氣體內(nèi)能的變化-物理物理

我們知道，改變物體的內(nèi)能有兩種方式——做功和熱傳遞。做功和熱傳遞雖然物理方式不同，但在改變物體內(nèi)能的效果上卻是等效的。物體內(nèi)能如果只由做功改變，那么外力對物體所做的功W等于物體內(nèi)能的變化ΔU；如果物體的內(nèi)能只由熱傳遞改變，那么物體與外界交換的熱量Q=ΔU。如果物體內(nèi)能的改變既有做功，又有熱傳遞，那么就有：W+Q=ΔU，這就是熱力學第一定律。
做功和熱傳遞是怎樣改變物體的內(nèi)能呢？
第一，若氣體體積不變，必有W=0，Q=ΔU。吸熱時，Q>0，氣體的溫度升高，分子平均動能增大，內(nèi)能增加，ΔU＞0；放熱時，Q<0，氣體溫度降低，分子平均動能減少，內(nèi)能減少，ΔU<0。
由理想氣體狀態(tài)方程pV=nRT可知，對一定質(zhì)量的氣體，n一定，p與T成正比。T增大p隨著增大。p增大的原因是分子動能增加。T是表象，分子動能增加是內(nèi)因，實質(zhì)上是氣體分子動能的增量，等于吸收的熱量，等于其內(nèi)能增量。
第二，若氣體的狀態(tài)變化是絕熱變化，必有Q=0，W=ΔU。若氣體對外界做功W<0，內(nèi)能減少；外界對氣體做功，W>0，內(nèi)能增加。氣體對外界做功是氣體克服外界阻力做功，即氣體體積在阻力作用下膨脹,氣體的內(nèi)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，若氣體向真空膨脹,則對外做功W=0。外界對氣體做功，氣體體積減小，機械能轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)能。
第三，若氣體作等溫變化，必有U=0，W+Q=0，內(nèi)能不變，外界對氣體所做的功等于氣體吸收(或放出)的熱量。
總之，氣體內(nèi)能的改變，由外界對氣體所做的功和氣體吸收或放出的熱量共同決定。并不簡單地由W或Q決定。在分析有關(guān)氣體內(nèi)能的變化時，要注意對氣體的狀態(tài)和狀態(tài)變化過程進行分析，運用熱力學第一定律，找出特殊條件，往往能使復雜問題簡單化。對此，本文將舉幾個實例加以詮釋。