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第十三章
内 能
第3节
内能
装着开水的暖水瓶，有时瓶塞会弹起来。推动瓶塞的能量来自哪里
瓶塞弹起来是因为瓶内水蒸气膨胀对瓶塞做功，水蒸气的内能转化为了瓶塞的机械能。
内能
我们举高一个物体，即对物体做功，会改变该物体的机械能。这是机械运动中与能量有关的现象。在热现象中，保持一个物体不动，对其加热或者做功 (例如摩擦该物体)，这个物体的能量会不会发生改变呢 如果有能量的改变，这种能量以什么形式存在呢
我们知道，运动的物体具有动能，运动的分子也同样具有动能(图13.3-1)。构成物质的分子在不停地做热运动，温度越高，分子热运动的速度越大，它们的动能也就越大。
甲 运动的足球具有动能
乙 运动的分子具有动能
图13.3-1 动能
除此之外，由于分子之间存在类似弹簧形变时的相互作用力，所以分子也具有势能。这种势能叫作分子势能 (图13.3-2)。
甲 弹簧形变时具有势能
乙 互相排斥或吸引的分子具有势能
图13.3-2 势能
构成物体的所有分子，其热运动的动能与分子势能的总和，叫作物体的内能 (internal energy)。内能的单位也是焦耳，各种形式能量的单位都是焦耳。
飞在空中的足球，由于离开地面而具有重力势能，由于在空中飞行还具有动能。空中运动的足球除了整体具有机械能，同时还具有内能。机械能与整个物体的机械运动情况有关，而内能与物体内部分子的热运动和分子之间的相互作用情况有关。内能是不同于机械能的另一种形式的能。
一切物体，不论温度高低，都具有内能。炙热的铁水具有内能；冰冷的冰块，温度虽然低，但是其中的水分子仍然在做热运动，所以也具有内能(图13.3-3)。
图13.3-3 铁水和冰块都具有内
影响内能大小的因素
影响因素 物体内能大小的解释
质量 它反映了物体内部分子数的多少，同温度、同物态、同 种物质组成的物体的内能与它的质量有关，质量越大，分子数目越多，内能就越大。例如，同样是 15℃ 的一桶水和一杯水，一桶水的内能就比 一杯水的内能大得多
影响因素 物体内能大小的解释
温度 它反映了物体内部分子运动的剧烈程度，温度越高，分子运动越剧烈，分子动能越大，内能就越大
物态 物态不同，其分子间的距离不同，相互作用力也不同，分子势能就会不同因此，物体的物态不同，其内能也不同。例如，10g、0℃ 的冰与 10 g、0℃ 的水比较，冰熔化成水时需吸收热量，故水的内能更大
影响因素 物体内能大小的解释
体积 例如在热胀冷缩现象中，物体体积的变化是因为分子间距离发生变化，而分子间距离的变化会引起分子势能的变化，因而物体体积的变化也能反映物体内能的大小
物质种类 不同物质的分子大小、结构不同，分子间作用力也不同，故温度相同时，它们的分子势能不相同，内能不同
内能和机械能的区别与联系
项目 内能 机械能
区别 定义 构成物体的所有分子，其热运动的动能与分子势能的总和 物体所具有的动能和势能的总和
影响 因素 物体的温度、质量、状态、物质种类 物体的质量、速度、高度(或弹性形变的程度)
存在 条件 永远存在 物体在运动时、被举高时、发生弹性形变时具有
项目 内能 机械能
联系 (1) 内能和机械能都是物体具有的两种不同形式的能量。 (2) 具有机械能的物体同时一定具有内能，但是具有内能的物体不一定具有机械能。 (3) 物体的内能和机械能可以相互转化 热传递与内能的改变
