问题导入

历史上，人们设想制造出一种不需要消耗能量就可以不断对外做功的机器，这种机器叫作永动机。很多人为此付出努力，但都未成功。13世纪，法国人亨内考设计了一台永动机，在一个轮子的边缘上等距安装12根带重锤的活动短杆，如图4-2-1所示。他设想：无论轮子转到什么位置，右边各个重物总比左边各个重物离轴心更远一些，那么右边的球能产生更大的力矩，会使轮子按顺时针方向永不停息地旋转下去并对外做功。然而，这种神话般的“魔轮”发动起来后，仅转动一两圈就不再动了。

图4-2-1　亨内考设想的永动机

永动机为什么不能实现呢？

1.内能

物质的不同运动对应着不同的能量，如机械运动对应机械能，电磁运动对应着电磁能，热运动对应的能称为内能。

分子不停地运动，因此每一个分子都具有动能。分子频繁碰撞，使分子的速度大小不尽相同，因此关注每一个分子的动能没有实际的价值。我们把所有分子动能的平均值叫分子热运动的平均动能。

地球上的物体由于与地球之间存在相互作用力而具有重力势能。分子之间由于相互作用力，也具有一种能量，我们称之为分子势能。

物体中所有分子的动能和势能的总和，叫作内能。内能是大量分子无规则运动和分子间相互作用的共同结果。

2.改变内能的方法

任何物体都具有内能。从微观上看，同一个物体内能的大小取决于组成物体的所有分子运动的剧烈程度和分子间的相对位置；从宏观上看，内能则与物体的温度和体积有关，在考虑物体内能的变化时，要同时考虑温度和体积的变化。

机械加工中，为提高金属材料的刚性、硬度、耐磨性等，要将金属工件加热到某一适当温度，并保持一段时间，随即浸入冷水中，我们称为“淬火”（图4-2-2）。在工件浸入冷水中这个过程中，铁块温度降低，内能减少，水的温度升高，内能增加，所以说热传递可以改变物体的内能。

图4-2-2　淬火

热传递能改变物体的内能，做功也可以。古人钻木取火（图4-2-3），就是克服摩擦力做功，使木头温度升高，内能增加；打气筒打气时（图4-2-4），压缩气体做功，筒壁温度升高，内能增加；电流通过取暖器（图4-2-5），电流做功，使取暖器的内能增加。

图4-2-3　古人钻木取火

图4-2-4　给自行车打气

图4-2-5　电流做功使取暖器内能增加

改变物体内能有两种方式：做功和热传递。

3.热力学第一定律

做功和热传递都能改变物体的内能，它们之间究竟存在什么样的关系呢？实验表明，当一个物体状态发生变化时，做功和热传递往往是同时存在的。用Q表示外界对系统传递的热量，用W表示外界对系统做的功，用ΔU表示系统内能的增加量，那么有：

ΔU=Q+W

这就是热力学第一定律，用文字表述为：物体热力学能的增加量ΔU等于物体从外界吸收的热量Q与外界对物体做的功W之和。

做功的过程就是能量转化的过程，做多少功，就有多少能量从一种形式转化为另一种形式，功是能量转化的量度。热量是热传递过程中物体内能增加或减少的值，是热传递过程中内能变化的量度，是过程量，与功相当。因此，内能、功、热量的单位是相同的，都是焦耳。

【例题】已知在一个过程中，气体膨胀对外做功100J，同时向外界放出了120J的热量，它的内能变化是多少？

解：根据热力学第一定律ΔU=Q+W有

ΔU=-120J+（-100J）=-220J

答：它的内能减少了220J。

4.能量守恒定律

前面我们学习了机械能守恒定律，知道物体的重力势能、弹性势能与动能可以相互转化，在相互转化的过程中，如果只有重力或弹力做功，物体的机械能守恒。实际上，在物体的动能和势能相互转化的过程中，由于各种摩擦和其他阻力的存在，机械能总要损失一部分。那么，是不是说损失的这部分机械能就消灭了呢？(www.daowen.com)

通过研究，人们发现损失的机械能转化成机械能以外的其他形式的能量。重力、弹力以外其他的力做功会使物体机械能增加或减少，这一过程实质上是其他形式的能与机械能相互转化的过程。如果把机械能以外的其他形式能也包括在内，总能量还是保持不变的。这是一条普遍的规律。

