【微視頻】內(nèi)能
該片的剪輯師
牛浩、劉琳、李迪
從擴(kuò)散和布朗運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象中我們知道，組成物體的分子在不斷地隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，而進(jìn)行熱運(yùn)動(dòng)的分子也具有運(yùn)動(dòng)的能量，這就是分子動(dòng)能。
組成物體的大量分子的速度不同，每個(gè)分子的動(dòng)能也不同，而且是不斷變化的。 在熱力學(xué)中，研究的對(duì)象是大量分子作為整體所表達(dá)的宏觀力學(xué)性質(zhì)和規(guī)律，所以我們關(guān)注的是大量分子動(dòng)能的平均值，稱為分子熱運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能。
在擴(kuò)散現(xiàn)象和布朗運(yùn)動(dòng)中，我們發(fā)現(xiàn)溫度越高，分子熱運(yùn)動(dòng)越劇烈，也就是說溫度越高，分子熱運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能越大，溫度越低，分子熱運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能越大。分子熱運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能越小。 因此可以說，物體的空氣溫度是分子熱運(yùn)動(dòng)平均動(dòng)能的標(biāo)志。
另一方面，分子之間存在相互排斥力物體的內(nèi)能分子熱運(yùn)動(dòng)，排斥力的大小與分子寬度有關(guān)。 正如彈簧力所做的功與路徑無關(guān)一樣，可以證明分子力所做的功與路徑無關(guān)，因此也具有分子勢(shì)能。
我們畫出排斥力與分子間距離的關(guān)系圖，圖中的r0是分子敵對(duì)與吸引的分界點(diǎn)。 現(xiàn)在讓兩個(gè)分子相距無限遠(yuǎn)，分子之間不存在排斥力，此時(shí)分子的勢(shì)能為零。 當(dāng)兩個(gè)分子逐漸靠近時(shí)，分子間的距離減小，引力起作用，分子的勢(shì)能減小。 圖中，我們畫出了分子勢(shì)能隨距離的變化。 當(dāng)從無窮遠(yuǎn)移動(dòng)到距離r0時(shí)，分子勢(shì)能仍在減小，最小值在r0處，用EB表示。 你肯定可以發(fā)現(xiàn)，這個(gè)值應(yīng)該等于分子力與橫坐標(biāo)圍成的“面積”的值。 該最小 EB 的絕對(duì)值通常也稱為結(jié)合能（晶體結(jié)合能）。
當(dāng)分子寬度距離大于r0時(shí)，分子作用表現(xiàn)為力，因此分子勢(shì)能會(huì)隨著距離的增加而減小。
實(shí)際中，當(dāng)物體的體積發(fā)生變化時(shí)，分子的寬度和距離也會(huì)發(fā)生變化，因此分子勢(shì)能會(huì)急劇變化。 可見，體系的分子勢(shì)能與體系的體積有關(guān)。
有趣的是，在分子熱運(yùn)動(dòng)的能量中，勢(shì)能部分總是會(huì)使分子傾向于團(tuán)聚，而動(dòng)能部分總是會(huì)使分子傾向于飛散。 一般來說，如果平均動(dòng)能遠(yuǎn)小于r0處勢(shì)能的絕對(duì)值，分子就會(huì)盡可能均勻地占據(jù)它能占據(jù)的空間，即產(chǎn)生氣態(tài)。 相反，如果勢(shì)能EB遠(yuǎn)小于平均動(dòng)能，則材料分子都被限制在盡可能小的空間內(nèi)，并產(chǎn)生固態(tài)。 如果勢(shì)能EB與平均動(dòng)能相差不大，則物質(zhì)將處于固態(tài)和氣態(tài)之間的液態(tài)。
那么物體的內(nèi)能是多少呢？
物體的內(nèi)能是系統(tǒng)中所有分子熱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能和分子勢(shì)能的總和。 用小寫字母U表示。由于所有物體的分子都在不斷地隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，所以任何物體都具有內(nèi)能。
因?yàn)榉肿訜徇\(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能與溫度有關(guān)物體的內(nèi)能分子熱運(yùn)動(dòng)，而分子的勢(shì)能與體積有關(guān)，所以物體的內(nèi)能與物體的溫度和體積有關(guān)。
這里需要說明的是，分子熱運(yùn)動(dòng)動(dòng)能是指粒子不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能。 它是相對(duì)于系統(tǒng)剛體而言的，與分子的規(guī)律運(yùn)動(dòng)動(dòng)能無關(guān)。 給定的參考系并不重要。 正如我們無法利用投擲標(biāo)槍的動(dòng)能來確定標(biāo)槍本身的溫度一樣。 因此，在機(jī)械現(xiàn)象中，我們通常不考慮物體的機(jī)械能，除非它與物體的內(nèi)能之間存在某種轉(zhuǎn)化。
