第一册分子动理论

当分子距离小于r₀时，分子间的作用力表现为斥力，要减小分子间的距离必须克服斥力做功，因此，分子势能随分子间距离的减小而增大。这种情形与弹簧被压缩时弹性势能增大是相似的。如图1中弹簧压缩，弹性势能E_p增大。

如果分子间距离大于r₀时，分子间的相互作用表现为引力，要增大分子间的距离必须克服引力做功，因此，分子势能随分子间的距离增大而增大。这种情况与弹簧被拉伸时弹性势能增大是相似的。如图1中弹簧拉伸，E_p增大。

从以上两种情况综合分析，分子间距离以r₀为数值基准，r不论减小或增大，分子势能都增大。所以说，分子在平衡位置处是分子势能最低点。如果分子间距离是无限远时，取分子势能为零值，分子间距离从无限远逐渐减少至r₀以前过程，分子间的作用力表现为引力，而且距离减少，分子引力做正功，分子势能不断减小，其数值将比零还小为负值。当分子间距离到达r₀以后再减小，分子作用力表现为斥力，在分子间距离减小过程中，克服斥力做功，使分子势能增大。其数值将从负值逐渐变大至零，甚至为正值。分子势能随分子间距离r的变化情况可以在图2的图象中表现出来。从图中看到分子间距离在r₀处，分子势能最小。

既然分子势能的大小与分子间距离有关，那么在宏观上什么物理量能反映分子势能的大小变化情况呢？如果对于确定的物体，它的体积变化，直接反映了分子间的距离，也就反映了分子间的势能变化。所以分子势能的大小变化可通过宏观量体积来反映。

3．物体的内能

（1）物体中所有分子热运动的动能和分子势能的总和，叫做物体的内能。一切物体都是由不停地做无规则热运动并且相互作用着的分子组成，因此任何物体都是有内能的。

提问学生：宏观量中哪些物理量是分子热运动的平均动能和分子势能的标志？

根据学生的回答，引导到一个确定的物体，分子总数是固定的，那么这物体的内能大小是由宏观量——温度和体积决定的。如果不是确定的物体，那么物体的内能大小是由质量、温度、体积和物态来决定。

课堂讨论题：下列各个实例中，比较物体的内能大小，并说明理由。

①一块铁由15℃升高到55℃，比较内能。

②质量是1kg50℃的铁块与质量是0.1kg50℃的铁块，比较内能。

③质量是1kg100℃的水与质量是1kg100℃的水蒸气，比较内能。

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（2）物体机械运动对应着机械能，热运动对应着内能。任何物体都具有内能，同时还可以具有机械能。例如在空中飞行的炮弹，除了具有内能，还具有机械能——动能和重力势能。

提问学生：一辆汽车的车厢内有一气瓶氧气，当汽车以 60km/h行驶起来后，气瓶内氧气的内能是否增加？

通过此问题，让学生认识内能是所有分子热运动动能和分子势能之总和，而不是分子定向移动的动能。另一方面，物体机械能增加，内能不一定增加。

4．物体的内能改变的两种方式

（1）列举锯木头和用砂轮磨刀具，锯条、木头和刀具温度升高，说明克服摩擦力做功，可以使物体的内能增加。如果外力对物体做功全部用于物体内能改变的情况下，外力做多少功，物体的内能就改变多少。如果用W表示外界对物体做的功，用ΔE表示物体内能的变化，那么有W=ΔE。功的单位是焦耳，内能的单位也是焦耳。

演示压缩空气，硝化棉燃烧。说明外力压缩空气过程，对气体做功，使气体的内能增加，温度升高到棉花的燃点而使其燃烧。

以上实例说明做功可以改变物体的内能。

（2）在炉灶上烧热水，火炉烤热周围物体，这些物体温度升高内能增加。这些实例说明依靠热传递方式也可以使物体的内能改变。物体吸收热量，内能增加。物体放出热量，物体的内能减少。如果传递给物体的热量用Q表示，物体内能的变化量是ΔE，那么，Q=ΔE。

热量的计算公式有：Q=mcΔt，Q=ML，Q=mλ（后面的两个公式分别是物质熔解和汽化时热量的计算式）。热量的单位是焦耳，过去的单位是卡。

所以做功和热传递是改变物体内能的两种方式。

（3）做功和热传递对改变物体的内能是等效的。

一杯水可以用加热的方法（即热传递方式）传递给它一定的热量，使它从某一温度升高到另一温度。这过程中这杯水的内能有一定量的变化。也可以采取做功的方式，比如用搅拌器在水中不断搅拌，也可以使这杯水从相同的初温度升高到同一高温度，这样，水的内能会有相同的变化量。两种方式不同，得到的结果是相同的。除非事先知道，否则我们无法区别是哪种方式使这杯水的内能增加的。

因此，做功和热传递对改变物体的内能是等效的。

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