【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】 

§2-2物体内能的改变

【01】我们主要讨论物体由一个状态【物体的状态是指它所处的情况。物体的状态由一组物理量来确定，例如物体的机械运动状态是指它的位置和速度；一定质量气体的热学状态由它的温度、压强、体积这三个物理量中的任意两个量来确定；物体的状态也指它的聚集态（固态、液态、气态）是整块的还是分散的】过渡到另一个状态时由于物体内部状态的变化所引起的内能的变化，而不去追究物体内能的绝对值或内能的总数量。和研究机械能一样，具有实际意义的只是内能变化的多少。

【02】物体的内能，在哪些情况下才发生变化呢？

【03】温度升高时，物体的内能随之而增加，这是因为一方面分子动能在增加，另一方面一般物体受热时体积开始膨胀，使分子间的距离变大，于是分子势能也就增加。相反，温度降低时，物体的内能也随之而减少，这是因为一方面分子动能在减少，另一方面一般物体冷却时体积开始缩小，使分子间的距离变小，于是分子势能也就减少。

【04】把整块物体分裂成粉末或碎片的现象叫做物体的分散，它是物体状态变化中一种很重要的概念。例如，水从喷雾器中喷出；用粉笔在黑板上写字；用铅笔在纸上绘图；把麦子放在磨盘里磨成面粉；车刀从加工件上切削下金属碎屑等都是分散的例子。物体分散时，分子间的平均距离有了增加，这就需要克服分子间的引力做功。所以分子相互作用的势能就要增加。

【05】物态变化也伴随有物体内能的变化。在熔解、蒸发、沸腾等过程中，物体的内能增加；相反地，在凝固、液化等过程中，物体的内能减少。

【06】通过怎样的物理过程才可以改变物体的内能呢？我们现在就来讨论这个问题。

【07】物体内能改变的第一种方式——做功。大家都熟悉，当运动物体克服摩擦力或媒质阻力做功时，物体总是要变热，甚至从一种物态转变为另一种物态。例如：刹车时，制动部分要变热；锯木时，锯条和被锯的木块要变热；进行切削加工时，车刀和金属碎屑要变热；用锤子多次锤击金属块后，锤子和金属块都要变热；反复弯折金属线后，弯折的地方要变热；摩擦冰块可以使它熔解等等。

【08】在上述例子中，物体的内部状态发生了变化，如温度有了升高，或者是固体变成了液体，总的说来是物体的内能有了增加。这种变化是克服摩擦力做功的结果，使机械能转变为物体的内能。

【09】下面我们做两个简单的实验来进一步说明通过做功可以改变物体的内能。

【10】【实验一】在一个薄铜管里装上大约一半的乙醚，用软木塞盖紧，把铜管固定在底座上（图2·1），用结实的软绳在管子上绕一圈，再用两只手很快地牵动绳子，让绳子跟管子摩擦，于是管子就渐渐变热，最后管子里的乙醚开始沸腾，而所产生的蒸汽会把塞子冲开。这是因为我们克服摩擦力做了功，使管子和乙醚的温度升高，内能增加。

【11】【实验二】在试管里注入少量的水，用软木塞盖紧。加热后使水达到沸腾状态，于是蒸汽会把塞子冲开，使塞子获得了动能。蒸汽做功后温度降低，内能减少（图2·2）。

【12】物体内能改变的第二种方式——热传递。我们不应当认为，只有在做功时内能才会发生变化。例如用熨斗熨衣服时，衣服的温度升高，内能增加，同时熨斗的温度降低，内能减少。这时，衣服内能的增加是由于熨斗内能的直接减少，而不是由于做功的缘故这种过程叫做热传递。不仅相互接触的物体之间会发生热传递（如上例中的熨斗和衣服），而且在相隔一段距离的物体之间也会发生热传递（如炉子和它周围的物体之间，太阳和地面物体之间）。

