二氧化碳的內(nèi)能是描述二氧化碳狀態(tài)性質(zhì)的數(shù)學量，是由二氧化碳內(nèi)部狀態(tài)所決定的能量，對于一定質(zhì)量的二氧化碳，只要氣溫和容積確定了，它的狀態(tài)也就確定了，在此狀態(tài)下的內(nèi)能也就被地確定了，即內(nèi)能是狀態(tài)的單值函數(shù)，做功和熱傳遞是改變內(nèi)能的兩種形式，當二氧化碳由某一狀態(tài)出發(fā)，經(jīng)過任意過程變化到另一狀態(tài)時，二氧化碳內(nèi)能的增量△U等于在這一過程中外界對二氧化碳所做的功W和二氧化碳所吸收的熱量Q之和，即△U=W＋Q，這就是熱力學第一定理的物理敘述，對于一定質(zhì)量的理想二氧化碳的內(nèi)能，焦耳在1845年做了的二氧化碳自由膨脹的實驗，得到了理想二氧化碳內(nèi)能的性質(zhì)。
一、理想二氧化碳的內(nèi)能
焦耳的實驗裝置如圖1所示，容器A部充以浮力較低的二氧化碳(可以看成理想二氧化碳)，容器B部為真空，A、B用活門C隔開，整個裝置溶入一個有絕熱殼的水量熱器中，當整個裝置與水達到熱平衡之后，打開活門C二氧化碳將膨脹飽含整個容器，檢測膨脹前后二氧化碳和水的平衡氣溫，發(fā)覺沒有改變，這個結(jié)果表明二氧化碳在膨脹前后的氣溫沒有變化，同時也說明二氧化碳在膨脹過程中與水沒有熱量的交換，即Q=0，因為二氧化碳向真空中膨脹不受任何制約，所以外界對二氧化碳不做功W=0，依據(jù)熱力學第一定理，△U=0，即氨氣在這一過程中內(nèi)能沒有發(fā)生變化，可見這是一個二氧化碳容積改變而內(nèi)能保持不變的過程，實驗結(jié)果又表明此過程中二氧化碳的體溫并沒改變，這就說明二氧化碳的內(nèi)能只跟氣溫有關而跟容積無關，因而得到推論：理想二氧化碳的內(nèi)能只與濕度有關，與容積無關，這一推論稱為焦耳定理。
從二氧化碳分子動理論的觀點來看，二氧化碳的內(nèi)能是二氧化碳中所有分子熱運動的動能和分子間互相作用的勢能的總和，而分子熱運動的動能與二氧化碳的濕度有關，分子間互相作用的勢能與二氧化碳的容積有關，所以二氧化碳的內(nèi)能是氣溫和容積的函數(shù)，而理想二氧化碳，是指分子間沒有互相作用和分子可以看作沒有大小的質(zhì)點的二氧化碳，因此理想二氧化碳內(nèi)能中就不存在分子間互相作用的勢能，所以，理想二氧化碳的內(nèi)能只是所有分子熱運動的動能的總和，而分子熱運動的動能只與濕度有關，故理想二氧化碳的內(nèi)能只與濕度有關，與容積無關。
二、理想二氧化碳內(nèi)能的變化
下邊我們來剖析理想二氧化碳在一些簡單過程中內(nèi)能的變化。
1、等容過程
一定質(zhì)量的理想二氧化碳在容積不變的情況下，由初態(tài)A(p1，V，T1)變到末態(tài)B(p2，V，T2)，其過程如圖2、圖3所示，由于二氧化碳容積不變，所以W=0，依據(jù)熱力學第一定理，有△U=Q，可見理想二氧化碳在等容過程中，內(nèi)能的變化完全是由外界對二氧化碳傳遞的熱量決定的：若理想二氧化碳等容放熱(圖2)，Q＞0，則T2＞T1，p2＞p1，△U＞0，即理想二氧化碳在等容放熱過程中，氣溫下降，浮力減小，理想二氧化碳從外界吸收熱量，吸收的熱量全部拿來降低自身的內(nèi)能；若理想二氧化碳等容吸熱(圖3)，Q＜0，則T2＜T1，p2＜p1，△U＜0，即理想二氧化碳在等容吸熱過程中，濕度增加，浮力減少，理想二氧化碳等容吸熱過程是靠減輕自身的內(nèi)能來向外界釋放熱量的，或則說理想二氧化碳在等容吸熱過程中是以換熱的方法把內(nèi)能傳給了外界。
