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內能

從微觀上說，內能一般主要包括系統內所有分子的動能、分子間的相互作用勢能、電子能和核內部粒子間的相互作用能等。前兩項又可總稱為分子熱運動能，就是我們通常所說的“內能”。后面兩項在大多物理過程中不變，因此一般只需要考慮前兩項。但在涉及電子的激發、電離的物理過程中或發生化學反應時電子能將大幅變化，此時內能中必須考慮電子能的貢獻。核內部粒子間的相互作用能僅在發生核反應時才會變化，因此絕大多數情形下，都不需要考慮這一部分的能量。內能的絕對量(主要是其中的核內部能量部分)目前還不完全清楚，但不影響我們解決一般問題，對于內能我們常常關心的是其變化量。

拋開物體內部的結構細節，從宏觀上說，內能是一種與系統在絕熱條件下做功量相聯系的，描述系統本身能量的狀態函數。在宏觀定義中，內能是一個相對值。

對于一定量物質構成的系統，通過做功、熱傳遞與外界交換能量，引起系統狀態變化，而導致內能改變，其間的關系由熱力學第一定律給出。

內能是物體、系統的一種固有屬性，即一切物體或系統都具有內能，不依賴于外界是否存在、外界是否對系統有影響。

內能是一種廣延量(或曰容量性質)，即內能的大小與物質的數量(物質量或質量)成正比。

內能是系統的一種狀態函數(簡稱態函數)，即內能可以表達為系統的某些狀態參量(例如壓強、體積等)的某種特定的函數，函數的具體形式取決于具體的物質系統(具體地說，取決于物態方程)。當系統處于某一平衡態時，系統的一切狀態參量將取得定值，內能作為這些狀態參量的特定函數也將取得定值(盡管我們目前還不很清楚它的絕對數值是多少)。

當系統發生某一變化，從原先的平衡態過渡到另一個新的平衡態時，內能的變化量僅取決于變化前后的系統狀態，而與這個變化是如何發生的(例如變化的快慢)以及變化經歷了怎樣曲折的過程(例如是經歷一個等溫過程、等壓過程還是一個任意過程)完全無關。內能的這一性質和功、熱量有著本質的區別。

內能的概念建立在焦耳等人大量精密的熱功當量實驗的基礎之上。能量和內能概念的建立標志著能量轉化與守恒定律(即熱力學第一定律)的真正確立。

正如重力對一定質量物體做功的大小與物體下降的路徑無關，僅與物體下降前后的垂直位置有關，焦耳的實驗證明系統在絕熱條件下的做功量與系統經歷的具體過程無關，僅與系統做功前后的狀態有關。從前一現象人們提出了重力勢能的概念，將過程量功表達為僅取決于高度的勢能函數在不同高度的函數值之差。類似可以定義一個僅取決于系統狀態的函數，將過程量絕熱功表為該函數在不同狀態的函數值之差。這個被定義的函數，就稱為內能。

熱機定律

(1)定義或解釋

轉變為有用功的熱量跟燃料燃燒時放出的熱量的比叫做熱機的效率，也叫熱機的有效效率。通常用百分數來表示。

(2)說明

①凡是能夠利用燃料燃燒時放出的能來做機械功的機器就叫做熱機。

②熱機在工作過程中，發熱器(高溫熱源)里的燃料燃燒時放出的熱量并沒有全部被工作物質(工質)所吸收，而工質從發熱器所得到的那部分熱量也只有一部分轉變為機械功，其余部分隨工質排出，傳給冷凝器(低溫熱源)。工質所作的機械功中還有一部分因克服機件摩擦而損失。根據熱機的工作特點，下面對熱機中熱量的利用和損耗情況作一說明。

二、熱力學第二定律

1.開爾文表述(從排除理想熱機效率η=100%出發)：

不可能制成一種“循環動作”的熱機，只從“單一熱源”吸取熱量，使之“完全”變為有用功，而“其他物體不發生任何變化”。在這一表述中，務必要注意“循環動作”、“單一熱源”、“完全”、“其他物體不發生任何變化”等這些用語。

2.克勞修斯表述(從排除理想致冷機出發)

熱量不可能“自動地”從低溫物體傳向高溫物體。在這一表述中，務必注意“自動地”這一修飾詞。可以證明開爾文表述和克勞修斯表述是等價的。熱力學第二定律本質上是一條統計規律，它指出：一般說來，一個不受外界影響的封閉系統，其內部發生的過程，總是由幾率小的狀態向幾率大的狀態進行;由包含微觀狀態數目少的宏觀狀態向包含微觀狀態數目多的宏觀狀態進行。

由于熱力學第二定律從本質上講是一條統計規律，因此，對少量分子組成的系統是不適用的。另外熱力學第二定律是確立在有限的時空觀點上的，不能無限外推。

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（責任編輯：xll）

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