气体内能的变化-物理物理

我们知道，改变物体的内能有两种方式——做功和热传递。做功和热传递虽然物理方式不同，但在改变物体内能的效果上却是等效的。物体内能如果只由做功改变，那么外力对物体所做的功W等于物体内能的变化ΔU；如果物体的内能只由热传递改变，那么物体与外界交换的热量Q=ΔU。如果物体内能的改变既有做功，又有热传递，那么就有：W+Q=ΔU，这就是热力学第一定律。
做功和热传递是怎样改变物体的内能呢？
第一，若气体体积不变，必有W=0，Q=ΔU。吸热时，Q>0，气体的温度升高，分子平均动能增大，内能增加，ΔU＞0；放热时，Q<0，气体温度降低，分子平均动能减少，内能减少，ΔU<0。
由理想气体状态方程pV=nRT可知，对一定质量的气体，n一定，p与T成正比。T增大p随着增大。p增大的原因是分子动能增加。T是表象，分子动能增加是内因，实质上是气体分子动能的增量，等于吸收的热量，等于其内能增量。
第二，若气体的状态变化是绝热变化，必有Q=0，W=ΔU。若气体对外界做功W<0，内能减少；外界对气体做功，W>0，内能增加。气体对外界做功是气体克服外界阻力做功，即气体体积在阻力作用下膨胀,气体的内能转变为机械能，若气体向真空膨胀,则对外做功W=0。外界对气体做功，气体体积减小，机械能转变为内能。
第三，若气体作等温变化，必有U=0，W+Q=0，内能不变，外界对气体所做的功等于气体吸收(或放出)的热量。
总之，气体内能的改变，由外界对气体所做的功和气体吸收或放出的热量共同决定。并不简单地由W或Q决定。在分析有关气体内能的变化时，要注意对气体的状态和状态变化过程进行分析，运用热力学第一定律，找出特殊条件，往往能使复杂问题简单化。对此，本文将举几个实例加以诠释。