温度、热量和内能的关系

杨文绪

内能，是与分子热运动有关的能量.从微观上说，内能是系统内所有分子无规则运动的动能、分子间相互作用的势能、分子内部以及原子核内部各种形式能量（一般不变）的总和，可想而知内能与分子动能和分子势能、质量（质量大分子多）都有关系.分子一直处于永不停息的无规则运动中，所以分子有动能.分子与分子之间也有相互作用力，分子间也存在势能.

关于分子动能和分子势能可以建立这样的模型，如图1将分子类比成小球，用弹簧将小球连接起来，每个小球都在一定范围内移动、转动或振动等.当分子间距离改变时分子势能也会发生变化.

如图2所示，物质的三种状态实际上是由于分子之间距离的变化引起的.

分子运动有快有慢，动能有大有小，用什么来描述分子动能大小呢？物理学中用温度来表征分子的平均动能，实际上温度就是物体分子运动平均动能的标志，所以温度越高代表分子运动越剧烈，温度越低分子运动越缓慢.

热量是转移的那部分内能，内能是状态量.可以说某个物体具有多少内能，不能说某个物体具有热量.热量是过程量，只有在转移过程中才有意义.

三者之间的关系我们可以借助图3来理解.

1.温度和内能的关系

温度是分子运动快慢的标志，温度改变时说明分子动能已改变，在分子势能不变的情况下，可以说物体温度越高，内能越大.但反过来内能越大不能说明温度越高，因为还有可能分子势能有变化.由于分子在做永不停息的无规则运动，所以任何物体在任何温度下都具有内能.如：温度不变时，内能也有可能变化，因为分子势能有可能改变.

2.内能和热量的关系

内能是物体所具有的能量，热量是转移的那部分内能，两者的单位都是焦耳.热量和内能的关系可以类比成做功和能量之间的关系，做功是能量的一种标度，只有在过程中才有意义.可以说物体做了多少功，但不能说物体具有多少功.为什么做功和热传递都可以改变物体的内能呢？对物体做功是直接通过撞击的方式使分子动能增加，或直接改变分子间的距离，从而改变物体内能.物体对外做功，如气体膨胀内能就会减小.热传递总是从高温物体传向低温物体，是由于高温物体的分子会撞击低温物体的分子如图4，使低温物体运动比较慢的分子加快运动，从而使该物体内能增加.那么，热传递是从内能大的物体传向内能小的物体吗？不一定是，通过上面的论述知道，热传递的方向只与温度有关，内能大的物体有可能质量大而温度低.

3.温度与热量的关系

物体吸收热量，温度不一定升高，如冰熔化成水的过程中，虽然冰吸收了热量，但吸收的热量都用来改变了分子势能，分子势能宏观上与物体的体积有关，所以冰熔化成水的过程中体积变了，但温度没有变化.反过来物体温度升高，一定吸收了热量吗？不一定，还有可能通过做功方式改变物体温度.如铁匠在锻砸铁器的过程中，铁器的体积没有什么变化，但温度会升高.

另外，当温度升高到一定程度，就会使分子间的距离发生变化，这就是物态变化.

下面通过几个练习再巩固一下上面的讲解.

例1 （多选）关于温度、内能和热量，下列说法正确的是（ ）.

A.温度越高的物体所含的热量一定越多

B.温度相同的两个物体间不会发生热传递

C.0℃的冰变成0℃的水，温度不变，内能不变

D.任何物体都具有内能，通过摩擦可增大冰块的内能

解析 A.热量是过程量，描述它的术语只能用“吸收”和“放出”，不能用“含有”，故A的说法错误；B.温度相同的两个物体间不存在温度差，说明分子运动剧烈程度相同，不会发生热传递，B正确；C.0℃的冰变成0℃的水，吸收了热量，尽管温度不变，分子动能没有变化，但分子势能增大了，所以内能变大，故C的说法错误；D.任何物体都具有内能，通过摩擦，机械能转化为内能，冰块的内能增大，D正确.故选B、D.

例2 关于温度、内能和热量，下列说法正确的是（ ）.

A.物体内能增大，一定从外界吸收热量

B.汽油机在做功冲程中把机械能转化为内能

C.物体内能减少时，温度可能不变

D.锯条锯木板时，锯条的内能增加，木板的内能减少

解析 A.物体的内能增大，可能是对物体做功，也可能是吸收热量，故A错；B.汽油机在做功冲程中，将内能转化为机械能，故B错；C.物体内能减小有可能是分子动能减小导致的，还有可能是分子势能减小导致的，例如水凝固时，放出热量、内能减少，但温度不变，故C正确；D.锯条锯木板时，克服摩擦做功，使锯条和木头的内能都增加、温度升高，D错.故选C.