內(nèi)能、熱機(jī)

一、內(nèi)能

1、內(nèi)能

（1）概念：物體內(nèi)部所有分子做無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能和分子勢(shì)能的總和，叫物體的內(nèi)能。

①內(nèi)能是指物體內(nèi)部所有分子做無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能和分子勢(shì)能的總和，不是指少數(shù)分子或單個(gè)分子所具有的能。

②內(nèi)能與溫度有關(guān)，但不僅僅與溫度有關(guān)，從微觀角度來(lái)說(shuō)，內(nèi)能與物體內(nèi)部分子的熱運(yùn)動(dòng)和分子間的相互作用力有關(guān)。從宏觀的角度來(lái)說(shuō)，內(nèi)能與物體的質(zhì)量、溫度、體積都有關(guān)。

③一切物體在任何情況下都具有內(nèi)能，物體的內(nèi)能與溫度有關(guān)，同一個(gè)物體，溫度升高，它的內(nèi)能增加，溫度降低，內(nèi)能減少。

（2）影響內(nèi)能的主要因素：物體的質(zhì)量、溫度、狀態(tài)及體積等。

（3）熱運(yùn)動(dòng)：物體內(nèi)部大量分子的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)叫做熱運(yùn)動(dòng)。分子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)的速度與溫度有關(guān)，溫度越高，分子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)的速度就越快，物體的溫度越低，分子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)的速度就越慢。內(nèi)能也常叫做熱能。

（4）內(nèi)能與機(jī)械能的區(qū)別

①物體的內(nèi)能的多少與物體的溫度、體積、質(zhì)量和物體狀態(tài)有關(guān)；而機(jī)械能與物體的質(zhì)量、速度、高度、形變有關(guān)。它們是兩種不同形式的能。

②一切物體都具有內(nèi)能，但有些物體可以說(shuō)沒(méi)有機(jī)械能，比如靜止在地面土的物體。

③內(nèi)能和機(jī)械能可以通過(guò)做功相互轉(zhuǎn)化。

④內(nèi)能的單位與機(jī)械能的單位是一樣的，國(guó)際單位制都是焦耳，簡(jiǎn)稱焦。用J表示。

2、改變物體內(nèi)能的兩種方法：做功與熱傳遞

（1）做功：

①對(duì)物體做功，物體內(nèi)能增加；物體對(duì)外做功，物體的內(nèi)能減少。

②做功改變物體的內(nèi)能實(shí)質(zhì)是內(nèi)能與其他形式的能相互轉(zhuǎn)化的過(guò)程。

（2）熱傳遞：

①熱傳遞的條件：物體之間（或同一物體不同部分）存在溫度差。

②物體吸收熱量，物體內(nèi)能增加；物體放出熱量，物體的內(nèi)能減少。

③用熱傳遞的方法改變物體的內(nèi)能實(shí)質(zhì)是內(nèi)能從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體或從物體的一部分轉(zhuǎn)移到另一部分。

3、做功與熱傳遞改變物體的內(nèi)能是等效的。

4、熱量

（1）概念：物體通過(guò)熱傳遞的方式所改變的內(nèi)能叫熱量。

（2）熱量是一個(gè)過(guò)程量。熱量反映了熱傳遞過(guò)程中，內(nèi)能轉(zhuǎn)移的多少，是一個(gè)過(guò)程量。所以在熱量前面只能用“放出”或“吸收”，絕對(duì)不能說(shuō)某物體含有多少熱量，也不能說(shuō)某物體的熱量是多少。

（3）熱量的國(guó)際單位制單位：焦耳（J）。

二、比熱容

1、比熱容的概念：?jiǎn)挝毁|(zhì)量的某種物質(zhì)溫度升高（或者降低）1℃吸收（或者放出）的熱量叫做這種物質(zhì)的比熱容，簡(jiǎn)稱比熱。用符號(hào)c表示比熱容。

2、比熱容的單位：在國(guó)際單位制中，比熱容的單位是焦每千克攝氏度，符號(hào)是J/（kg·℃）。

3、比熱容的物理意義

（1）比熱容是通過(guò)比較單位質(zhì)量的某種物質(zhì)溫度升高1℃時(shí)吸收的熱量，用來(lái)表示各種物質(zhì)的不同性質(zhì)。

