做做功，改变物体的内能

□文、图/张军

我们通常所说的内能是狭义的概念，即物体内部所有分子做无规则运动的动能和分子势能之和。物体内能的改变也是自然界最为普遍的现象之一，每时每刻都在发生。初中物理课本中介绍了改变物体内能的两种方式，即做功和热传递。今天，我们就来做几个实验，进一步体会用做功的方式改变物体的内能。

内能是从微观角度考虑的，它的大小与物体的质量、温度、体积或状态都有关系。温度对应了分子无规则运动的剧烈程度，或者说对应了分子平均动能的大小；而体积或状态的变化，反映了分子间距离的变化、分子间作用力的变化、分子势能的变化。在温度、状态相同的情况下，同种物体的质量越大，内能也就越大。但是，内能的绝对值是无法计算的，通常计算的是内能的变化量。

并不是所有方式的做功都能改变物体的内能。比如，把物体举高，增加的是重力势能；让物体水平方向加速，增加的是动能。能让物体内能增加的做功方式通常有4 种，分别是克服摩擦做功、压缩气体做功、弯折做功、锻打或撞击做功。

克服摩擦做功

手冷了，把双手搓一搓，就会感觉暖和些，这就是用克服摩擦的方式增加手的内能，直观体验就是双手温度在升高（图1）。生活中，摩擦无处不在，因此这种改变内能的方式也随处可见。汽车在路面上行驶，与地面的摩擦会让轮胎升温。如果汽车行驶速度太大，轮胎温度升得过高，就容易爆胎。所以，汽车限速是基于路面寿命、行车安全等多方面考虑的。机器运转时，零部件间不停摩擦，会损耗机械能，影响工作效率。有研究表明，2006 年，全国8个工业部门消耗在摩擦、磨损和润滑方面的资金约有9 500 亿元；如果正确运用摩擦学知识，可以节省约3 270 亿元，占当时GDP 的1.55%。

严格来说，缝衣服、钉扣子、擦玻璃、穿衣服、走路、牙齿咀嚼食物、关节完成动作、水流过水管、风穿过小巷，乃至地球板块运动，都存在摩擦，都有机械能在转化为内能，也就是通常所说的摩擦生热，只不过我们一般意识不到。不过，钻木取火却为大家所熟知。

我们用电钻去钻木头。钻之前，测一下木头与钻头的温度，大约25℃；钻木头10秒钟，钻孔处的温度升至190℃以上；停止钻孔，拿走钻头，5 秒后再测木头上的钻孔温度，降至78.4℃（图2）。可以看到木屑已经变色，说明虽然没有出现明火，但是已有不完全的燃烧发生了。

图2

下次玩滑滑梯，滑行可不能太长、太快哦，小心裤子着火。

压缩气体做功

用气筒给自行车打过气的同学应该都知道，快速压缩活塞几次后，气筒壁的温度就明显升高了（图3）。压缩气体时，机械能转化为内能，活塞、气筒壁、筒内气体的温度都升高了，而且轮胎温度也在升高。也许有同学会质疑，是不是活塞与筒壁的摩擦导致了温度升高呢？这个因素也存在，但不是主要因素。只要把气嘴从轮胎上取下，推拉活塞几次，摸摸打气筒外壁就能知道，温度明显没有打气时那么高。

图3 供图/视觉中国

用气球和打气筒就可以做个实验。先测一下气球温度，25℃。快速充气，温度很快升到27℃。将气放掉，气球温度迅速降到22℃以下，这是因为气体膨胀对外做功，导致内能减小的缘故（图4）。烧开水时，水蒸气会顶起壶盖，将内能转化为壶盖的机械能，同时水蒸气因内能减少而发生液化，成为“水雾”。

图4

压缩气体做功，让气体温度升高，又称为“气动加热”。飞行器再入大气层时，温度会升高，主要原因不是因为与空气摩擦，而是气动加热。飞行器压缩前面的空气，可使空气温度超过10 000℃，导致氧气、氮气等变成等离子状态，产生耀眼的光芒。导弹弹头、太空探测器等进入地球大气层时，都有可能被烧毁。我们所说的“流星”，其实就是进入大气层后在高温状态下发光的陨石。这些陨石大部分会被烧掉，甚至爆炸为碎片，只有少部分落到地面。高温气流的烧蚀与冲击会在陨石表面留下凹坑，有的类似拇指按压，有的类似波浪，称为“气印”（图5）。研究人员可以通过分析陨石上的气印与熔流线，推知陨石在大气中的飞行方向、是否定向降落等信息。

图5

弯折和锻打做功

找一根铁丝，快速弯折七八次，弯折处的温度快速从室温升到30℃以上（图6）。这是因为人弯折铁丝做功时，机械能转化为内能。这时，不能贸然用手摸弯折处，以免烫伤。如果继续弯折下去，铁丝就会断掉。在生产、生活中，很多情况下的弯折不像弯折铁丝那样频繁、剧烈，但是能量转化依然在发生，比如汽车驶过路面、列车驶过钢轨、过山车驶过轨道，时间长了也会导致路面结构破损、金属疲劳等。

图6

物体之间发生撞击时，也会有机械能转化为内能。我们同样可以用实验来探究。

最后，给大家留个实验题。找个塑料袋，用钢尺压在玻璃板上，拿美工刀快速将塑料袋底部划掉。注意：划切塑料袋时，必须压紧刀口、快速划动。划过之后，剩余的塑料袋底部就应该通了，但是你会发现，剩余的塑料袋底部居然还是密封的（图7）！这是为什么呢？

图7