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第十二章 热力学定律
第一节 物体的内能
选修系列
蒸汽机将蒸汽内部的能量转化为机械能
小电扇为什么能运转呢？
使它运转的能量来自哪里？
热水
冷水
小电扇
温差发电片
温差发电机将水内部的能量转化为电能
内能
内能宏观上是与状态有关的能量，微观上是分子热运动能量的总和。
任何一个热力学系统都必定存在一个只依赖于系统自身状态的一种能量
一、物体的内能
内能：
状态参量：
几何参量：
热学参量：
化学参量：
体积V
热力学温度T
物质的量n
分子动理论：
物体是由大量分子组成的
分子在做永不停息的无规则运动
分子之间同时存在着引力和斥力
一、物体的内能
物体由于运动而具有的能量
宏观物体的动能
微观的分子动能
像一切运动着的物体一样，做热运动的分子也具有动能，这就是分子动能，表示为
式中 m 为分子的质量，v 为分子热运动的速率，Ek 为分子的动能
宏观的动能和微观的分子动能有何种区别？
一、物体的内能
单个分子的运动状态是随机的，但可以从统计的角度了解大量分子热运动的宏观表现。
f(v)
T1
麦克斯韦气体分子速率分布曲线
T2
v
分子动能
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在研究热现象时，关注所有分子动能的平均值
为速率平方的平均值， 为分子平均动能
温度越高分子热运动越剧烈，分子平均动能越大。
因此，从分子动理论的观点来看，温度是物体分子热运动平均动能的唯一量度。
一、物体的内能
做热运动的分子间存在相互作用力，这种作用力仅与分子间的距离有关。类比重力势能，当分子间的距离发生变化时，分子间相互作用力会引起由分子间相对位置所决定的某种能量的变化，物理学中把这种能量称为分子势能。
分子间作用力
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m
h
v
上升过程中，重力做负功，重力势能增加
下落过程中，重力做正功，重力势能减少
分子力做正功时，分子势能减少
分子力做负功时，分子势能增加
类比宏观的功能关系
总结微观的功能关系
一、物体的内能
当 r > r0 时，分子间相互作用力表现为引力，这时增大 r 必须克服分子间引力做功，分子势能 Ep 随分子间距离 r 增大而增大。
反之，当 r < r0 时，分子间相互作用力表现为斥力，这时减小 r 必须克服分子间斥力做功，因此 Ep 随 r 减小而增大。
综上所述，当 r = r0 时，分子势能 Ep 最小。
（取 r 为无穷大时 Ep 为零）
一、物体的内能
F
O
r0
F斥
F引
10r0
EP
O
r0
10r0
物体的体积变化，意味着分子间距离发生变化，分子势能发生变化。因此，物体的分子势能与物体的体积有关。
一、物体的内能
分子热运动中，分子势能部分会使分子趋于团聚，而分子动能会使分子趋于飞散。
固体
液体
气体
一、物体的内能
综上所述，物体是由大量分子组成的，物体内部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。内能常用字母 U 来表示。
内能是对大量分子而言的，对单个分子来说无意义
内能U
所有分子动能
所有分子势能
分子平均动能
分子个数
分子间距
分子个数
微观角度
温度
物质的量
体积（状态）
物质的量
宏观角度
一、物体的内能
内能U
所有分子动能
所有分子势能
分子平均动能
分子个数
分子间距
分子个数
温度
物质的量
体积（状态）
物质的量
特别地：理想气体不考虑分子间的作用力，因此忽略分子势能。
结论：一定质量的理想气体的内能仅仅取决于温度（分子平均动能）
二、物体内能的变化
冰会融化变成水至沸腾，物质形态和体积发生改变，这就涉及到分子势能；随着水温的上升，水分子的热运动将会加剧，导致水的分子动能增加。
如何使物体的内能发生改变？
热传递可以改变物体的内能
热对流
热传导
热辐射
压缩气体做功，气体内能增加
外界对系统做正功，系统内能增加
摩擦做功
二、物体内能的变化
改变内能的两种方式
做功
热传递
对内
对外
吸热
放热
内能增加
内能增加
内能减少
内能减少
（外界对物体做功）
（物体对外界做功）
（物体从外界吸热）
（物体对外界放热）
二、物体内能的变化
课堂小结
内能
物体是由大量分子组成的，物体内部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
一定质量的物体分子动能与温度有关；分子势能与体积有关
内能的变化
做功过程中，其他形式的能（如机械能）转化为内能；
热传递过程中，物体间或物体各部分间的内能相互转移。
作业 10
课堂作业

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