關(guān)于內(nèi)能的緊急問題
哪些是內(nèi)能一個體系處在某一狀態(tài)，假如描述狀態(tài)的化學(xué)、化學(xué)性質(zhì)，如氣溫、壓強、體積、組成等，都有固定不變的數(shù)值，那末，這個狀態(tài)在宏觀上就稱為平衡狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)。平衡狀態(tài)并不意味著物質(zhì)的運動消失了，實際上，物質(zhì)內(nèi)部的分子、原子、電子等，仍處在不停的激烈運動之中。為此，宏觀上靜止?fàn)顟B(tài)的物質(zhì)仍具有一定能量，這些能量稱為內(nèi)能(U)。體系的內(nèi)能，包括體系內(nèi)各類物質(zhì)的分子聯(lián)通動能、分子間位能、分子轉(zhuǎn)動能、分子振動能、電子運動能、核能等。嚴(yán)格地講，在討論體系的內(nèi)能時，還要涉及整個體系的聯(lián)通動能，以及體系處在電磁場或引力場中的位能。但在研究物理變化問題上，這一部份能量的變化，相對來說比較小，顯...全部
哪些是內(nèi)能一個體系處在某一狀態(tài)，假如描述狀態(tài)的化學(xué)、化學(xué)性質(zhì)，如氣溫、壓強、體積、組成等，都有固定不變的數(shù)值，那末，這個狀態(tài)在宏觀上就稱為平衡狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)。平衡狀態(tài)并不意味著物質(zhì)的運動消失了，實際上，物質(zhì)內(nèi)部的分子、原子、電子等，仍處在不停的激烈運動之中。
為此，宏觀上靜止?fàn)顟B(tài)的物質(zhì)仍具有一定能量，這些能量稱為內(nèi)能(U)。體系的內(nèi)能，包括體系內(nèi)各類物質(zhì)的分子聯(lián)通動能、分子間位能、分子轉(zhuǎn)動能、分子振動能、電子運動能、核能等。嚴(yán)格地講，在討論體系的內(nèi)能時，還要涉及整個體系的聯(lián)通動能，以及體系處在電磁場或引力場中的位能。
但在研究物理變化問題上，這一部份能量的變化，相對來說比較小，變得很不重要，所以常常把它們忽視掉。內(nèi)能U既然是體系內(nèi)部能量的總和，它就是體系本身的性質(zhì)，所以只取決于狀態(tài)，包括：物態(tài)、溫度、壓強、組成和固體的晶形等。
在一定狀態(tài)下，內(nèi)能U應(yīng)有一定的值。所以，內(nèi)能的變化只決定于起始狀態(tài)和終了狀態(tài)，與變化的途徑無關(guān)。按照狀態(tài)函數(shù)的定義(即與狀態(tài)有關(guān)而與途徑無關(guān)的數(shù)學(xué)量稱為狀態(tài)函數(shù))可知，內(nèi)能是一種狀態(tài)函數(shù)。假定一個體系從具有內(nèi)能U1的某一狀態(tài)，經(jīng)歷一個過程變?yōu)榫哂袃?nèi)能U2的另一狀態(tài)。
體系的內(nèi)能變了，必然與環(huán)境發(fā)生能量的交換。能量交換的方式不外乎熱量和功。根據(jù)熱力學(xué)第一定理，體系內(nèi)能的增量△U=U2-U1，必須等于體系和環(huán)境交換的總能量，即熱量和功之和。體系從環(huán)境吸收的熱量Q使體系的內(nèi)能降低，而體系對環(huán)境做的功則使體系的內(nèi)能減低，所以它們各自取正號和減號來與體系內(nèi)能的增量相聯(lián)系。
因而就得到熱力學(xué)第一定理的物理表示式如△U=U2-U1=Q-W上式中，功W包括膨脹功W膨和非膨脹功W非兩項，即W=W膨+W非。而在熱物理中，一般所討論的是只形成膨脹功，而不形成非膨脹功的反應(yīng)，即W=0，而膨脹功W膨=p外(V2-V1)=p外△V，所以△U=Q-p外△V。
假如體系的變化是等容過程，則上式中△V=0，∴△U=QV-p△V=QV……(1)或QV＝△U(1)式表明，在不做非膨脹功的等容過程中，物理反應(yīng)的等容熱效應(yīng)(QV)與體系內(nèi)能的增量(△U)一樣，只取決于體系的始態(tài)和終態(tài)，而與途徑無關(guān)。
