气体内能

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气体内能的变化

作者：罗武兰

来源：《中学教学参考·理科版》2012年第04期

我们知道，改变物体的内能有两种方式——做功和热传递。做功和热传递虽然物理方式不

同，但在改变物体内能的效果上却是等效的。物体内能如果只由做功改变，那么外力对物体所

做的功W等于物体内能的变化ΔU；如果物体的内能只由热传递改变，那么物体与外界交换的

热量Q=ΔU。如果物体内能的改变既有做功，又有热传递，那么就有：W+Q=ΔU，这就是热力

学第一定律。

做功和热传递是怎样改变物体的内能呢？

第一，若气体体积不变，必有W=0，Q=ΔU。吸热时，Q>0，气体的温度升高，分子平均

动能增大，内能增加，ΔU＞0；放热时，Q

由理想气体状态方程pV=nRT可知，对一定质量的气体，n一定，p与T成正比。T增大p

随着增大。p增大的原因是分子动能增加。T是表象，分子动能增加是内因，实质上是气体分

子动能的增量，等于吸收的热量，等于其内能增量。

第二，若气体的状态变化是绝热变化，必有Q=0，W=ΔU。若气体对外界做功W0，

内能增加。气体对外界做功是气体克服外界阻力做功，即气体体积在阻力作用下膨胀,气体的

内能转变为机械能，若气体向真空膨胀,则对外做功W=0。外界对气体做功，气体体积减

小，机械能转变为内能。

第三，若气体作等温变化，必有U=0，W+Q=0，内能不变，外界对气体所做的功等于气

体吸收(或放出)的热量。

总之，气体内能的改变，由外界对气体所做的功和气体吸收或放出的热量共同决定。并不

简单地由W或Q决定。在分析有关气体内能的变化时，要注意对气体的状态和状态变化过程

进行分析，运用热力学第一定律，找出特殊条件，往往能使复杂问题简单化。对此，本文将举

几个实例加以诠释。

【例1】（2010年全国理综卷Ⅱ，第16题）

如图1，一绝热容器被隔板K隔开成a、b两部分。已知a内有一定质量的稀薄气体，b内

为真空。抽开隔板K后，a内气体进入b，最终达到平衡状态。在此过程中（）。

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A.气体对外界做功，内能减少

B.气体不做功，内能不变

C.气体压强变小，温度降低

D.气体压强变小，温度不变

分析：抽掉隔板，气体体积变大，但做的是无障膨胀，故W=0，而气缸绝热，有

Q=0，所以W+Q=0，其他内能不变，温度不变

；T不变而体积变大，p必然减小，故A、C错误，B、D正确。

【例2】（2007年全国理综卷Ⅰ，第16题）

如图2所示，质量为m的活塞将一定质量的气体封闭在气缸内，活塞与气缸之间无摩

擦。a态是气缸放在冰水混合物中气体达到的平衡状态，b态是气缸从容器中移出后，在室温

（27℃）中达到的平衡状态。气体从a态变化到b态的过程中大气压强保持不变。若忽略

气体分子之间的势能，下列说法正确的是（）。

A.与b态相比，a态的气体分子在单位时间内撞击活塞的个数较多

B.与a态相比，b态的气体分子在单位时间内对活塞的冲量较大

C.在相同时间内，a、b两态的气体分子对活塞的冲量相等

D.从a态到b态，气体的内能增加，外界对气体做功，气体对外界释放了热量

分析：从a→b,对活塞分析可知，这是一个等压膨胀过程，推动活塞对外做功，W＜0，又

因为气体温度随环境升高，因而气体的内能增加，ΔU>0,由W+Q=ΔU,所以有Q>0，即气体吸

收热量，故D错误。

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从a→b，p不变，所以对活塞的冲量I=Ft=pSt不变。由理想气体状态方程pVT＝常数可知

Va＜Vb，可得出Ta＜Tb，分子的平均动能增大，单位时间内分子对活塞的冲量不

变，那单位时间内撞击活塞的分子个数较少。故A、C正确，B错误。

【例3】（2009年全国理综卷Ⅱ，第16题）

如图3，水平放置的密封气缸内的气体被一竖直隔板分隔为左右两部分，隔板可在气缸内

无摩擦滑动，右侧气体内有一电热丝。气缸壁和隔板均绝热。初始时隔板静止，左右两边气体

温度相等。现给电热丝提供一微弱电流，通电一段时间后切断电源。当缸内气体再次达到平衡

时，与初始状态相比（）。

A．右边气体温度升高，左边气体温度不变

B．左右两边气体温度都升高

C．左边气体压强增大

D．右边气体内能的增加量等于电热丝放出的热量

分析：容易看出右边气体的温度升高，那压强必然增大，推动活塞向左运动。对左边气体

分析，因为是绝热的，所以Q=0，利用热力学第一定律，那气体内能的变化就只考虑做功，因

为W>0,所以左边气体内能增大,温度必然升高。由pVT＝常数可知,V减小,T增大,p必然增大。

利用能量守恒可知,电热丝放出的热量等于左右气体内能的增加量。由此可得出正确答案为

B和C。

我们知道，物体内能是所有分子动能和分子势能的总和。而分子动能是由物体宏观温度决

定，分子势能与分子间的距离有关，即与物体宏观体积有关，因而无论是物体温度发生变化或

是物体体积发生变化，物体的内能都会发生变化。但对气体而言，气体分子间距离远大于分子

力为零时的距离r（视为理想气体）。分子力十分微弱，分子势能一般忽略不计。因而气体的

内能就简单地由分子动能决定，即由气体温度决定。因而对理想气体而言，温度升高，内能增

加；温度降低，内能减少，其内能的变化就取决于温度的变化。

(责任编辑黄春香）