【13】应该注意，在热传递过程中，物体的温度并不一定发生变化。例如，当冰熔化成水时，热传递只改变物体的聚集态（由固态的冰变成液态的水)，它的温度保持不变。

【14】为了要量度热传递过程中物体内能的改变，我们引入热量的概念。

【15】在热传递过程中物体内能改变的多少，叫做热量。当我们说“物体获得或放出多少热量”的时候，我们的意思就是说“由于热传递的结果，物体增加或减少了多少内能”。

【16】由此可见，能够改变物体内能的物理过程有两种：做功和热传递，当然也可能有这两种方式同时起作用的情形，例如对铁块加热，同时用锤打击它。

【17】物体内能的增加表示它从别的物体那儿得到了一定数量的能量，物体内能的减少表示它把自己的一部分能量传给了别的物体。

【18】物体内能的变化如果是由于做功的结果，那么内能变化的多少可以用功的数量来量度；如果不是由于做功，而是由于热传递的结果，那么内能变化的多少就不能用功，而必须用热量来量度。

【19】下面的例子进一步说明了做功和热传递使物体内能发生改变的等效性。

【20】(1)金属块用锤子打击时会变热，这是由于做功的结果。不做功而把金属块和高温物体相接触，金属块同样也会变热。

【21】(2)当开动蒸汽机时，汽缸里的蒸汽由于做功而开始冷却。但是，如果将汽缸的活塞固定，再把汽缸放在冷水里，这时蒸汽虽然没有做功，它的温度也会降低。

【22】不难想象，也有一些内能变化的过程，只有对物体做功才能完成，例如把整块物体变成粉末、碎屑，切削或磨光工件，拉伸或轧制金属等。

【23】和处于重力场中某一位置的物体只可能具有一个完全确定的势能值，以及处于某一运动速度的物体只可能具有一个完全确定的动能值一样，处于一定状态的物体，也只可能具有一个完全确定的内能值。如果物体在一定的状态下同时具有不同的内能值 U₁ 和 U₂ ，那么我们可以从物体中取出能量差值 U₁－U₂ ，而保持物体的状态不变。于是，我们就可以在物体本身不发生任何变化的情况下，用它作为做功的能源。显然这是直接违反能量守恒定律的，所以也是绝对不可能的。

【24】读者还应该了解，分子物理学所研究的现象，只与分子的无规则运动和分子之间的相对位置有关，而不考虑分子内部所发生的变化，它们将在电学、光学和原子结构各部分中进行讨论。实际上，在一般温度下所进行的物理过程中，分子内部的变化是可以忽视的。

【25】通过讨论，我们知道了物体由一个状态转变到另一状态时内能变化的情况。但是我们并没有涉及物体内能的总的数量是多少的问题。这一问题没有多大意义，因为和势能一样，我们所感兴趣的只是它的变化而已。

习题2-2

1、什么叫做物体的内能？它的组成部分是哪一些？

2、比较物体的机械能和它的内能。

3、物体内能的大小跟哪些因素有关？关系怎样？ 

4、质量相同而温度不同的水，哪一种具有较大的内能？温度相同而质量不同的两杯水，那一杯水具有更大的内能？质量相同温度也相同的一块冰和一杯水，那一个具有较大的内能？（回答时要说明理由）

5、使物体内能发生变化的方式有哪几种？举例说明。

6、根据内能的变化来说明“摩擦生热”和“钻木取火”的物理意义。

7、质量相等、温度相同的铁块和铁屑，哪一个具有更多的内能？为什么？

8、1克水和1克蒸汽，温度都是100℃，哪一个具有更大的分子势能？哪一个具有更大的分子动能？哪一个具有更大的内能？为什么？[提示：1克蒸汽的体积约为1克水的1600倍]

9、为什么说，气体的内能就是指分子无规则运动的动能？气体内能的改变也就是分子热运动动能的改变？对于液体和固体，这种说法是否也适用？说明道理。