內(nèi)能內(nèi)能是指物體內(nèi)部分子熱運動的各類方式的動能（平動動能、轉(zhuǎn)動動能和震動動能）以及分子間勢能的總和。內(nèi)能是系統(tǒng)的狀態(tài)函數(shù)，與氣溫和容積有關(guān)，也與物質(zhì)質(zhì)量有關(guān)。在國際單位制中，內(nèi)能的單位是焦耳。
物體的氣溫下降，物體內(nèi)能降低。由于分子無規(guī)則運動推進，分子的動能降低；還由于通常物體受熱容積膨脹，分子寬度離減小，分子的勢能降低。相反，物體的濕度增加時，物體的內(nèi)能就降低。整塊物體破成尸塊或粉末，分子的勢能就要降低。
物態(tài)變化也伴隨著物體內(nèi)能的變化。在熔解、蒸發(fā)、沸騰等過程中，其氣溫不變時，物體容積發(fā)生了變化，物體的內(nèi)能也降低。相反，在融化和液化等過程，物體的內(nèi)能減低。另外，質(zhì)量越大，分子數(shù)越多，它的內(nèi)能就越大。
另外必須強調(diào)，在任何情況下系統(tǒng)總具有內(nèi)能，而在個別情況下，系統(tǒng)可以沒有機械能。如在地面上的系統(tǒng)處于靜止?fàn)顟B(tài)時，從宏觀角度看，可以說系統(tǒng)無動能又無勢能，其機械能等于零。但是組成該系統(tǒng)的分子，在任何情況下都在不停的運動，系統(tǒng)的內(nèi)能永遠不等于零，所以系統(tǒng)的內(nèi)能不同于系統(tǒng)的機械能。
一、分子動能氣溫是分子平均動能的標(biāo)志，氣溫越高，分子運動越劇烈，分子平均動能越大．分子平均速率和平均動能是一個宏觀統(tǒng)計概念，氣溫越高，分子平均動能越大，但并不是所有分子動能都減小，某些分子動能還有可能降低．二、分子勢能由分子間斥力決定的一種能量，與分子寬度離有關(guān)，宏觀上表現(xiàn)出與物體容積有關(guān)．當(dāng)分子寬度離小于平衡距離時，分子力表現(xiàn)為引力，此時減小分子寬度離，分子力作負功，分子勢能降低；當(dāng)分子寬度離大于平衡距離時，分子力為作用力，此時降低距離，分子力還是做負功，分子勢能降低；由此可見分子寬度離等于平衡距離時分子勢能最小什么是內(nèi)能，但不一定為零，由于分子勢能是相對的．分子勢能與分子寬度離的關(guān)系如圖所示．三、物體的內(nèi)能物體內(nèi)所有分子的動能和分子勢能的總和叫內(nèi)能．(1)定義或解釋①內(nèi)能是指物體內(nèi)部分子熱運動的各類方式的動能(平動動能、轉(zhuǎn)動動能和震動動能)以及分子間勢能的總和。
②內(nèi)能是一個完全由系統(tǒng)的初、終狀態(tài)所決定的數(shù)學(xué)量，它和所經(jīng)歷的途徑無關(guān)，內(nèi)能是系統(tǒng)的狀態(tài)函數(shù)。(2)單位在國際單位制中，內(nèi)能的單位是焦耳，常用的單位還有爾格。
(3)說明①能的概念比較具象，但極為重要。是教學(xué)中的重點，也是難點。須要通過教學(xué)，讓中學(xué)生逐漸對它有一個較為正確和深刻的認識。關(guān)于內(nèi)能，完整地說，不僅分子的熱運動動能和分子間的勢能外，還有分子、原子內(nèi)的能量和原子核內(nèi)的能量等等，當(dāng)有電磁場和系統(tǒng)互相作用對，還應(yīng)包括相應(yīng)的電磁方式的能。
但在力學(xué)范圍內(nèi)，物體的內(nèi)能主要表現(xiàn)為分子的熱運動，因而在力學(xué)中，對內(nèi)能作(1)中①的表述，也是完全可以的。在(1)中②的講法中，內(nèi)能和其他方式的能一樣，也是狀態(tài)函數(shù)。這個推論是焦耳從1840—1879年，通過多種實驗裝置，經(jīng)過多次實驗后得出的。
焦耳發(fā)覺，只要系統(tǒng)的初、終狀態(tài)不變，在各類不同的絕熱過程中，采用各不相同的做功方式，所測得功的數(shù)值都相同。也就是說，所做的功和過程的途徑無關(guān)，僅由系統(tǒng)的初、終狀態(tài)所決定。由此可見，內(nèi)能也是系統(tǒng)的態(tài)函數(shù)。
②和討論重力勢能一樣，我們能確定的只是內(nèi)能的變化。由于任何態(tài)的內(nèi)能，只有在標(biāo)準(zhǔn)參考態(tài)的值確定后，才可能做出相應(yīng)的確定值。這個值只是相對于標(biāo)準(zhǔn)參考態(tài)的內(nèi)能，假如要測得系統(tǒng)某一狀態(tài)內(nèi)能的絕對值，是不可能的。
