“机械能和内能”常见问题问与答

由于内能的概念很抽象，并且与温度、做功、热传递之间存在着较为复杂的关系，同学们对于内能概念的理解往往是片面的，表现在处理具体问题时常常顾此失彼。本文对于内能和机械能的理解出现的常见问题分析如下:
　　
　　１.物体的温度不变时，其内能是否改变？
　　
　　温度越高，物体内部分子的热运动越剧烈，物体的内能就越大。所以学生容易产生“物体的温度不变，内能也就保持不变”的错误认识。物体的内能是由物体的温度、物态、体积等因素共同决定的，只要其中一个因素改变时，就会引起内能的改变。物体的温度变化，内能一定变化。物体的温度不变，内能可以不变，也可以增加，还可以减小。例如，晶体在熔化过程中，吸收热量，温度保持不变，内能增加；相反在凝固过程中，放出热量，温度保持不变，内能减小。所以物体在只有温度改变时，其内能一定会改变；但物体的内能改变时，其温度却不一定改变。任何温度下的物体的分子都在不停地做无规则运动,它们都有内能,不要认为低温物体没有内能。
　　
　　2.做功或热传递时，内能一定发生改变吗？
　　
　　做功和热传递对于改变物体的内能是等效的，在解决具体问题时往往会顾此失彼。例如，认为“物体吸收热量内能一定增加，物体对外做功内能一定减小”等。因为热传递是物体间内能的转移，所以在没有做功参与的情况下，物体吸收热量内能一定增加，放出热量内能一定减小；做功的过程也是能量转化的过程,在没有热传递参与的情况下，外界对物体做功，物体的内能不一定增加，即机械能不一定转化为内能。例如，用力提起物体，对物体做功使得物体的机械能增加，而内能本身没有变化。如果是做功使物体内能发生变化,则外界对物体做功会使物体的内能增加，这是其他形式的能转化成内能；若是物体对外界做功则内能减小,是内能转化成了其他形式的能。例如用活塞压缩空气，就是的机械能转化为空气内能；摩擦生热是机械能转化为内能；压缩空气推动活塞而做功，就是空气的内能转化为的机械能。
　　
　　３．热量就是内能吗？
　　
　　这个认识是错误的。热量和内能是两个不同的物理量，内能是物体的状态量，它是物体在某一状态某一时刻所具有的一种能量；热量是过程量，它是在某一段过程中物体之间发生热交换的那一部分能量,是物体在热传递的过程中其内能改变量的量度，只有在热传递的过程中才有意义。在只发生热传递的过程中，物体吸收（放出）多少热量，其内能就增加（减少）多少．热量不属于哪一个物体，它量度的是流通量、交换量。说某一物体具有多少热量，就如同说某一物体具有多少功一样不正确。
　　
　　４．物体的运动速度越大，它的内能就越大吗？
　　
　　这个认识也是错误的，这是由于没有把宏观和微观区分开的缘故。物体宏观的机械运动情况决定物体的机械能，物体微观的分子热运动和分子间的相互作用决定物体的内能。物体的内能大小与物体内部分子的热运动以及分子间的相互作用情况有关，是物体能量的微观表现，这种无规则运动是分子在物体内部自身不停地运动，而不是随着物体整体一起所做的运动。物体的机械能则与整个物体的机械运动情况及相对位置有关，是物体能量的宏观表现，两者涉及的范畴不同，所以物体的运动速度和它的内能没有直接的关系。物体的内能在任何情况下都不会为零，而物体的机械能可以相对为零。例如，抛到空中的球，离开地面，具有重力势能；它在空中飞行，具有动能；球内部的分子做无规则热运动，而且分子之间有相互作用，因此球还具有内能。
　　
　　5．物体的内能和机械能都能计算吗？
　　
　　物体的内能是无法确定或者说无法计算（测试）出来的，只有当物体的状态发生变化时内能的变化量才可以通过做功或热传递来衡量，而一个物体的机械能在其状态确定时就对应有一个确定的值。
　　
　　6.内能可以全部转化为机械能吗?
　　
　　机械能可以全部转化为内能，如具有一定初速度的物体在粗糙水平面上滑行一段距离后停下来，损失的机械能全部转化为内能（以该水平面为零势面）；反过来，要实现内能向机械能的转化需通过一定的机械设备才能实施，任何一种机械的效率都不可能达到100％，即内能可以转化为机械能但不能100%的转化为机械能。