机械能和内能

自然界中的能量有很多,诸如电能、内能、化学能、核能等。机械能是重力势能、弹性势能和动能的总称。


1.重力做功的特点

当物体上升或者下降时,重力就会对物体做功,重力所做的功对应着物体与地球之间能量的变化。如图所示,我们分别计算物体$m$沿不同路径从高度$h_1$运动至高度$h_2$时,重力做的功一样。

功:等于力×力的方向上的位移。

2.重力势能的定义

重力做功时,对应着物体能量的变化。这种能量是由于物体与地球之间存在引力作用,而该种引力(重力)做功又与路径无关,只与初、末位置有关,物体和地球间的这种由相对位置决定的能叫做重力势能。重力势能是物体和地球所共有的,为了叙述方便,可以说成是某一物体的重力势能。



弹性势能是指物体由于发生弹性形变而具有的能量,拉伸的橡皮筋、被拉伸或被压缩的弹簧都具有弹性势能。弹性势能用$E_P$表示,单位是焦耳。

如图所示,设弹簧在原长位置时的弹性势能为零。向右缓慢拉动弹簧时,弹簧的弹性势能的大小就等于弹簧克服拉力所做的功,也就是等于拉力对弹簧所做的功。由于拉力等于弹簧弹力,可画出拉力随弹簧形变量的关系,如图(b)所示,当弹簧形变为L时,图下方三角形的面积即为拉力所做的功:$W=\dfrac{1}{2}kL^2$,则弹簧的弹性势能为$E_P=\dfrac{1}{2}kL^2$,其中k为弹簧的劲度系数。



动能是指物体由于运动而具有的能量,大小等于质量与速率平方乘积的一半,即$E_K=\dfrac{1}{2}mv^2$,动能的单位是j(焦耳)。

注意动能公式中的“v”是指速度,当物体只是速度方向改变时,动能不变。



热传递是指热量从高温物体传到低温物体,或者从物体的高温部分传到低温部分的过程。热传递是自然界普遍存在的一种自然现象。只要物体之间或同一物体的不同部分之间存在温度差,就会有热传递发生,并且将一直继续到温度相同的时候为止。发生热传递的唯一条件是存在温度差,与物体的状态、物体间是否接触都无关。热传递的结果是温差消失,即物体达到相同的温度。

在热传递过程中,高温物体放出热量,温度降低,内能减少(确切地说是物体里的分子做无规则运动的平均动能减小),低温物体吸收热量,温度升高,内能增加。因此,热传递的实质就是能量从高温物体向低温物体转移的过程,这是能量转移的一种方式。热传递转移的是内能,而不是温度。

热传递有三种方式:热传导、热对流和热辐射。热传导实质是由物质中大量的分子热运动互相撞击,而使能量从高温物体传给低温物体,或由物体的高温部分传至低温部分的过程。在热传导的过程中,物质的分子并未迁移。热对流是发生在流体(液体和气体)中的一种热传递现象,流体中温度不同的各部分之间发生相对移动时所引起的热量传递的过程;流体内各部分温度不同时,会导致各部分密度不同,一般说来温度高,则密度小,温度低,则密度大,这样密度大小不同的各部分就会产生相对位移,从而使得热量发生转移。物体通过电磁波传递能量的过程称为辐射,热辐射是指物体的内能转化为电磁波的能量而进行的辐射过程。用辐射方式传递热,不需要任何介质,因此,辐射可以在真空中进行,地球上得到太阳的热就是太阳通过辐射的方式传来的。

热传递的快慢和多种因素有关,比如物体的温差、物质种类、接触面积等。