（2）水的比熱容是4、2×103J/（kg·℃）。它的物理意義是：1千克水溫度升高（或降低）1℃，吸收（或放出）的熱量是4、2×103J。

4、比熱容表

（1）比熱容是物質(zhì)的一種特性，各種物質(zhì)都有自己的比熱。

（2）從比熱表中還可以看出，各物質(zhì)中，水的比熱容最大。這就意味著，在同樣受熱或冷卻的情況下，水的溫度變化要小些。水的這個(gè)特征對(duì)氣候的影響，很大。在受太陽(yáng)照射條件相同時(shí)，白天沿海地區(qū)比內(nèi)陸地區(qū)溫度升高的慢，夜晚沿海地區(qū)溫度降低也少。所以一天之中，沿海地區(qū)溫度變化小，內(nèi)陸地區(qū)溫度變化大。在一年之中，夏季內(nèi)陸比沿海炎熱，冬季內(nèi)陸比沿海寒冷。

（3）水比熱容大的特點(diǎn)，在生產(chǎn)、生活中也經(jīng)常利用。如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)等機(jī)器，在工作時(shí)要發(fā)熱，通常要用循環(huán)流動(dòng)的水來(lái)冷卻。冬季也常用熱水取暖。

5、說(shuō)明

（1）比熱容是物質(zhì)的特性之一，所以某種物質(zhì)的比熱不會(huì)因?yàn)槲镔|(zhì)吸收或放出熱量的多少而改變，也不會(huì)因?yàn)橘|(zhì)量的多少或溫度變化的多少而改變。

（2）同種物質(zhì)在同一狀態(tài)下，比熱是一個(gè)不變的定值。

（3）物質(zhì)的狀態(tài)改變了，比熱容隨之改變。如水變成冰。

（4）不同物質(zhì)的比熱容一般不同。

6、熱量的計(jì)算：Q=cmΔt。式中，Δt叫做溫度的變化量。它等于熱傳遞過(guò)程中末溫度與初溫度之差。

注意：①物體溫度升高到（或降低到）與溫度升高了（或降低了）的意義是不相同的。比如：水溫度從lO℃升高到30℃，溫度的變化量是Δt= =30℃-lO℃=2O℃，物體溫度升高了20℃，溫度的變化量Δt =20℃。②熱量Q不能理解為物體在末溫度時(shí)的熱量與初溫度時(shí)的熱量之差。因?yàn)橛?jì)算物體在某一溫度下所具有的熱量是沒(méi)有意義的。正確的理解是熱量Q是末溫度時(shí)的物體的內(nèi)能與初溫度時(shí)物體的內(nèi)能之差。

三、熱機(jī)

1、內(nèi)燃機(jī)及其工作原理：將燃料的化學(xué)能通過(guò)燃燒轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，又通過(guò)做功，把內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。按燃燒燃料的不同，內(nèi)燃機(jī)可分為汽油機(jī)、柴油機(jī)等。

（1）汽油機(jī)和柴油機(jī)都是一個(gè)工作循環(huán)為四個(gè)沖程即吸氣沖程、壓縮沖程、做功沖程、排氣沖程的熱機(jī)。

（2）一個(gè)工作循環(huán)中只對(duì)外做一次功，曲軸轉(zhuǎn)2周，飛輪轉(zhuǎn)2圈，活塞往返2次。

（3）壓縮沖程是對(duì)氣體壓縮做功，氣體內(nèi)能增加，這時(shí)機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。

（4）做功沖程是氣體對(duì)外做功，內(nèi)能減少，這時(shí)內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。

（5）汽油機(jī)和柴油機(jī)工作的四個(gè)沖程中，只有做功沖程是燃?xì)鈱?duì)活塞做功，其它三個(gè)沖程要靠飛輪的慣性完成。

（6）判斷汽油機(jī)和柴油機(jī)工作屬哪個(gè)沖程應(yīng)抓住兩點(diǎn)：一是氣閥門的開(kāi)與關(guān)；二是活塞的運(yùn)動(dòng)方向。

沖程的名稱    氣門開(kāi)、關(guān)情況    活塞的運(yùn)動(dòng)方向    能量的轉(zhuǎn)化情況

吸氣沖程      只有一個(gè)氣門（吸氣門）打開(kāi)   向下運(yùn)動(dòng)

壓縮沖程      兩個(gè)氣門都關(guān)閉              向上運(yùn)動(dòng)  機(jī)械能轉(zhuǎn)化成內(nèi)能

做功沖程      兩個(gè)氣門都關(guān)閉              向下運(yùn)動(dòng)  內(nèi)能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能

排氣沖程      只有一個(gè)氣門（排氣門）打開(kāi)   向上運(yùn)動(dòng)