如果把烧热的工件放到冷水中，工件会凉下来，而冷水会变热，这是因为在此过程中发生了热传递。发生热传递时，高温物体放出热量、内能减少，低温物体吸收热量、内能增加。物体吸收或放出的热量越多，它的内能改变越大。热传递可以改变物体的内能。
冬天用热水袋取暖，人体逐渐感觉暖和，热水袋慢慢凉下来。人轻度发热时用冷毛巾给头部降温，过一段时间后，毛巾温度升高，头部温度降低。这些都是热传递改变物体内能的例子。
做功与内能的改变
甲 为什么冬天人们经常搓手
乙 下滑时有什么感觉
图13.3-4 摩擦可以产生热
除了热传递，还有什么途径可以改变物体的内能 结合图13.3-4 思考、讨论。
图13.3-4 所示的情形说明摩擦可以产生热这部分内能是从哪里来的呢
摩擦时物体克服摩擦力做了功，这部分内能是物体克服摩擦力做功转化而来的。
做功改变空气的内能
1.如图13.3-5 甲所示，在一个配有活塞的厚玻璃筒里放一小团脱脂棉把活塞迅速压下去，观察发生的现象。
图13.3-5做功改变内能
甲 空气被压缩时内能增加
2.如图 13.3-5 乙所示，在烧瓶内盛少量水，并盖紧瓶塞。向瓶内打气，当瓶塞跳起时，观察瓶内的变化。
图13.3-5做功改变内能
乙 空气推动瓶塞时内能减少
在上述实验中，通过什么途径改变了玻璃筒和烧瓶内空气的内能
在图13.3-5甲所示的实验中，脱脂棉燃烧起来是因为活塞压缩气体做功，使空气的内能增加，温度升高，达到脱脂棉的燃点。在
图13.3-5做功改变内能
甲 空气被压缩时内能增加
在图13.3-5乙所示的实验中，瓶内水上方存在着无色透明、无法看到的水蒸气；当瓶塞跳起时，可以看到瓶内出现白雾，说明水蒸气液化成了可以看到的小水滴。在这个过程中，气体膨胀对外做功，内能减少，温度降低。
图13.3-5做功改变内能
乙 空气推动瓶塞时内能减少
类似的现象还有通过搅拌让水温升高，通过捶打使铁块变热等。这些过程都伴随着做功。由此可见，做功也可以改变物体的内能。
有了内能的概念后，我们就能理解，对一个物体加热或者做功，就是使能量“流入”了物体的内部，物体的内能增加。能量通过这种方式被储存起来。反过来，物体也可以对外放热或者做功，从而释放内能。
张老师在火车站乘电梯时随自动扶梯匀速上行，他所携带的背包的重力势能增大背包的内能是否也增大 为什么 他在高速列车中将书放在小桌板上，列车启动后的一段时间内车速越来越大，书的动能增大，它的内能是否也增大 为什么
背包和书的内能都不增大，因为物体内能的大小与物体的温度、状态等有关，影响内能的这些因素都没有变化。
在以下过程中，小孩、火箭箭体和子弹的内能是在增大还是在减小 机械能是在增大还是在减小
(1) 小孩在滑梯上匀速滑下的过程中，臀部与滑梯摩擦后温度升高。
小孩的内能增大，机械能减小。
(2) 火箭在从地面向上发射的过程中，火箭外壳和大气摩擦后温度越来越高。
(3) 子弹击中一块木板，子弹温度升高。
火箭的内能增大，机械能增大。
子弹的内能增大，机械能减小。
请说明“烤火取暖”和“钻木取火”分别通过什么方式改变物体的内能。
“烤火取暖”是通过热传递的方式使内能增加，温度升高；
“钻木取火”是克服摩擦做功，机械能转化为内能，内能增加，温度升高。
把图钉按在铅笔的一端，手握铅笔使钉帽在粗糙的硬纸板上来回摩擦，然后用指尖感觉钉帽温度的变化，并解释发生这种变化的原因。(操作时要注意安全!)
