钟梓鸣
摘 要:教材中明确指出,物体中所有分子的分子势能和所有分子做热运动的动能的总和,就等于物体的内能。该文从高中热学中的两大难点概念——物体内能的组成和物体内能的变化出发,对这两大概念以笔者自己的观点进行了阐述,并就与这两大概念相关的物体内能的影响因素、物体做功与内能变化量的关系进行了相应探讨,且举以实例对文中的观点予以了说明。
关键词:高中热力学 物体内能的组成 物体内能的变化
中图分类号:G633.7 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2016)07(c)-0107-02
Abstract: Textbooks clear that the object of all molecules of molecular potential energy and thermal motion of all the molecules do sum of kinetic energy, it is equal to the internal energy of the object. This article from high school in two difficult thermal concept - can change the inner body composition and energy objects of view, these two concepts to the author's own views were elaborated on and with these two concepts within object factors that affect the objects acting relationship with the amount of change in the internal energy accordingly discussed with examples of both the text view to be described.
Key Words: High school thermodynamics; The composition can be inside the object; Can change inside the object
热学在高中物理中的地位举足轻重,该部分内容以及与内能有关的概念最难为我们高中学生所理解。该文以两个高中学生最容易含混的两大概念,即物体内能的组成和物体内能的变化展开了几点物理问题的探讨,希望能对和笔者一样正在进行高中物理学习的同学有一点帮助。
1 物体内能的组成
教材中明确指出,物体中所有分子的分子势能和所有分子做热运动的动能的总和,就等于物体的内能。也就是说,物体的内能是由其内部所有的分子的分子势能和分子热运动的动能所组成的[1]。
从微观角度来看,物质是由大量的分子组成的,分子都在不停地运动,所以所有的分子都有动能。无论是通过前面宏观力学部分的牛顿万有引力定律来理解,还是通过后来学习的库伦定律来理解,我们都可以判断分子之间是存在分子力的。有力存在,就必定有对应的势能,所以分子势能一定存在。物体内分子的种类与物体的种类有关,而分子的多少与其质量有关,其分子的热运动激烈程度又与温度有关,我们由动能定理可知Ek=mv2,所以,物体内分子的动能与其物体种类、物体质量和环境温度有关。而物体的种类还是影响组成其分子的原子的原子核的所带电荷数,物体的体积影响其分子之间的相互作用力大小,所以物体的种类、体积和质量都会影响其内部分子的分子势能之和。所以一般笼统地理解,我们认为物体的内能和物体的种类、温度、质量、体积等因素有关。
以上只是就高中所学的知识而进行的粗浅认识,笔者通过查阅文献,发现对于固体和液体而言,其内部分子的相互作用机制其实是非常复杂的,现阶段我们所掌握的知识并不足以对其形成深刻认识。至于气体,教材中有较为详细的讲解,与上述的理解并无二致,下面笔者想就文献中的观点重点谈一下晶体的内能。
固体中的晶体,微观结构一般看成很多晶格,一般我们会认为其粒子在其晶格式固定不动,其实则不然,粒子是一定存在热运动的,但因为其运动并不剧烈而不会破坏粒子间的结合,这种轻微的运动称之为晶格振动。自由的粒子一旦结合起来形成晶格,其内能都可分为晶格能和晶格振动能,晶格能取决于粒子间的相互势能,由晶体的体积决定。而晶格振动能为晶体的振动势能和振动动能之和,此两者分别由晶体体积和温度来决定。所以,晶体的内能也可以笼统理解为其内部分子的分子势能和分子热运动动能之和,与晶体种类、质量、温度、体积等因素有关。
2 物体内能的变化
我们虽然知道了物体内能的组成,也了解其内能的决定因素,但是,物体的内能是绝对没有办法测定的,而且以任何一个值来衡量物体的内能都是没有意义的。物体的内能不能测定,可物体内能的变化量却是有办法进行量度的。
物体内能的改变途径有且只有两种,即热传递和做功。
热传递的实质其实是让物体的内能实现了转移,高温物体能通过热传递的方式,将其内能转移给低温物体,使高温物体自身的内能减少,而使得低温物体的内能增加。其间若没有第三个物体参与能量的交换,那么高温物体内能的减少量必定是和低温物体内能的增加量是相等的[2]。
教材中明确给出了一个功的概念,即功是物体能量转化的量度。这个概念是在告诉我们,所谓做功,其实是一个物体的内能与其他形式的能量的相互转化的过程。譬如说,一个物体以一定的初速度从粗糙的斜面上滑下,摩擦力在这个过程中阻碍物体的运动,做了负功,该物体的一部分动能就转化成了物体和粗糙斜面两者的内能。
从上述讨论我们可以看出,物体内能的变化,可以由热量的传递量和外界对物体做功两方面进行度量,笔者通过认真思考,认为做功与内能的变化其实可以深入地总结一下。
首先,做功虽然可以使物体的内能改变,但并不是只要对物体做功其内能就一定会发生改变。这一点我们以物体做自由落体运动这一模型来分析就能得到清晰的认识,物体下落,其重力不断对物体做功,但这个过程其重力做的功全部变为了物体的动能,物体的内能既没有增加也没有减少[3]。其次,改变物体内能的功,未必需要外力来完成,机械波、电磁波、电流等也可以对物体做功使其内能为之改变。这个也很好理解,一根通电的导线,在其通电一定时间后会变热,这中间既没有热量传递也没有外力做功,导线的内能却增加了,这就是电流完成了对导线的做功。再次,其他形式的能量和内能之间不但可以完成相互转化,在许多方面还能够相互涵盖,为同一本质的两种表现。如分子的动能实则就涵盖在其所组成的物体的内能当中,物体的弹性势能和内能也是其分子势能这同一性质的不同表现而已。
3 结语
热学是高中物理的重点内容,也是日后我们想在材料学、动力学等科学领域实现进一步学习的基础,认真对物理的内能进行深入的学习和研究对我们每一个高中生而言都很有必要。该文就笔者的观点,对物体内能的组成和物体内能的变化两大版块进行了简要的探讨,若其间有因笔者才识之不足抑或撰文资料之不完备而引起的纰漏,还望大家发現后不吝赐教,帮忙斧正。
参考文献
[1] 相翠翠.理想模型法在高中热学中的应用[J].高中数理化,2016(1):42-43.
[2] 陈光荣.一组高中热学是非判断题[J].中学物理教学参考,1996(4):11-12.
[3] 黄俞红.假设法解高中物理选修3-3热学题[J].学周刊,2015(12):171.