 （7）汽油機(jī)和柴油機(jī)的不同處

項(xiàng)目    構(gòu)造    吸入氣缸的物質(zhì)     點(diǎn)燃方式 

效率汽油機(jī)  氣缸頂部有一個(gè)火花塞   空氣和汽油混合物點(diǎn)燃式  效率較低

柴油機(jī)       氣缸頂部有一個(gè)噴油嘴    空氣          壓燃式  效率較高

2、燃料的熱值

（1）燃料燃燒過(guò)程中的能量轉(zhuǎn)化：目前人類使用的能量絕大部分是從化石燃料的燃燒中獲得的內(nèi)能，燃料燃燒時(shí)釋放出大量的熱量。燃料燃燒是一種化學(xué)反應(yīng)，燃燒過(guò)程中，儲(chǔ)存在燃料中的化學(xué)能被釋放，物體的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為周圍物體的內(nèi)能。

（2）燃料的熱值

①定義：lkg某種燃料完全燃燒時(shí)放出的熱量，叫做這種燃料的熱值。用符號(hào)“q”表示。

②熱值的單位J/kg，讀作焦耳每千克。還要注意，氣體燃料有時(shí)使用J/m3，讀作焦耳每立方米。

③熱值是為了表示相同質(zhì)量的不同燃料在燃燒時(shí)放出熱量不同而引人的物理量。它反映了燃料通過(guò)燃燒放出熱量本領(lǐng)大小不同的燃燒特性。不同燃料的熱值一般是不同的，同種燃料的熱值是一定的，它與燃料的質(zhì)量、體積、放出熱量多少無(wú)關(guān)。

（3）在學(xué)習(xí)熱值的概念時(shí)，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

①“完全燃燒”是指燃料全部燃燒變成另一種物質(zhì)。

②強(qiáng)調(diào)所取燃料的質(zhì)量為“lkg”，要比較不同燃料燃燒本領(lǐng)的不同，就必須在燃燒質(zhì)量和燃燒程度完全相同的條件下進(jìn)行比較。

③“某種燃料”強(qiáng)調(diào)了熱值是針對(duì)燃料的特性與燃料的種類有關(guān)。

④燃料燃燒放出的熱量的計(jì)算：一定質(zhì)量m的燃料完全燃燒，所放出的熱量為：Q=qm，式中，q表示燃料的熱值，單位是J/kg； m表示燃料的質(zhì)量，單位是kg；Q表示燃料燃燒放出的熱量，單位是J。

5若燃料是氣體燃料，一定體積V的燃料完全燃燒，所放出的熱量為：Q=qV。式中，q表示燃料的熱值，單位是J/m3；V表示燃料的體積，單位是m3；Q表示燃料燃燒放出的熱量，單位是J。

3、熱機(jī)效率

燃料的 化學(xué)能E

（1）熱機(jī)的能量流圖：如右圖所示是熱機(jī)的能量流圖：由圖可見(jiàn)，真正能轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)外做的有用功的能量只是燃料燃燒時(shí)所釋放能量的一部分。

（2）定義：熱機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Φ哪芰颗c燃料完全燃燒所釋放的能量的比值，稱為熱機(jī)效率。

（3）公式：η=E有/Q×100%。式中，E有為做有用功的能量；Q總為燃料完全燃燒釋放的能量。

（4）提高熱機(jī)效率的主要途徑

①改善燃燒環(huán)境，使燃料盡可能完全燃燒，提高燃料的燃燒效率。

②盡量減小各種熱散失。

③減小各部件間的摩擦以減小因克服摩擦做功而消耗的能量。

④充分利用廢氣帶走的能量，從而提高燃料的利用率。

四、能量的轉(zhuǎn)化與守恒

1、能量的轉(zhuǎn)化與守恒

（1）能量及其存在的形式：如果一個(gè)物體能對(duì)別的物體做功，我們就說(shuō)這個(gè)物體具有能。自然界有多種形式的能量，如機(jī)械能、內(nèi)能、光能、電能、化學(xué)能、核能等。

（2）能量的轉(zhuǎn)移與轉(zhuǎn)化：能量可以從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體，如發(fā)生碰撞或熱傳遞時(shí)；也可以從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，如太陽(yáng)能電池、發(fā)電機(jī)等。

（3）能量守恒定律：能量既不會(huì)憑空消滅，也不會(huì)憑空產(chǎn)生，它只會(huì)從一種形式轉(zhuǎn)化為其他形式，或者從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體，而在轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的過(guò)程中，能的總量保持不變。

2、能量守恒定律是自然界最重要、最普遍的基本定律。大到天體，小到原子核，也無(wú)論是物理學(xué)問(wèn)題還是化學(xué)、生物學(xué)、地理學(xué)、天文學(xué)的問(wèn)題，所有能量轉(zhuǎn)化的過(guò)程，都遵從能量守恒定律。

3、“第一類永動(dòng)機(jī)”永遠(yuǎn)不可能實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樗`背了能量守恒定律。