注册环保工程师

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内能

从微观上说，内能一般主要包括系统内所有分子的动能、分子间的相互作用势能、电子能和核内部粒子间的相互作用能等。前两项又可总称为分子热运动能，就是我们通常所说的“内能”。后面两项在大多物理过程中不变，因此一般只需要考虑前两项。但在涉及电子的激发、电离的物理过程中或发生化学反应时电子能将大幅变化，此时内能中必须考虑电子能的贡献。核内部粒子间的相互作用能仅在发生核反应时才会变化，因此绝大多数情形下，都不需要考虑这一部分的能量。内能的绝对量(主要是其中的核内部能量部分)目前还不完全清楚，但不影响我们解决一般问题，对于内能我们常常关心的是其变化量。

抛开物体内部的结构细节，从宏观上说，内能是一种与系统在绝热条件下做功量相联系的，描述系统本身能量的状态函数。在宏观定义中，内能是一个相对值。

对于一定量物质构成的系统，通过做功、热传递与外界交换能量，引起系统状态变化，而导致内能改变，其间的关系由热力学第一定律给出。

内能是物体、系统的一种固有属性，即一切物体或系统都具有内能，不依赖于外界是否存在、外界是否对系统有影响。

内能是一种广延量(或曰容量性质)，即内能的大小与物质的数量(物质量或质量)成正比。

内能是系统的一种状态函数(简称态函数)，即内能可以表达为系统的某些状态参量(例如压强、体积等)的某种特定的函数，函数的具体形式取决于具体的物质系统(具体地说，取决于物态方程)。当系统处于某一平衡态时，系统的一切状态参量将取得定值，内能作为这些状态参量的特定函数也将取得定值(尽管我们目前还不很清楚它的绝对数值是多少)。

当系统发生某一变化，从原先的平衡态过渡到另一个新的平衡态时，内能的变化量仅取决于变化前后的系统状态，而与这个变化是如何发生的(例如变化的快慢)以及变化经历了怎样曲折的过程(例如是经历一个等温过程、等压过程还是一个任意过程)完全无关。内能的这一性质和功、热量有着本质的区别。

内能的概念建立在焦耳等人大量精密的热功当量实验的基础之上。能量和内能概念的建立标志着能量转化与守恒定律(即热力学第一定律)的真正确立。

正如重力对一定质量物体做功的大小与物体下降的路径无关，仅与物体下降前后的垂直位置有关，焦耳的实验证明系统在绝热条件下的做功量与系统经历的具体过程无关，仅与系统做功前后的状态有关。从前一现象人们提出了重力势能的概念，将过程量功表达为仅取决于高度的势能函数在不同高度的函数值之差。类似可以定义一个仅取决于系统状态的函数，将过程量绝热功表为该函数在不同状态的函数值之差。这个被定义的函数，就称为内能。

热机定律

(1)定义或解释

转变为有用功的热量跟燃料燃烧时放出的热量的比叫做热机的效率，也叫热机的有效效率。通常用百分数来表示。

(2)说明

①凡是能够利用燃料燃烧时放出的能来做机械功的机器就叫做热机。

②热机在工作过程中，发热器(高温热源)里的燃料燃烧时放出的热量并没有全部被工作物质(工质)所吸收，而工质从发热器所得到的那部分热量也只有一部分转变为机械功，其余部分随工质排出，传给冷凝器(低温热源)。工质所作的机械功中还有一部分因克服机件摩擦而损失。根据热机的工作特点，下面对热机中热量的利用和损耗情况作一说明。

二、热力学第二定律

1.开尔文表述(从排除理想热机效率η=100%出发)：

不可能制成一种“循环动作”的热机，只从“单一热源”吸取热量，使之“完全”变为有用功，而“其他物体不发生任何变化”。在这一表述中，务必要注意“循环动作”、“单一热源”、“完全”、“其他物体不发生任何变化”等这些用语。

2.克劳修斯表述(从排除理想致冷机出发)

热量不可能“自动地”从低温物体传向高温物体。在这一表述中，务必注意“自动地”这一修饰词。可以证明开尔文表述和克劳修斯表述是等价的。热力学第二定律本质上是一条统计规律，它指出：一般说来，一个不受外界影响的封闭系统，其内部发生的过程，总是由几率小的状态向几率大的状态进行;由包含微观状态数目少的宏观状态向包含微观状态数目多的宏观状态进行。

由于热力学第二定律从本质上讲是一条统计规律，因此，对少量分子组成的系统是不适用的。另外热力学第二定律是确立在有限的时空观点上的，不能无限外推。

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