能量可以相互转化，也可以相互转移。自然界中，太阳辐射到地面的能量传递给了土壤，使土壤的内能增加，温度升高。同时，土壤又把热量传递给它表面的空气，将内能转化成动能，使空气上升、流动；太阳把江河湖海的水晒热，并使一部分水蒸发，蒸发的水汽上升到空中形成云，又以雨、雪等形式落回地面，通过江河流入海洋，从而完成能量转化的循环过程（图4-2-6）。太阳辐射的能量还被地球上的植物、藻类等利用，合成有机物，以化学能的形式储存起来。这些化学能的一部分被植物生命活动消耗，剩余部分则被储存起来。植物被动物食用，动物又把植物储存的化学能转变成它们体内的化学能，而人类则从这些植物和动物身上获得了自己所需要的能量。此外，古生物死亡后，它们储存的化学能被保留下来，在千万年的地质变迁中转化成煤、石油、天然气等的化学能，成为现代社会生活和生产所必需的主要能源。

大量事实和科学研究证明，能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化成为另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体；在转化或转移的过程中，其总量保持不变。这就是能量守恒定律。

图4-2-6　能量循环

想想议议

我们每天要进行很多活动，我们的身体就像一部运转的机器，将储存在体内的能量一部分用于对外做功，一部分用于维持身体各器官组织和细胞的功能，同时还会以内能的形式传递给周围的环境。想一想，在这些活动中存在哪些能量的转化或转移？

很多同学因为爱美而减肥，还有的同学因为不喜欢运动，吃垃圾食品，影响身体发育。请同学们从能量守恒角度分析，如何养成良好的生活习惯？

物质的每一种运动形式，都可以找到某种能量与之相对应，自然界中存在着不同形式的能量。能量守恒定律揭示了不同运动形式对应的能在相互转化中量的对应关系，从而把各种自然现象用定量规律联系起来。这样，能量守恒定律就把物理学的各个分支乃至自然科学的各个学科联系在一起，把自然界的各种物质运动联系起来。因此，能量守恒定律与细胞学说、进化论一起，被誉为19世纪自然科学的三大发现。

为什么第一类永动机是不可能实现的呢？

根据能量守恒定律，如果没有外界供给能量，机器对外界做功是以自身能量的减少为代价的。能量耗尽了，机器也就停下来了。这表明，在无外界能量供给的情况下，使机器不断地对外做功是不可能的。因此，能量守恒定律彻底否定了永动机，它使人们走出空想，致力于研究各种能量形式相互转化的具体条件，以求更有效地利用自然界提供的各种能源。

习　题

1.一个与外界绝热（即无热交换）的房间内，有一台正在工作的电冰箱，如果电冰箱的门是敞开的，室内温度将（　）。

A.降低　B.升高　C.不变

2.关于物体的变化，以下说法中正确的是（　）。

A.物体吸收热量，内能一定增加

B.物体对外做功，内能一定减少

C.物体吸收热量，同时对外做功，内能可能不变

D.物体放出热量，同时对外做功，内能可能不变

3.如图4-2-7所示，试分析改变手的内能的两种方式。

图4-2-7　第3题图

4.下列改变物体内能的各种方式中，（　）属于做功的方式，（　）属于热传递的方式。

A.车工切削工件，工件发热

B.把烧红的铁块投入水中水温升高

C.用锤子敲击铁板，铁板发热

D.用太阳能热水器使水温升高

5.做功和热传递对改变物体的内能虽然是等效的，但从能量转化的观点来看是有区别的，这种区别是什么？

6.如果一个物体与外界只有热交换，没有做功，外界传给物体8J的热量，物体的内能如何变化？内能改变了多少？如果一个物体和外界不发生热交换，当物体对外界做了15J功后，物体的内能是增加了还是减少了？内能改变了多少？

7.汽缸中气体膨胀推动活塞向外运动，若气体对活塞做的功是6×104J，气体的内能减少了8×104J，在这个过程中气体是吸收热量还是放出热量？传递的热量是多少？

8.如图4-2-8所示，在大口玻璃瓶内放一些水，水的上方有水蒸气。用打气筒向瓶内打气，当瓶塞喷出来时，观察瓶内发生的变化，分析和解释你观察到的现象。

图4-2-8　第8题图