③系統(tǒng)內(nèi)能的增減，假如單純是因為機械功所致，這么內(nèi)能的變化，可以用作功來量度；假如單純是因為傳遞熱量所致，這么內(nèi)能的變化，可以用熱量來量度。但是在好多的變化過程中，除了作功的途徑各不相同，但是熱傳遞和作功常常同時進行，這就使問題顯得比較復(fù)雜。
鑒于系統(tǒng)的內(nèi)能是個狀態(tài)函數(shù)，只要初、終狀態(tài)確定，系統(tǒng)的內(nèi)能也就急劇確定。至于系統(tǒng)經(jīng)過何種形式變化，中間經(jīng)過一些哪些狀態(tài)都毫無關(guān)系。對于理想二氧化碳來說，因為不存在分子間的互相作用，也就沒有分子間的勢能，所以它的內(nèi)能的確定就更簡單了，完全由態(tài)函數(shù)——溫度來確定。
依據(jù)能量按自由度均分原理，每一個分子的總的平均動能為去知T對于理想二氧化碳來說，其中每一個分子的內(nèi)能就是去％T，這么l摩爾的理想二氧化碳的內(nèi)能為E0=N0(iKT/2)=(i/2)RT，n摩爾的理想二氧化碳的內(nèi)能為E=n(i/2)RT④必須強調(diào)，在任何情況下系統(tǒng)總具有內(nèi)能，而在個別情況下，系統(tǒng)可以沒有機械能。
如在地面上的系統(tǒng)處于靜止?fàn)顟B(tài)時，從宏觀角度看，可以說系統(tǒng)無動能又無勢能，其機械能等于零。但是組成該系統(tǒng)的分子，在任何情況下都在不停的運動，系統(tǒng)的內(nèi)能永遠不等于零，所以系統(tǒng)的內(nèi)能不同于系統(tǒng)的機械能。
⑤還必須說明“內(nèi)能”和有些書中所提及的“熱能”間的關(guān)系，在熱力學(xué)范圍內(nèi)，內(nèi)能包括兩部份，一部份是和分子的熱運動相對應(yīng)的動能E加另一部份是由分子之間的互相斥力所造成的分子勢能刀。
在有些書中，把這前一部份物體內(nèi)部分子熱運動的動能EK稱作熱能。這樣什么是內(nèi)能，熱能就成了內(nèi)能的一部份。內(nèi)能的三個公式E=3/2RTE=5/2RTE=7/2RTE=3RT似乎是用于固體二氧化碳內(nèi)能有三個部份組成：分子的線性運動，分子的旋轉(zhuǎn)，分子的震動。
對于單原子二氧化碳，覺得原子為質(zhì)點時，不存在旋轉(zhuǎn)和震動。所以是3/2RT而對于雙原子、多原子二氧化碳，要因體溫而定。高溫時，旋轉(zhuǎn)和震動作用小，所以也約為3/2RT,隨著氣溫的下降，旋轉(zhuǎn)和震動作用日漸提高，便漸漸變?yōu)?/2RT甚至7/2RT。
以雙原子二氧化碳H2為例，100k以下，E約為3/2RT；100k-500k時，3/2RT常溫下（300k)，單、雙、多原子二氧化碳分別接近于3/2RT,5/2RT,7/2RT。因為受氣溫印象較大，這種公式偏差常常較大。通常情況下理想二氧化碳內(nèi)能公式中的，，這兒i不是分子的自由度數(shù)，但在水溫不太高的情況下（分子可視為剛性分子），震動自由度，，此時內(nèi)能公式中的i才是分子的自由度．二氧化碳分子熱運動能量的精典統(tǒng)計規(guī)律能量均分定律理想二氧化碳內(nèi)能真實二氧化碳內(nèi)能理想二氧化碳內(nèi)能(ofof)內(nèi)能定義：二氧化碳內(nèi)能是指所有二氧化碳分子各類能量,及分子間互相作用勢能的總和。
理想二氧化碳分子除碰撞頓時外無互相作用，故無互相作用勢能。所以理想二氧化碳的內(nèi)能定義為：平衡態(tài)下每位分子各類方式的動能和分子內(nèi)部勢能之和．內(nèi)能表達式:一個分子的平均總能w=ikt/21mol二氧化碳(含NA個分子)內(nèi)能E=N(A)ikt/2=iRT/2M克理想二氧化碳內(nèi)能：E=viRT/2(v為摩爾數(shù))一定量的理想二氧化碳，當(dāng)系統(tǒng)選取后該理想二氧化碳的內(nèi)能僅是氣溫(T)的函數(shù)，亦稱二氧化碳的狀態(tài)一定時(即T一定)，內(nèi)能就為一定值。
當(dāng)系統(tǒng)與外界發(fā)生能量交換從一個狀態(tài)(T1)變化到另一狀態(tài)(T2)時，內(nèi)能總是改變一定的數(shù)值:,即內(nèi)能的變化僅僅由氣溫差決定，與狀態(tài)變化經(jīng)歷的過程無關(guān)。收起
