高中物理第五章热力学定律第1节热力学第一定律热量热能和内能的比较素材鲁科版选修3_3.doc

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1、热量、热能和内能的比较内能和热量是热力学中两个既有联系，又易混淆的重要概念，在中学物理中还提到热能的概念，这三个概念到底有何本质区别和联系，本文拟就内能和热量，内能和热能两方面加以比较。一、内能和热量的比较内能，是物质系统的内部状态所决定的能量，以u表示，内能是态函数，由系统平衡态的态参量单值地确定。从微观上说，内能包括系统内分子热运动的各种动能（平动动能、转动动能、振动动能）、分子间的相互作用能、分子内原子间的振动势能、原子内的能量、原子核内的能量等，此外，当有电磁场与系统相互作用时，还应包括相应的电磁形式能量。由于在热力学过程中有些能量并不发生变化，如原子内的能量、原子核内的能量，因此当系

2、统的状态发生变化时，在内能的增量u中仅包括热运动动能及分子间相互作用能的变化，所以在热力学中内能一般仅指分子热运动的动能及分子的相互作用能。系统的内能是温室及体工巧匠积的函数，即u=u（t，v），并和系统的总质量成正比。在热现象的宏观理论中，内能是从绝热功引入的。我们先说明一下绝热过程的定义，即一个过程，其中物理状态的改变，如果完全由于机械的或电的直接作用的结果而没有受到其他影响，就叫做绝热过程。焦耳的大量实验无可辨级地指出：当系统的状态从确定的平衡态改变到平衡态时，在各种不同的绝热过程中，实验所测得的绝热功的数值aa都是相同的，即这功与具体的绝热过程的途径无关，仅由状态和状态确定，可见任何系

3、统都存在一个状态函数，把它称为系统的内能，以u表示，上述实验事实可表示为：u=u2-u1=aa上面的定义式只能由绝热功aa确定两状态的内能增量，而不能确定某一状态的内能值，要确定某一状态的内能值还应该有一个相加常数，这个常数可以是某一个被选作标准状态的内能值u0，在实际过程中，这个常数总是被消去，有用的只是两状态内能的增量，因此u0的具体数值是不重要的。热量，物体间或物体各部分之间由于存在温度差而传递的能量。历史上当热质说占统治地位时，人们曾错误地认为“热”是一种物质称为热质，热量即热质的量，并定义了热量的单位“卡”。热力学第一定律建立后，揭示了热量是热接触中由于温度差而传递的能量，热量与传递

4、的过程有关，它不是热力学系统状态的函数，而仅仅在系统状态发生变化时才有意义，因此不能说物体处在某个状态时含有多少热量。喀喇氏在1909年提出，由热力学第一定律来定义热量，这样可使热量的定义完全摆脱热质说的影响。首先，在绝热过程中系统内能的增量等于外界对系统所作的功u2-u1=a，进一步，如果系统不绝热，则系统内能的增量不等于外界所作的功，二者之差定义为热量q=u2-u1-a热量和功相当，都是被传递着的能量，其区别在于作功同系统在广义力作用下产生广义位移相联系，即同系 统各部分的宏观运动相联系，而传热是分子间或分子与 电磁场相互作用的结果，是和物质的微观运动相联系的。热量的数值可通过热容量（或比

5、热）及温度的变化计算得出，对于一微小的变化过程dq=cdt，或dq=cmdt，dq是被传递的热量， dt为系统热力学温室的变化，m为物体的质量， c为某过程的热容，在温度范围不太大时可看作常数，则q=c（t2-t1）通过以上讨论知道，内能和热量是互相区别的独立的两个物理量，但它们又是互相联系、密切相关的。内能、热量和功的转换，由热力学第一定律来描述。在一般过程中，系统与外界有热量交换。根据热力学第一定律，系统从平衡态变化到平衡态，内能的增量u等于在这个过程中系统所吸收的热量q和外界对系统所作的功a的和，即u=u2-u1=q+a（若为无限小过程，则为du=dq+da），a可以是任一种形式的功，如机械功、电磁功等，上式表明：热运动的能量可以与其他形式的能量相互转换，在转换中其总量是守恒的。正因为热量是被传递的能量，所以国际单位制规定，内能、热量和功的单位相同，都是焦耳（j）并建议一般不使用“卡”。二、内能和热能的比较热能，热运动能量，即内能。在没有给出内能定义的情况下，常常把热运动的能量称为热能。也有人主张，热能是分子热运动的动能，是内能的一部分。为了避免混乱，在高中教学中应尽量不用热能这个名词。总而言之，内能是热力学系统所含能量的多少，热量是被传递的能量，热能则是内能不甚确切的通俗说法；内能、热能跟系统的某一热力学状态相对应，而热量则与系统的某一热力学过程相联系。2