气体内能从气体分子动理论的角度分析气体的内能

气体的内能是描述气体状态性质的物理量，是由气体的内部状态决定的能量。对于一定质量的气体，只要确定了温度和体积，它的状态也就确定了，而这种状态下的内能也已经确定了，即内能是状态的单值函数，而做功和传热是改变内能的两种方式。当气体从某种状态开始经过任何过程转变为另一种状态时，气体内部的能量增量△U等于外界对气体所做的功W和气体吸收的热量Q之和在这个过程中，也就是△U=W+Q，这就是热力学第一定律的数学表达式。理想气体的内能，焦耳'

一、理想气体的内能

焦耳的实验装置如图1所示。容器的A部分充满了压力较低的气体（可视为理想气体），容器的B部分是真空的气体的内能，A和B之间用阀门C隔开, 整个装置浸入隔热外壳中。在水量热仪中，当整个装置与水达到热平衡时，打开阀门C，气体会膨胀并充满整个容器，测量膨胀前后气体和水的平衡温度，发现有不用找了。这一结果表明，膨胀前后气体的温度没有变化。，这也说明膨胀过程中气体和水之间没有热交换，即Q=0。由于气体膨胀到真空中不受阻碍，外界不对气体 W=0 做功。根据热力学第一定律，△U=0，即在此过程中气体的内能不变。可以看出，这是一个气体的体积发生变化而内能保持不变的过程。实验结果表明，在这个过程中，气体的温度并没有发生变化，也就是说，气体的内能只与温度有关，与体积无关，因此得出结论：内能理想气体的能量只与温度有关，与体积无关。这个结论被称为焦耳定律。在此过程中，气体的内能不变。可以看出，这是一个气体的体积发生变化而内能保持不变的过程。实验结果表明，在这个过程中，气体的温度并没有发生变化，也就是说，气体的内能只与温度有关，与体积无关，因此得出结论：内能理想气体的能量只与温度有关，与体积无关。这个结论被称为焦耳定律。在此过程中，气体的内能不变。可以看出，这是一个气体的体积发生变化而内能保持不变的过程。实验结果表明，在这个过程中，气体的温度并没有发生变化，也就是说，气体的内能只与温度有关，与体积无关，因此得出结论：内能理想气体的能量只与温度有关，与体积无关。这个结论被称为焦耳定律。即气体气体的内能只与温度有关，与体积无关，因此得出理想气体的内能只与温度有关，与体积无关音量。这个结论被称为焦耳定律。即气体气体的内能只与温度有关，与体积无关，因此得出理想气体的内能只与温度有关，与体积无关音量。这个结论被称为焦耳定律。

从气体分子的动力学理论来看，气体的内能是气体中所有分子热运动的动能和分子间相互作用的势能之和，分子热运动的动能与气体的温度有关。势能与气体的体积有关，所以气体的内能是温度和体积的函数，理想气体是指分子间没有相互作用的气体，分子可以看作是没有大小的粒子，所以理想气体的内能是不存在的。分子间相互作用存在势能，所以理想气体的内能只是所有分子热运动的动能之和，

二、理想气体内能的变化

下面我们来分析一下理想气体在一些简单过程中内能的变化。

1、等容过程

吸收的热量全部用于增加自身的内能；T1，p2<p1，△U<0，即理想气体在等容放热过程中通过减少自身内能向外放热，温度降低，压力降低。换言之，理想气体在等容放热过程中，通过传热的方式将其内部能量传递给外界。

2、等温过程

一定质量的理想气体在恒温条件下由初始状态A(p1,V1,T)转变为最终状态B(p2,V2,T)，其过程如图4、图。5、由于理想气体的内能只是温度的函数，因此，在等温过程中，内能不变△U=0，根据热力学第一定律，有W+Q=< @0.可见理想气体在等温过程中的能量有两种情况发生转化：如果理想气体等温膨胀（图4)，V2>V1，则p2<p1， W<0，所以Q><@0.表示理想气体处于等温膨胀过程中，体积当压力升高时，压力降低，理想气体从外界吸热。由于内能保持不变，吸收的热量全部转化为外功；如果理想气体等温压缩（图5)气体的内能，V2<V1，则p2>p1，W>0，所以Q<0，即理想气体等温压缩过程中，体积减小由于理想气体的内能不变，外界对气体所做的功全部以热的形式释放到外界。由于理想气体的内能保持不变，外界对气体所做的功全部以热的形式释放出来。到外面的世界。由于理想气体的内能保持不变，外界对气体所做的功全部以热的形式释放出来。到外面的世界。

3、等压过程

@7)，V2<V1，则T2<T1，W>0，所以Q<0，△U<0，即等压压缩过程中，理想气体温度降低，体积减小，理想气体向外释放热量。完成工作。

4.绝热过程

一定质量的理想气体通过绝热过程从初始状态A(p1, V1, T1)到最终状态B(p2, V2, T2))，如图< @8、 图9 由于在绝热过程中Q=0，根据热力学第一定律，有△U=W，可见绝热过程中内能的变化完全由功决定外界对系统所做的：如果理想气体绝热膨胀（图8)，V2>V1，有T2<T1，p2<p1，因为V2>V1，所以W<0，所以△ U<0，即在绝热膨胀过程中，理想气体体积增加，温度降低，压力降低，理想气体通过减少自身内能做外功；如果理想气体被绝热压缩（如图。9)，V2<V1，T2>T1，p2>p1，由于V2<V1，则W>O，所以△U>0，即理想气体在绝热压缩过程中，体积降低，温度升高，压力升高，外界对气体所做的功全部转化为气体的内能。