《内能思维导图》
一、内能概述
- 定义： 物体内部所有分子动能和分子势能的总和。
- 决定因素：
- 温度： 温度越高，分子运动越剧烈，分子动能越大，内能越大。(理想气体只与温度有关)
- 物体的质量/物质的量： 质量/物质的量越大，包含的分子数目越多，总的内能越大。
- 物体的状态： 不同物态分子排列方式和相互作用力不同，相同温度下内能不同 (例如: 汽化吸热, 固态<液态<气态)。
- 与机械能的区别：
- 参照对象： 内能是相对于物体内部而言的，与物体整体的运动状态无关；机械能是相对于外部参照物而言的，与物体整体的运动状态有关。
- 包含内容： 内能包含分子动能和分子势能；机械能包含动能和势能（重力势能、弹性势能）。
- 影响因素： 内能主要受温度、质量、状态的影响；机械能主要受质量、速度、高度、形变的影响。
- 内能的存在： 所有物体都具有内能，即使是绝对零度（0K）的理想晶体，分子也有振动能，并非绝对零内能。
- 内能的变化：
- 改变内能的方式： 做功、热传递。
- 内能变化与温度变化的关系： 内能增加，温度不一定升高 (例如: 熔化、沸腾); 温度升高，内能一定增加。
二、改变内能的方式
1. 做功
- 定义： 力作用在物体上，且物体在力的方向上移动了距离。本质是能量的转化。
- 分类：
- 对物体做功： 使物体内能增加（例如：压缩气体，克服摩擦力）。
- 物体对外做功： 使物体内能减少（例如：气体膨胀推动活塞）。
- 效果：
- 做功是能量转化的方式。
- 做功使内能和机械能相互转化。
- 实例：
- 打气筒给轮胎打气，克服气体压力做功，气体温度升高。
- 锯木头，锯和木头之间摩擦，克服摩擦力做功，锯和木头的温度升高。
- 气体膨胀对外做功，例如蒸汽机。
- 做功的快慢： 功率（P=W/t），反映了做功的快慢，功率越大，相同时间内做的功越多，内能变化越快。
2. 热传递
- 定义： 由于物体之间存在温度差而产生的能量转移现象。本质是内能的转移。
- 条件： 存在温度差。
- 传递方向： 从高温物体传向低温物体。
- 传递方式：
- 传导： 热由物体的一部分传递到另一部分，或由一个物体传递到和它接触的另一个物体。（固体、液体、气体）
- 对流： 由于物体各部分温度不同而引起流体各部分之间发生相对位移的过程。（液体、气体）
- 辐射： 物体通过电磁波传递热量。（所有物体都能辐射，温度越高，辐射越强）
- 热平衡：
- 定义： 热传递停止时，高温物体放出的热量等于低温物体吸收的热量，两者温度相等，达到热平衡状态。
- 条件： 相互接触的物体没有温度差。
- 热量的计算：
- 物体吸收热量： Q吸 = cmΔt (温度升高)
- 物体放出热量： Q放 = cmΔt (温度降低)
- c： 比热容，是物质的一种特性，表示单位质量的某种物质温度升高（或降低）1℃所吸收（或放出）的热量。
三、热机
- 定义： 利用内能做功，将内能转化为机械能的机器。
- 工作原理： 通过燃料的燃烧，将化学能转化为内能，再将内能转化为机械能。
- 主要部件： 汽缸、活塞、连杆、飞轮等。
- 工作冲程：
- 吸气冲程： 进气门打开，排气门关闭，活塞向下运动。
- 压缩冲程： 进气门和排气门都关闭，活塞向上运动，气体体积缩小，温度升高，内能增加。
- 做功冲程： 进气门和排气门都关闭，燃料燃烧产生高温高压气体，推动活塞向下运动，对外做功，内能减少。
- 排气冲程： 进气门关闭，排气门打开，活塞向上运动，将废气排出。
- 热机效率：
- 定义： 有效利用的能量与燃料完全燃烧释放的能量之比。
- 影响因素： 摩擦、排气、散热等。
- 提高热机效率的途径： 减少摩擦、提高燃烧效率、减少废气带走的热量等。
- 环境保护： 热机在工作过程中会产生废气，对环境造成污染，需要采取措施减少污染，例如使用清洁能源、安装尾气净化装置等。
四、比热容
- 定义： 单位质量的某种物质，温度升高或降低1℃吸收或放出的热量。
- 符号： c
- 单位： J/(kg·℃) 或 J/(kg·K)
- 物理意义： 反映了物质吸热或放热能力的大小。比热容越大，相同质量的物质，升高相同温度吸收的热量越多，或者放出相同热量降低的温度越少。
- 是物质的特性： 不同物质的比热容一般不同。
- 用途：
- 解释自然现象： 例如，沿海地区昼夜温差小，内陆地区昼夜温差大，是因为水的比热容比砂石大。
- 控制温度： 例如，汽车发动机用水来冷却，是因为水的比热容大，可以吸收更多的热量，使发动机温度保持在安全范围内。
- 保温和保冷： 选择比热容大的材料做保温层，可以有效地防止热量散失或进入。
- 水的比热容： 水的比热容较大，约为4.2×103J/(kg·℃)。
- 热量计算公式： Q = cmΔt
五、热量计算综合应用
- 混合问题： 注意热平衡方程：Q吸 = Q放， 找出吸热物体和放热物体，明确温度变化。
- 燃料燃烧放热： Q放 = mq (q为燃料的热值)
- 与机械能结合： 注意能量守恒定律，明确各种能量之间的转化关系。
- 实验误差分析： 注意实验过程中热量散失、测量误差等因素对结果的影响。
- 实际问题解决： 将所学知识应用于解决实际问题，例如计算取暖所需燃料量、设计保温容器等。