内能、热机

一、内能

1、内能

（1）概念：物体内部所有分子做无规则热运动的动能和分子势能的总和，叫物体的内能。

内能是指物体内部所有分子做无规则热运动的动能和分子势能的总和，不是指少数分子或单个分子所具有的能。

内能与温度有关，但不仅仅与温度有关，从微观角度来说，内能与物体内部分子的热运动和分子间的相互作用力有关。从宏观的角度来说，内能与物体的质量、温度、体积都有关。

一切物体在任何情况下都具有内能，物体的内能与温度有关，同一个物体，温度升高，它的内能增加，温度降低，内能减少。

（2）影响内能的主要因素：物体的质量、温度、状态及体积等。

（3）热运动：物体内部大量分子的无规则运动叫做热运动。分子无规则运动的速度与温度有关，温度越高，分子无规则运动的速度就越快，物体的温度越低，分子无规则运动的速度就越慢。内能也常叫做热能。

（4）内能与机械能的区别

物体的内能的多少与物体的温度、体积、质量和物体状态有关；而机械能与物体的质量、速度、高度、形变有关。它们是两种不同形式的能。

一切物体都具有内能，但有些物体可以说没有机械能，比如静止在地面土的物体。

内能和机械能可以通过做功相互转化。

内能的单位与机械能的单位是一样的，国际单位制都是焦耳，简称焦。用J表示。

2、改变物体内能的两种方法：做功与热传递

（1）做功：

对物体做功，物体内能增加；物体对外做功，物体的内能减少。

做功改变物体的内能实质是内能与其他形式的能相互转化的过程。

（2）热传递：

热传递的条件：物体之间（或同一物体不同部分）存在温度差。

物体吸收热量，物体内能增加；物体放出热量，物体的内能减少。

用热传递的方法改变物体的内能实质是内能从一个物体转移到另一个物体或从物体的一部分转移到另一部分。

3、做功与热传递改变物体的内能是等效的。

4、热量

（1）概念：物体通过热传递的方式所改变的内能叫热量。

（2）热量是一个过程量。热量反映了热传递过程中，内能转移的多少，是一个过程量。所以在热量前面只能用“放出”或“吸收”，绝对不能说某物体含有多少热量，也不能说某物体的热量是多少。

（3）热量的国际单位制单位：焦耳（J）。

二、比热容

1、比热容的概念：单位质量的某种物质温度升高（或者降低）1吸收（或者放出）的热量叫做这种物质的比热容，简称比热。用符号c表示比热容。

2、比热容的单位：在国际单位制中，比热容的单位是焦每千克摄氏度，符号是J/（kg·）。

3、比热容的物理意义

（1）比热容是通过比较单位质量的某种物质温度升高1时吸收的热量，用来表示各种物质的不同性质。

（2）水的比热容是4、2×103J/（kg·）。它的物理意义是：1千克水温度升高（或降低）1，吸收（或放出）的热量是4、2×103J。

4、比热容表

（1）比热容是物质的一种特性，各种物质都有自己的比热。

（2）从比热表中还可以看出，各物质中，水的比热容最大。这就意味着，在同样受热或冷却的情况下，水的温度变化要小些。水的这个特征对气候的影响，很大。在受太阳照射条件相同时，白天沿海地区比内陆地区温度升高的慢，夜晚沿海地区温度降低也少。所以一天之中，沿海地区温度变化小，内陆地区温度变化大。在一年之中，夏季内陆比沿海炎热，冬季内陆比沿海寒冷。

（3）水比热容大的特点，在生产、生活中也经常利用。如汽车发动机、发电机等机器，在工作时要发热，通常要用循环流动的水来冷却。冬季也常用热水取暖。

5、说明

（1）比热容是物质的特性之一，所以某种物质的比热不会因为物质吸收或放出热量的多少而改变，也不会因为质量的多少或温度变化的多少而改变。

（2）同种物质在同一状态下，比热是一个不变的定值。

（3）物质的状态改变了，比热容随之改变。如水变成冰。

（4）不同物质的比热容一般不同。

6、热量的计算：Q=cmΔt。式中，Δt叫做温度的变化量。它等于热传递过程中末温度与初温度之差。

注意：物体温度升高到（或降低到）与温度升高了（或降低了）的意义是不相同的。比如：水温度从lO升高到30，温度的变化量是Δt= =30-lO=2O，物体温度升高了20，温度的变化量Δt =20。热量Q不能理解为物体在末温度时的热量与初温度时的热量之差。因为计算物体在某一温度下所具有的热量是没有意义的。正确的理解是热量Q是末温度时的物体的内能与初温度时物体的内能之差。

