辨析物理中的温度、内能和热量关系

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  【摘要】内能、温度和热量是初中物理热学中容易混淆而又十分重要的概念,在中考试题中经常以选择题的形式出现。很多同学不能区分这三个物理量的概念,导致在解决这类问题时容易出错。
  【关键词】内能;热传递;热量;
  一 、温度、内能和热量的概念
  温度,是用来表示物体冷热程度的物理量,是状态量。从热力学的角度看,温度是物体分子平均动能的标志,是大量分子热运动的集体表现,对于个别分子没有意义。物体的温度升高,分子平均动能增大;温度降低,物体分子平均动能减小。
  内能,是指物体内部所有分子做无规则运动的动能和分子势能的总和。从内能的定义可知,内能是一个状态量,跟物体所含物质的多少、分子热运动和分子间的作用力有关,而这三者又与质量、温度和体积有关,所以,物体的内能与物体的质量、温度和体积有关。一切物体的分子都在不停地做无规则运动,所以一切物体都具有内能;物体质量越大,分子的总和越多,内能就越大;同一物体温度越高,分子热运动越剧烈,分子平均动能越大,内能越大。分子势能跟分子间的距离有关,宏观表现为物体的体积有关。例如, 0℃的冰融化成0℃的水温度不变,分子平均动能不变,由于质量没有变,体积变小,分子间距离变小,所以分子势能发生变化。究竟如何变化?可以根据物态变化的吸、放热来判断,因为冰融化成水要吸收热量,融化成水后内能会变大。
  热量,是指在热传递的过程中,传递内能的多少叫热量。从概念可以看出,热量是一个过程量,是转移的那部分内能。内能自发地从高温物体转移到低温物体,高温物体减少的内能叫放出的热量,低温物体增加的内能叫吸收的热量。热量是一个过程量,所以不能说“具有”或者“含有”多少热量,也不能够说“增加”或者“减少”多少热量,通常表达为“吸收”或者“放出”多少热量。
  二 、温度、内能和热量的辨析
  温度、内能、热量三个物理量既有区别又有联系。辨析它们的区别与联系,有助于正确理解其含义。
  1.内能和温度的辨析
  物体温度变化,内能一定会变化。上述可知,温度是物体分子平均动能的标志,物体温度升高(或降低),物体内分子无规则运动的速度变大(或减小),分子平均动能增加(或减少),因此它的内能一定增加(或减少)。所以,物体温度变化时,分子的动能就会发生变化,物体的内能就会变化。
  物体的内能变化,温度不一定变化。根据内能的概念可知,内能受质量、温度和体积以及状态因素影响,所以物体的内能变化,其他影响因素变化引起的,而温度并没有变化。例如,晶体的融化过程中,温度保持不变,由于要不断从外界吸收热量,所以内能不断增加;晶体的凝固过程,由于不断向外界放出热量,所以内能减小,而温度保持不变。
  2.内能和热量的辨析
  首先,内能是一个状态量,而热量是一个过程量。其次,热量是在热传递过程中转移的那部分内能,热传递过程中改变物体内能,即高温物体放出热量,内能减小;低温物体吸收热量,内能增加;物体吸收或放出热量一定会引起内能的变化。在物态变化过程中,也用物体吸、放热量作为判断物体内能增、减的依据。总之,物体吸收或放出热量,内能一定变化,但是物体的内能发生变化,不一定吸收或放出热量。因为改变内能的方式有两种,一个是热传递,另一个是做功,物体的内能变化也可能是做功引起的。
  3.热量和温度的辨析
  从概念可以看出,热量与温度差别很大,热量是过程量,温度是状态量。为什么还有很多同学区分不太准确呢?笔者分析,问题的根源还是很多学生没有理解热传递的概念。热传递是热量由高温物体传给低温物体,高温物体放出热量,内能减小,温度降低;低温物体吸收热量,内能增加,温度升高。热传递过程中,高温物体温度降低,低温物体温度升高。由此,部分同学错误地认为热传递过程中传递的是温度。这部分同学没有弄清楚热传递的条件是要有温度差,热传递的方向是由高温物体传给低温物体,传递的是内能(热量)。所以,由此就会导致很多同学区分不开温度与热量,其实只要明白温度是个状态量,是描述物体的冷热程度,是不能被传递的,就可以把热量和温度很好地区分开。
  物体的温度变化,不一定是因为吸收或者放出热量。因为,物体温度变化内能一定变化,而内能的变化也可能是做功引起的。反之,物体吸收或放出热量,温度也不一定变化。例如,水在沸腾过程中,需要不断地吸收热量,但温度保持不变。
  三 、温度、内能和热量的中考题例析
  例1 (2017·连云港中考)下列关于温度、内能和热量的说法,正确的是( )
  A.0℃的冰没有内能
  B.冬天搓手取暖是利用做功来改变内能
  C.物体温度越高,所含热量越多
  D.物体的机械能越多,其内能就越多
  分析:一切物体的分子都在不停地做无规则运动,所以一切物体任何时候都具有内能,所以A选项错误;热量是一个过程量,不能用“含有”来描述,所以C选项错误;内能是物体内部分子所具有的能量与物体的机械能没有关系,所以D选项错误;搓手是利用做功把机械能转化为内能,使手的内能增加,温度升高的,所以B选项是正确的。
  例2 (2017·广州中考) 甲、乙两杯水温度各为40℃、80℃,下列说法正确的是( )。
  A.只有加热才能使水升温
  B.甲杯中水的内能一定比乙杯中的小
  C.乙杯中水的温度降低,水的内能一定减小
  D.甲杯中的水分子运动一定比乙杯中的剧烈
  分析:使水的溫度升高,内能增加,除了加热外,还可以使用对水做功的方法,所以A选项错误;内能除了跟温度有关外,还与物体的质量有关,甲、乙两杯水的质量未知,所以无法判断内能大小,所以B选项错误;温度越高分子无规则运动月剧烈,乙杯水的温度较高,乙杯水的分子运动更剧烈,所以D选项错误;乙杯中水的温度降低,分子无规则运动平均动能变小,分子内能减小,所以C选项正确。
  温度、内能和热量是三个既有区别,又有联系的物理量。其中,内能和温度是状态量;而热量是一个过程量,不能用“具有”“含有”“增加”等词来描述,常用“吸收”或“放出”来搭配。要解决有关这三者的中考题,还要掌握热传递的概念、内能的影响因素等内容,所以这里题得分率不高。解决这类题,明确三个物理量的概念是关键,还要辨析其物理意义才能突破。
  参考文献:
  [1]中华人民共和国教育部.义务教育物理课程标准(2011年版)[M].北京:北京师范大学出版社, 2012.
  [2]陈永创.论温度、内能、热量的区别与联系[J].中学物理:初中版, 2017, 35 (9) :47-47.
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