摩擦后的图钉钉帽变热，是因为通过克服摩擦力做功，机械能转化成了内能，图钉钉帽的内能增大，温度升高，这是通过做功的方式来改变物体的内能。
1. (多选) 下列关于内能的说法正确的是 ( )
A. 温度为 0℃ 的物体没有内能
B. 温度高的物体内能一定大
C. 物体的内能增加，它的温度一定升高
D. 物体的温度升高，它的内能就增加
E. 具有机械能的物体不一定具有内能
F. 物体具有内能也可以同时具有机械能
DF
2. (山西太原期中) 将热水倒进玻璃杯中，玻璃杯会变热，下列关于热水和玻璃杯的说法正确的是 ( )
A. 水将温度传给了玻璃杯
B. 水含有的热量减少
C. 玻璃杯增加的内能小于水减少的内能
D. 当它们温度相同时，内能也相同
C
3. (湖南岳阳二模)下列生活实例中，利用热传递改变物体内能的是 ( )
C
4. (中考整合)以下关于同一物体的内能、热量、温度说法正确的是 ( )
A. 物体内能增大，温度一定升高
B. 物体温度升高，一定吸收了热量
C. 物体温度升高，内能一定增大
D. 物体内能增大， 定吸收了热量
E. 温度越高的物体含有的热量越多，所以 0℃ 的冰没有热量
F. 物体吸收热量，内能增加，温度一定升高
C
1mL水大约有 20 滴，每滴水大约含有2×1021 个水分子。如果我们1s数3个水分子，多少年才能数完1mL水中所含的水分子
1 m水含有水分子的个数：20×2×1021个＝4×1022个，
1年能数的水分子的个数 365×24×3 600×3＝9.460 8×107个，
数完 1 mL 水分子个数需要的时间为：
年＝4.23×1014 年。
在做图13.2-5所示的实验时，测得两个铅柱的接触面积为15cm，当下方悬桂 20kg 的重物时，铅柱仍然未被拉开。请根据实验数据说明，大气压的作用不是铅柱能悬吊重物的主要原因。
作用在铅柱上的大气压力
F＝pS＝1×105Pa×1.5×10－4 m2＝15 N
20 kg 重物的重力 G＝20 kg×9.8 N/kg＝196 N。
由计算可知大气压的作用下铅柱只能悬吊 15 N 的重物，远小于铅柱所吊重物的重力，故大气压的作用不是铅柱悬吊重物的主要原因。
用相同的电加热器同时加热质量相等的水和另一种液体，二者初温均为20℃。一段时间后，测得水的温度为 40℃，另一种液体的温度为 42.1℃。另一种液体的比热容是多少
3.8×103J/(kg·℃)
解析：由题知 m水＝m液，Q吸水＝Q吸液，c水＝4.2×10J/(kg·℃)，
由 Q吸＝cm(t－t0)可得
4.2×103J/(kg·℃)×m水×(40℃－20 ℃)
＝ c液×m液×(42.1℃－20℃)，
解得 c液＝3.8×103J/(kg·℃)。
某同学做实验时所用的电加热器 1s 内放出的热量为 700J。加热1min 能使 200g 的水温度升高多少
50 ℃
解析：水吸收的热量 Q吸＝700 J/s×60 s＝42 000 J，
水升高的温度：
t＝＝ ＝50℃。
地球上海水的总质量约为1.4×1021 kg，比热容约为4.2×103 J/(kg·℃)。如果这些海水温度降低 1℃，放出的热量约是多少 这些热量约是全球年发电量的多少倍 已知全球年发电量约为1×1020J。
5.88×1024J ；5.88×104 倍。
解析：海水放出的热量：
Q吸× cm t ＝ 4.2×103J/(kg·℃)×1.4×1021 kg×1℃
＝5.88×1024J；
是全球年发电量的 ＝5.88×104 倍。
图13-1是我国古籍《天工开物》中描绘的造纸时“透火焙干”的情景。将一张张湿纸膜贴在砖墙上，在巷中生火，砖的温度升高湿纸膜上的水分逐渐蒸发，干透后揭下来就是成品纸了。在你看来，“透火焙干”涉及哪些物理知识
图13-1
“透火焙干”过程涉及以下物理知识：
(1) 热传递：生火使砖的温度升高，热量通过传导的方式从火传递到砖，再由砖传递给湿纸膜，使湿纸膜的温度升高为水分蒸发提供热量。
(2) 物态变化：湿纸膜上的水由液态变为气态，发生了汽化现象。

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