间的相对位置所决定的势能。如果物体之间的相互作用力是引力，那么，当它们的距离增大时，必须反抗引力做功，使物体的势能增加；在距离缩小时，引力作功，势能减小。如果物体之间的相互作用力是斥力，则情况恰好相反，在距离增大时，物体的势能减少；在距离缩小时，物体的势能增加。
【16】在前一章中我们已经讲过，分子间也存在着相互作用力，并且随着距离的不同，有时表现为引力，有时表现为斥力。因此，分子也具有由它们的相对位置所决定的势能。
【17】由于分子间的相互作用而具有的势能，叫做分子的势能。
3、物体的内能
【18】物体分子无规则运动的动能和由分子间相对位置所决定的势能的总和，叫做物体的内能。
【19】一切物体都是由相互作用着的而且不断运动着的分子构成的，所以任何物体都具有内能。
【20】物体在具有内能的同时，也可以具有别种形式的能量。例如，正在围绕着地球运行的卫星，除了内能以外，还有机械能，那就是卫星的动能、卫星跟地球及其他星球之间相互作用的势能。
【21】由于一切物体都具有内能，所以内能是一个极为重要的概念。内能是同物体内部状态有关的能量，它取决于分子的运动情况和分子间的相对位置。不论物体本身的位置和运动速度怎样，它总具有内能，也就是除了跟物体的速度和物体间的相对位置有关的机械能（动能和势能）外，物体还具有跟内部状态有关的内能。
【22】我们已经知道，物体的动能和势能都跟它的质量有关，那么物体内能的大小，究竟跟哪些因素有关呢？它同物体质量的关系究竟是怎样的呢？
【23】从上面的叙述中可以明了，物体内能的大小跟分子的数目有关。物体的质量越大，也就是分子数目越多，它的内能也越大。内能中的分子动能还跟物体的温度有关，温度越高，物体的内能也越大。此外，物体的内能还跟它的聚集态（固态、液态或气态）以及物体是整块的还是分散（变成粉末、碎片等）的状态有关。
【24】从能量的观点来看，研究热现象时，我们只限于讨论物体的内能部分，也就是只讨论跟分子的无规则运动有关的动能和跟分子之间相对位置有关的势能。
【25】对于气体来说，内能基本上只有分子的动能；内能的变化实际上也就是分子动能的变化。因为气体分子间的距离很大，相互作用力极小，所以分子间相互作用的势能和分子势能的变化，都可以不加考虑。
【26】在固体和液体中，分子间的相互作用力相当大，分子间距离的改变会使分子的势能发生显著的变化。所以对于固体和液体来说，考虑内能的变化时，必须同时考虑分子无规则运动的动能的变化和分子间相互作用的势能的变化。