三、热机

1、内燃机及其工作原理：将燃料的化学能通过燃烧转化为内能，又通过做功，把内能转化为机械能。按燃烧燃料的不同，内燃机可分为汽油机、柴油机等。

（1）汽油机和柴油机都是一个工作循环为四个冲程即吸气冲程、压缩冲程、做功冲程、排气冲程的热机。

（2）一个工作循环中只对外做一次功，曲轴转2周，飞轮转2圈，活塞往返2次。

（3）压缩冲程是对气体压缩做功，气体内能增加，这时机械能转化为内能。

（4）做功冲程是气体对外做功，内能减少，这时内能转化为机械能。

（5）汽油机和柴油机工作的四个冲程中，只有做功冲程是燃气对活塞做功，其它三个冲程要靠飞轮的惯性完成。

（6）判断汽油机和柴油机工作属哪个冲程应抓住两点：一是气阀门的开与关；二是活塞的运动方向。

冲程的名称    气门开、关情况    活塞的运动方向    能量的转化情况

吸气冲程      只有一个气门（吸气门）打开   向下运动

压缩冲程      两个气门都关闭              向上运动  机械能转化成内能

做功冲程      两个气门都关闭              向下运动  内能转化成机械能

排气冲程      只有一个气门（排气门）打开   向上运动

（7）汽油机和柴油机的不同处

项目    构造    吸入气缸的物质     点燃方式

效率汽油机  气缸顶部有一个火花塞   空气和汽油混合物点燃式  效率较低

柴油机       气缸顶部有一个喷油嘴    空气          压燃式  效率较高

2、燃料的热值

（1）燃料燃烧过程中的能量转化：目前人类使用的能量绝大部分是从化石燃料的燃烧中获得的内能，燃料燃烧时释放出大量的热量。燃料燃烧是一种化学反应，燃烧过程中，储存在燃料中的化学能被释放，物体的化学能转化为周围物体的内能。

（2）燃料的热值

定义：lkg某种燃料完全燃烧时放出的热量，叫做这种燃料的热值。用符号“q”表示。

热值的单位J/kg，读作焦耳每千克。还要注意，气体燃料有时使用J/m3，读作焦耳每立方米。

热值是为了表示相同质量的不同燃料在燃烧时放出热量不同而引人的物理量。它反映了燃料通过燃烧放出热量本领大小不同的燃烧特性。不同燃料的热值一般是不同的，同种燃料的热值是一定的，它与燃料的质量、体积、放出热量多少无关。

（3）在学习热值的概念时，应注意以下几点：

“完全燃烧”是指燃料全部燃烧变成另一种物质。

强调所取燃料的质量为“lkg”，要比较不同燃料燃烧本领的不同，就必须在燃烧质量和燃烧程度完全相同的条件下进行比较。

“某种燃料”强调了热值是针对燃料的特性与燃料的种类有关。

燃料燃烧放出的热量的计算：一定质量m的燃料完全燃烧，所放出的热量为：Q=qm，式中，q表示燃料的热值，单位是J/kg； m表示燃料的质量，单位是kg；Q表示燃料燃烧放出的热量，单位是J。

5若燃料是气体燃料，一定体积V的燃料完全燃烧，所放出的热量为：Q=qV。式中，q表示燃料的热值，单位是J/m3；V表示燃料的体积，单位是m3；Q表示燃料燃烧放出的热量，单位是J。

3、热机效率

燃料的 化学能E

（1）热机的能量流图：如右图所示是热机的能量流图：由图可见，真正能转变为对外做的有用功的能量只是燃料燃烧时所释放能量的一部分。

（2）定义：热机转变为有用功的能量与燃料完全燃烧所释放的能量的比值，称为热机效率。

（3）公式：η=E有/Q×100%。式中，E有为做有用功的能量；Q总为燃料完全燃烧释放的能量。

（4）提高热机效率的主要途径

改善燃烧环境，使燃料尽可能完全燃烧，提高燃料的燃烧效率。

尽量减小各种热散失。

减小各部件间的摩擦以减小因克服摩擦做功而消耗的能量。

充分利用废气带走的能量，从而提高燃料的利用率。

四、能量的转化与守恒

1、能量的转化与守恒

（1）能量及其存在的形式：如果一个物体能对别的物体做功，我们就说这个物体具有能。自然界有多种形式的能量，如机械能、内能、光能、电能、化学能、核能等。

（2）能量的转移与转化：能量可以从一个物体转移到另一个物体，如发生碰撞或热传递时；也可以从一种形式转化为另一种形式，如太阳能电池、发电机等。

（3）能量守恒定律：能量既不会凭空消灭，也不会凭空产生，它只会从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到另一个物体，而在转化和转移的过程中，能的总量保持不变。

2、能量守恒定律是自然界最重要、最普遍的基本定律。大到天体，小到原子核，也无论是物理学问题还是化学、生物学、地理学、天文学的问题，所有能量转化的过程，都遵从能量守恒定律。

3、“第一类永动机”永远不可能实现，因为它违背了能量守恒定律。