2、等溫過程
一定質(zhì)量的理想二氧化碳在室溫不變的情況下，由初態(tài)A(p1，V1，T)變到末態(tài)B(p2，V2，T)，其過程如圖4、圖5所示，因為理想二氧化碳的內(nèi)能只是體溫的函數(shù)，因而，在等溫過程中，內(nèi)能不變△U=0，依據(jù)熱力學第一定理，有W＋Q=0.可見理想二氧化碳在等溫過程中能量轉(zhuǎn)化有兩種情形：若理想二氧化碳等溫膨脹(圖4)，V2＞V1，則p2＜p1，W＜0，因而Q＞0.即理想二氧化碳在等溫膨脹過程中.容積減小，浮力減少，理想二氧化碳從外界吸收熱量，因為內(nèi)能不變，吸收的熱量全部轉(zhuǎn)變?yōu)閷ν馑龅墓Γ蝗衾硐攵趸嫉葴貕嚎s(圖5)氣體內(nèi)能，V2＜V1，則p2＞p1，W＞0，因而Q＜0，即理想二氧化碳在等溫壓縮過程中，容積增大，浮力減小，因為理想二氧化碳內(nèi)能不變，外界對二氧化碳做的功全部以熱量的方式釋放給了外界。
3、等壓過程
一定質(zhì)量的理想二氧化碳在浮力不變的情況下，由初態(tài)A(p，V1，T1)變到末態(tài)B(p，V2，T2)，其過程如圖6、圖7所示，依據(jù)熱力學第一定津，△U=W＋Q，可見反映理想二氧化碳在等壓過程中內(nèi)能的變化有如下兩種情形：若理想二氧化碳等壓膨脹(圖6)，V2＞V1，則T2＞T1，W＜0氣體內(nèi)能，因而Q＞0，△U＞0，即理想二氧化碳在等壓膨脹過程中，從外界吸收熱量，氣溫下降，容積減小，吸收的熱量一部份拿來降低自身的內(nèi)能，一部份轉(zhuǎn)化為對外所做的功；若理想二氧化碳等壓壓縮(圖7)，V2＜V1，則T2＜T1，W＞0，因而Q＜0，△U＜0，即理想二氧化碳在等壓壓縮過程中，濕度增加，容積增大，理想二氧化碳向外界吸熱，放出的熱量一部份來自自身內(nèi)能的降低，一部份來始于外界對二氧化碳所做的功.
4.絕熱過程
一定質(zhì)量的理想二氧化碳由初態(tài)A(p1，V1，T1)經(jīng)絕熱過程變到末態(tài)B(p2，V2，T2)，如圖8、圖9所示.因為在絕熱過程中Q=0，依據(jù)熱力學第一定理，有△U=W，可見在絕熱過程中內(nèi)能的變化完全由外界對系統(tǒng)做的功來決定：若理想二氧化碳絕熱膨脹(圖8)，V2＞V1，有T2＜T1，p2＜p1，因為V2＞V1，則W＜0，因而△U＜0，即理想二氧化碳在絕熱膨脹過程中，容積減小，濕度增加，浮力減少，理想二氧化碳靠減輕自身的內(nèi)能來對外做功；若理想二氧化碳絕熱壓縮(圖9)，V2＜V1，有T2＞T1，p2＞p1，因為V2＜V1，則W＞O，因而△U＞0，即理想二氧化碳在絕熱壓縮過程中，容積增大，氣溫下降，浮力減小，外界對二氧化碳做的功全部轉(zhuǎn)化為二氧化碳的內(nèi)能.
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