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內(nèi)能

從微觀上說(shuō)，內(nèi)能一般主要包括系統(tǒng)內(nèi)所有分子的動(dòng)能、分子間的相互作用勢(shì)能、電子能和核內(nèi)部粒子間的相互作用能等。前兩項(xiàng)又可總稱為分子熱運(yùn)動(dòng)能，就是我們通常所說(shuō)的“內(nèi)能”。后面兩項(xiàng)在大多物理過(guò)程中不變，因此一般只需要考慮前兩項(xiàng)。但在涉及電子的激發(fā)、電離的物理過(guò)程中或發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)電子能將大幅變化，此時(shí)內(nèi)能中必須考慮電子能的貢獻(xiàn)。核內(nèi)部粒子間的相互作用能僅在發(fā)生核反應(yīng)時(shí)才會(huì)變化，因此絕大多數(shù)情形下，都不需要考慮這一部分的能量。內(nèi)能的絕對(duì)量(主要是其中的核內(nèi)部能量部分)目前還不完全清楚，但不影響我們解決一般問(wèn)題，對(duì)于內(nèi)能我們常常關(guān)心的是其變化量。

拋開(kāi)物體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，從宏觀上說(shuō)，內(nèi)能是一種與系統(tǒng)在絕熱條件下做功量相聯(lián)系的，描述系統(tǒng)本身能量的狀態(tài)函數(shù)。在宏觀定義中，內(nèi)能是一個(gè)相對(duì)值。

對(duì)于一定量物質(zhì)構(gòu)成的系統(tǒng)，通過(guò)做功、熱傳遞與外界交換能量，引起系統(tǒng)狀態(tài)變化，而導(dǎo)致內(nèi)能改變，其間的關(guān)系由熱力學(xué)第一定律給出。

內(nèi)能是物體、系統(tǒng)的一種固有屬性，即一切物體或系統(tǒng)都具有內(nèi)能，不依賴于外界是否存在、外界是否對(duì)系統(tǒng)有影響。

內(nèi)能是一種廣延量(或曰容量性質(zhì))，即內(nèi)能的大小與物質(zhì)的數(shù)量(物質(zhì)量或質(zhì)量)成正比。

內(nèi)能是系統(tǒng)的一種狀態(tài)函數(shù)(簡(jiǎn)稱態(tài)函數(shù))，即內(nèi)能可以表達(dá)為系統(tǒng)的某些狀態(tài)參量(例如壓強(qiáng)、體積等)的某種特定的函數(shù)，函數(shù)的具體形式取決于具體的物質(zhì)系統(tǒng)(具體地說(shuō)，取決于物態(tài)方程)。當(dāng)系統(tǒng)處于某一平衡態(tài)時(shí)，系統(tǒng)的一切狀態(tài)參量將取得定值，內(nèi)能作為這些狀態(tài)參量的特定函數(shù)也將取得定值(盡管我們目前還不很清楚它的絕對(duì)數(shù)值是多少)。

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生某一變化，從原先的平衡態(tài)過(guò)渡到另一個(gè)新的平衡態(tài)時(shí)，內(nèi)能的變化量?jī)H取決于變化前后的系統(tǒng)狀態(tài)，而與這個(gè)變化是如何發(fā)生的(例如變化的快慢)以及變化經(jīng)歷了怎樣曲折的過(guò)程(例如是經(jīng)歷一個(gè)等溫過(guò)程、等壓過(guò)程還是一個(gè)任意過(guò)程)完全無(wú)關(guān)。內(nèi)能的這一性質(zhì)和功、熱量有著本質(zhì)的區(qū)別。

內(nèi)能的概念建立在焦耳等人大量精密的熱功當(dāng)量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)之上。能量和內(nèi)能概念的建立標(biāo)志著能量轉(zhuǎn)化與守恒定律(即熱力學(xué)第一定律)的真正確立。

正如重力對(duì)一定質(zhì)量物體做功的大小與物體下降的路徑無(wú)關(guān)，僅與物體下降前后的垂直位置有關(guān)，焦耳的實(shí)驗(yàn)證明系統(tǒng)在絕熱條件下的做功量與系統(tǒng)經(jīng)歷的具體過(guò)程無(wú)關(guān)，僅與系統(tǒng)做功前后的狀態(tài)有關(guān)。從前一現(xiàn)象人們提出了重力勢(shì)能的概念，將過(guò)程量功表達(dá)為僅取決于高度的勢(shì)能函數(shù)在不同高度的函數(shù)值之差。類似可以定義一個(gè)僅取決于系統(tǒng)狀態(tài)的函數(shù)，將過(guò)程量絕熱功表為該函數(shù)在不同狀態(tài)的函數(shù)值之差。這個(gè)被定義的函數(shù)，就稱為內(nèi)能。

熱機(jī)定律

(1)定義或解釋

轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Φ臒崃扛剂先紵龝r(shí)放出的熱量的比叫做熱機(jī)的效率，也叫熱機(jī)的有效效率。通常用百分?jǐn)?shù)來(lái)表示。

(2)說(shuō)明

①凡是能夠利用燃料燃燒時(shí)放出的能來(lái)做機(jī)械功的機(jī)器就叫做熱機(jī)。

②熱機(jī)在工作過(guò)程中，發(fā)熱器(高溫?zé)嵩?里的燃料燃燒時(shí)放出的熱量并沒(méi)有全部被工作物質(zhì)(工質(zhì))所吸收，而工質(zhì)從發(fā)熱器所得到的那部分熱量也只有一部分轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械功，其余部分隨工質(zhì)排出，傳給冷凝器(低溫?zé)嵩?。工質(zhì)所作的機(jī)械功中還有一部分因克服機(jī)件摩擦而損失。根據(jù)熱機(jī)的工作特點(diǎn)，下面對(duì)熱機(jī)中熱量的利用和損耗情況作一說(shuō)明。

二、熱力學(xué)第二定律

1.開(kāi)爾文表述(從排除理想熱機(jī)效率η=100%出發(fā))：

不可能制成一種“循環(huán)動(dòng)作”的熱機(jī)，只從“單一熱源”吸取熱量，使之“完全”變?yōu)橛杏霉?，?ldquo;其他物體不發(fā)生任何變化”。在這一表述中，務(wù)必要注意“循環(huán)動(dòng)作”、“單一熱源”、“完全”、“其他物體不發(fā)生任何變化”等這些用語(yǔ)。

2.克勞修斯表述(從排除理想致冷機(jī)出發(fā))

熱量不可能“自動(dòng)地”從低溫物體傳向高溫物體。在這一表述中，務(wù)必注意“自動(dòng)地”這一修飾詞?？梢宰C明開(kāi)爾文表述和克勞修斯表述是等價(jià)的。熱力學(xué)第二定律本質(zhì)上是一條統(tǒng)計(jì)規(guī)律，它指出：一般說(shuō)來(lái)，一個(gè)不受外界影響的封閉系統(tǒng)，其內(nèi)部發(fā)生的過(guò)程，總是由幾率小的狀態(tài)向幾率大的狀態(tài)進(jìn)行;由包含微觀狀態(tài)數(shù)目少的宏觀狀態(tài)向包含微觀狀態(tài)數(shù)目多的宏觀狀態(tài)進(jìn)行。

由于熱力學(xué)第二定律從本質(zhì)上講是一條統(tǒng)計(jì)規(guī)律，因此，對(duì)少量分子組成的系統(tǒng)是不適用的。另外熱力學(xué)第二定律是確立在有限的時(shí)空觀點(diǎn)上的，不能無(wú)限外推。

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