今天这个简介是为我们讲更有趣的物理现象打基础的。爸爸用最简单的方法来讲物理学的热力学分支的几个基本概念和热力学第一定律。这些内容一般要到中学甚至大学才讲,这里我保证你们10分钟能听懂。
什么是能量?能量是“破坏”能力,换句话说就是改变自己和其他物体状态的能力。
能量有很多种,今天介绍三种:动能,势能,和内能。
动能是速度带来的能量,势能是位置的差别带来的能量。当我们把一个球往空中抛起时,球有个初速度,球就有动能。上升过程中,球高度越来越高,速度越来越小,就是势能越来越大,动能越来越小,动能转化成势能。而在球降落时,势能又转化为动能,回到原点,小球能够得到和一开始一样的速度和动能。说明动能和势能可以完全可逆地转化。动能和势能合称机械能,是一种宏观的能量。
内能是一种微观能量,是分子动能和分子势能的总和。分子和原子的无序运动是分子动能,其总和成为热能,在宏观表现为温度。分子和原子的相互作用产生分子势能,是内能的另一部分,分子势能的宏观表现有的看得见,有的看不见,看得见的例子有物质的相变。如果在一个水平的桌面上推一个木块,木块很快就停止运动了,这个过程里初始的动能又到哪里去了呢?因为摩擦,变为热能了。热能可不可以变回木块的动能呢?可以,汽车引擎就是这样的,但是热能尤其是内能中的热能变为机械能是有很多限制的。人类认识到热能是能量的一种花了很长时间,就是因为热能变为机械能的限制,要么热不能100{82d421373fcc3c8988724c178618587190cde72dc92a4674dcadf7bd8e705445}的转化为机械能,要么必须靠外界环境来“帮助”这个转化。
能量既不可以产生,也不可以消失,只有其形式可以互相转变,这个叫做热力学第一定律。
机械能转变时的变化量叫做功。功可以由力乘以物体在力的方向移动的距离得到。温度差异造成热能(thermal energy)的变化量叫做热量(heat)。固定数量物质内能的变化是等于外界给它的热量和功。小球上升时,重力对小球做功,把动能转化成势能。冰块在0度熔解时吸收的热量叫熔解热,因为温度不变,热能不变,而势能增加,内能增加。势能增加的原因是水分子必须挣脱有方向性的分子间强吸引作用(氢键)而变成自由的水分子。
总结,能量包括动能,势能,内能,还有一些今天没有涉及到的能量形式。能量守恒是热力学第一定律。我们说到机械能的变化量时用“功”,说到内能变化量时用“功”和“热量”。热力学中考虑的范围里,动能,势能,内能是状态量,它们的总量守恒。功和热量是过程量,是用来衡量能量转移的数量。
下次我们要讲橡皮筋的奇怪表现,需要用到今天讲的一部分知识。
更新:有物理老师指出,我原来讲的三种能量“动能,势能,热能”换成“动能,势能,内能”更准确。根据她的意见,我把这篇做了相应修改。
