绚丽多彩的近义词：理想气体的内能及其变化

2020年11月21日发(作者：邱力行)
理想气体的内能及其变化
【编者按】焦耳在1845年做了著名的气体自由膨胀的
实验，得到了理想气体内能的性质。
气体的内能是描述气体状态性质的物理量，是由气体内部状
态所决定的能量，对于一定质量的气体，只要 温度和体积确
定了，它的状态也就确定了，在此状态下的内能也就被唯一
地确定了，即内能是状 态的单值函数，做功和热传递是改变
内能的两种方式，当气体由某一状态出发，经过任意过程变
化到另一状态时，气体内能的增量△U等于在这一过程中外
界对气体所做的功W和气体所吸收的热量Q之 和，即
△U=W+Q，这就是热力学第一定律的物理表述，对于一定质
量的理想气体的内能，焦 耳在1845年做了著名的气体自由
膨胀的实验，得到了理想气体内能的性质。
一、理想气体的 内能


焦耳的实验装置如图1所示，容器A部充以压强较低的气体
(可以看 成理想气体)，容器B部为真空，A、B用活门C隔开，
整个装置浸入一个有绝热壳的水量热器中，当整 个装置与水
达到热平衡以后，打开活门C气体将膨胀充满整个容器，测
量膨胀前后气体和水的平 衡温度，发现没有改变，这个结果
表明气体在膨胀前后的温度没有变化，同时也说明气体在膨
胀 过程中与水没有热量的交换，即Q=0，由于气体向真空中
膨胀不受任何阻碍，所以外界对气体不做功W =0，根据热力
第 1 页
学第一定律，△U=0，即气体在这一过程中内能没有发生变化，可见这是一个气体体积改变而内能保持不变的过程，实
验结果又表明此过程中气体的温度并没改 变，这就说明气体
的内能只跟温度有关而跟体积无关，因此得到结论：理想气
体的内能只与温度 有关，与体积无关，这一结论称为焦耳定
律。
从气体分子动理论的观点来看，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的总和，而分子热
运动的动能与气体的温度 有关，分子间相互作用的势能与气
体的体积有关，所以气体的内能是温度和体积的函数，而理
想 气体，是指分子间没有相互作用和分子可以看作没有大小
的质点的气体，因而理想气体内能中就不存在分 子间相互作
用的势能，所以，理想气体的内能只是所有分子热运动的动
能的总和，而分子热运动 的动能只与温度有关，故理想气体
的内能只与温度有关，与体积无关。
二、理想气体内能的变化


下面我们来分析理想气体在一些简单过程中内能的变化。

1、等容过程
一定质量的理想气体在体积不变的情况下，由初态A(p1，V，
T1 )变到末态B(p2，V，T2)，其过程如图2、图3所示，因
为气体体积不变，所以W=0，根据热 力学第一定律，有△U=Q，
可见理想气体在等容过程中，内能的变化完全是由外界对气
第 2 页
体传递的热量决定的：若理想气体等容吸热(图2)，Q0，则
T2T1，p2p1，△U 0，即理想气体在等容吸热过程中，温度升
高，压强增大，理想气体从外界吸收热量，吸收的热量全部< br>用来增加自身的内能;若理想气体等容放热(图3)，Q0，则
T2
2、等温过程< br>一定质量的理想气体在温度不变的情况下，由初态A(p1，V1，
T)变到末态B(p2，V2 ，T)，其过程如图4、图5所示，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
体在等温过程中能量转化有两种 情形：若理想气体等温膨胀
(图4)，V2V1，则p20.即理想气体在等温膨胀过程中.体积
增大，压强减小，理想气体从外界吸收热量，由于内能不变，
吸收的热量全部转变为对外所做的功;若 理想气体等温压缩
(图5)，V2p1，W0，因此Q0，即理想气体在等温压缩过程中，
体积 减小，压强增大，由于理想气体内能不变，外界对气体
做的功全部以热量的形式释放给了外界。
3、等压过程


一定质量的理想气体在压强不变的情况下，由初态A(p，V1，< br>T1)变到末态B(p，V2，T2)，其过程如图6、图7所示，根
据热力学第一定津，△U= W+Q，可见反映理想气体在等压过
程中内能的变化有如下两种情形：若理想气体等压膨胀(图
第 3 页
6)，V2V1，则T2T1，W0，因此Q0，△U0，即理想气体在等
压膨胀 过程中，从外界吸收热量，温度升高，体积增大，吸
收的热量一部分用来增加自身的内能，一部分转化为 对外所
做的功;若理想气体等压压缩(图7)，V20，因此Q0，△U0，
即理想气体在等压 压缩过程中，温度降低，体积减小，理想
气体向外界放热，放出的热量一部分来自自身内能的减少，一部分来源于外界对气体所做的功.
4.绝热过程


第 4 页