《功和内能》 知识清单

《功和内能》知识清单
一、功
1、功的定义
功是描述力对空间累积效应的物理量。

如果一个力作用在物体上，
并且物体在这个力的方向上发生了位移，我们就说这个力对物体做了功。

2、功的计算
功等于力与在力的方向上的位移的乘积。

公式为：W ＝Fs cosθ ，
其中 W 表示功，F 是力的大小，s 是位移的大小，θ 是力与位移方向之
间的夹角。

当θ ＝ 0°时，cosθ ＝ 1，W ＝ Fs，力对物体做正功，此时力的方向与位移方向相同，力促进物体运动，能量从施力物体转移到受力物体。

当θ ＝ 90°时，cosθ ＝ 0，W ＝ 0，力对物体不做功。

例如，物体
在光滑水平面上做匀速圆周运动，向心力不做功。

当 90°＜θ ≤ 180°时，cosθ ＜ 0，W ＜ 0，力对物体做负功，也称为物体克服该力做功。

此时力的方向与位移方向相反，力阻碍物体运动，能量从受力物体转移到施力物体。

3、功的单位
在国际单位制中，功的单位是焦耳（J），1 焦耳等于 1 牛顿的力使物体在力的方向上移动 1 米所做的功。

4、功的正负的意义
功的正负反映了力对物体做功的效果。

正功表示力对物体的运动起到促进作用，负功表示力对物体的运动起到阻碍作用。

但需要注意的是，功的正负并不表示功的大小，功是标量。

二、内能
1、内能的定义
内能是指物体内部分子热运动的动能和分子势能的总和。

内能是一个与物体内部分子的状态有关的能量形式。

2、分子动能
分子由于不停地做无规则运动而具有的能量叫做分子动能。

分子动能的大小与温度有关，温度越高，分子的热运动越剧烈，分子动能越大。

3、分子势能
分子间由于存在相互作用力而具有的能量叫做分子势能。

分子势能的大小与分子间的距离有关。

当分子间距离处于平衡位置时，分子势能最小；当分子间距离增大或减小时，分子势能都会增大。

4、内能的影响因素
物体的内能与物体的质量、温度、体积、状态等因素有关。

质量越大，分子数量越多，内能越大。

温度越高，分子热运动越剧烈，内能越大。

体积影响分子间的距离，从而影响分子势能，进而影响内能。

状态的改变也会引起内能的变化，例如，晶体在熔化过程中，吸热但温度不变，内能增加。

5、内能的特点
内能是物体内部所有分子具有的能量总和，是一个状态量。

对于给定的物体，其内能大小取决于它所处的状态。

三、功和内能的关系
1、做功可以改变物体的内能
对物体做功，物体的内能增加；物体对外做功，物体的内能减少。

例如，摩擦生热就是通过做功增加物体内能的典型例子。

双手相互摩擦，克服摩擦力做功，手的内能增加，温度升高。

压缩气体时，对气体做功，气体的内能增加，温度升高。

2、内能和功的单位相同
内能和功的单位都是焦耳（J），这也表明它们在能量的度量上是等价的。

3、区别与联系
功是过程量，与做功的过程有关；内能是状态量，只与物体的状态有关。

做功是其他形式的能与内能相互转化的过程，而内能的改变不一定是通过做功，还可以通过热传递。

四、热传递与内能
1、热传递的定义
热传递是由于温度差引起的热能传递现象。

2、热传递的条件
存在温度差是热传递发生的条件。

3、热传递的方向
热传递的方向是从高温物体向低温物体传递。

4、热传递的三种方式
热传导、热对流和热辐射。

热传导是通过直接接触，由高温部分向低温部分传递热量。

热对流是依靠液体或气体的流动来传递热量。

热辐射是不依赖于介质，通过电磁波的形式向外传递热量。

5、热传递与内能的关系
热传递可以改变物体的内能。

物体吸收热量，内能增加；物体放出热量，内能减少。

五、热力学第一定律
1、定律内容
一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的和。

2、表达式
ΔU ＝ Q ＋ W ，其中ΔU 表示系统内能的增量，Q 表示系统从外界吸收的热量，W 表示外界对系统所做的功。

当 Q ＞ 0 时，表示系统吸热；Q ＜ 0 时，表示系统放热。

当 W ＞ 0 时，表示外界对系统做功；W ＜ 0 时，表示系统对外界做功。

3、意义
热力学第一定律揭示了内能、热量和功之间的定量关系，是能量守恒定律在热力学中的具体体现。

六、实例分析
1、汽车发动机
汽车发动机中的燃料燃烧，产生高温高压气体，推动活塞做功。

这个过程中，燃料燃烧释放的化学能转化为气体的内能，气体膨胀对外
做功，将内能转化为机械能。

同时，由于摩擦等原因，部分能量以热能的形式散失。

2、打气筒打气
用打气筒给轮胎打气时，压缩气体做功，使气体的内能增加，温度升高。

同时，打气筒的活塞与筒壁之间的摩擦也会产生热量，使内能增加。

七、常见问题解答
1、为什么做功和热传递都能改变物体的内能？
做功是通过力的作用改变物体内部分子的运动状态和相互作用，从而改变内能。

热传递是由于温度差导致分子热运动的平均动能不同，从而实现内能的转移。

2、内能和热量有什么区别？
内能是物体内部分子的动能和势能的总和，是状态量。

热量是在热传递过程中传递的内能的多少，是过程量。

3、如何判断一个过程是做功还是热传递改变了物体的内能？
观察能量的转化或转移方式。

如果是通过力的作用使物体的位置、形状等发生变化，通常是做功改变内能；如果是由于温度差导致能量的转移，通常是热传递改变内能。

总之，功和内能是热力学中的重要概念，理解它们的关系以及与热传递的相互作用，对于深入研究热力学现象和能量转化规律具有重要
意义。

通过不断的学习和实践，我们能够更好地掌握这些知识，并应用到实际生活和科学研究中。