第八章 分子热运动与内能（包括热机）
小时候听评书，经常听到这么一句“盐打哪儿咸，醋打哪儿酸”，说的是啥事儿都得有个原因。那我们前面说了很多关于冷热的东西，那冷热到底是怎么一回事儿呢？别急，我们还得先来认识一下这个世界。
我们这个世界是由物质组成的。这一点毋庸置疑了。那物质又是由什么组成的呢？首先得说是分子，那分子是由什么组成的呢？是原子。原子里面又有什么呢？有电子和原子核，原子核里面有质子和中子。质子和中子还能再进一步分开吗？还能。咱们就不扯那么远了。回到物质组成这件事儿上，有些物质是由原子直接组成的，比如金属。不过呢，那些都是化学课的内容了。在物理这块儿，特别是在初中物理的内容里，只考虑分子这个结构单元。
物理书上有这么一句话：一切物质的分子都在不停地做无规则的运动，这种无规则的运动叫做分子的热运动。什么叫无规则的运动？就是瞎跑。分子们都在瞎跑。温度越高，分子做无规则运动的速度越大。你可以通俗的理解为，热的时候，分子们跑得更欢了。所以这种无规则的运动就叫分子的热运动。说到这儿你该奇怪了。要是说分子都各自为政到处乱跑，那为啥桌子啊椅子啊水杯啊，都老老实实待在这儿没动呢？哎，我们就得从分子热运动这个角度来解释一下固态液态气态的问题了。
咱们前面说了，物质有固液气三态，能在三态间相互转化。这个转化过程，就是分子热运动的模式在发生改变。分子和分子之间，是有作用力的。而且好玩的是，分子和分子之间，既有引力，也有斥力。简化点儿说呢，当两个分子距离越来越远的时候，引力和斥力都会减小。如果越来越近呢，那引力和斥力都会增大。那到底是引力大还是斥力大呢？这里边开始有区别了。虽然距离变小了，这两个力都在增大，但是，斥力比引力增加得要快。那要是两个分子彼此远离呢？那斥力的减小也比引力要快。也就是说，同样的距离变动，斥力的变化比引力的变化要大。所以，当两个分子处在一个特定的距离时，它们之间的引力和斥力正好相等。这是引力和斥力的平衡位置。对于固体来说，分子间的距离很小，作用力很大。分子在平衡位置附近做着无规则的振动。所以固体有固定的形状。而且因为分子在平衡位置附近，如果被压缩，那分子就会彼此接近，这时候分子间的斥力就开始大于引力，也就是说，表现出来的力就是斥力，抗拒着不让你压缩。所以固体很难被压缩。所以，固体有一定的形状和体积。那气体呢？气体分子间的距离太大了，以至于引力和斥力都可以忽略不计。所以气体分子可以在能达到的空间里自由飞行。所以气体没有一定的形状和体积。液体的分子结构比较像固体的，所以液体也很难压缩，但是液体又可以流动。而且，正是因为分子的热运动，所以两种气体放在一起，就会彼此进入对方，这个过程叫做扩散。同样的，液体与液体之间也会发生扩散。甚至于，固体与固体之间也会扩散，只不过会慢很多。物理书上一般会用打磨光亮的两块铅来做演示。稍作挤压后，两块铅就像是被粘在了一起。这就是因为彼此的原子通过扩散进入了对方，这种现象也叫做“冷焊”。在前不久神州十二号的新闻里面，科学家们提到了一个突破，就是解决这个问题的。因为神州十二号飞船要和天和空间站保持对接状态三个月，对接装置的金属接触面就会出现“冷焊”导致的粘连，这样不利于将来解锁脱离。科学家们对这个接触面做了处理，简单说，也就是阻隔了上面说的扩散现象。
说到这儿，固液气三态的变化其实也就大致上弄明白了。熔解的过程就是固体的分子运动加快，脱离了原有的位置，但是又不会跑太远，于是变成了液体。汽化呢，就是液体里的分子们干脆放飞自我，变成了气体。升华更直接，固体的分子直接跑掉了。现在初中课本在不断降低难度，所以这个也就不再展开说了。
以前在机械能那段说过动能和势能，那分子们运动得这么活跃，它们有什么能量吗？有。首先，运动的分子具有动能，温度越高，分子热运动的速度也就越快，它们的动能也就越大。其次呢，分子之间有类似于弹簧形变时候的相互作用力，所以分子也具有势能，这个叫做分子势能。物理书上有这样一个定义，构成物体的所有分子，其热运动的动能与分子势能的总合，叫做物体的内能。内能是能，所以单位还是焦耳。内能是不同于机械能的另一种形式的能。一切物体都具有内能。温度升高，内能增加，温度降低，内能减少。
热是可以传递的。冬天的时候，北方的房间里一般都有暖气，暖气散热片会让整个房间都变得暖和起来。这个过程就是热传递。热传递就是内能从一个物体转移到其他物体的过程。那除了热传递，还有没有其他改变内能的方法了？有，那就是做功。无论是摩擦，还是对气体进行压缩或者使它膨胀，这都是在做功，都会带来物体内能的改变。做功的过程中，内能和其他形式的能相互转化。
在这儿，我们要学一个很重要很重要的定律了，能量既不会凭空消灭，也不会凭空产生。它只会从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到其他物体，而在转化和转移的过程中，能量的总量保持不变。这就是能量守恒定律。所以啊，永动机是不可能存在的。为啥不能存在呢？你自己想。
刚才说了，做功可以改变物体的内能。反过来呢，内能也可以用来做功。物理书上喜欢用瓶塞来举例子。怎么回事儿呢？就是灌了热水的试管，把那个瓶塞轻轻塞上，然后给试管加热，过一会儿，砰的一声，瓶塞飞出来了。这是为什么呢？随着不断加热，试管里水不断蒸发，试管里的气压不断变大，于是就把瓶塞给顶出来了。瓶塞呢，增加了不少动能。这个就是试管里的空气对它做功的结果。在这个例子里，空气的一部分内能转化为瓶塞的机械能。有很多机器在做着类似的工作。人们制造了各种利用内能做功的机械，它们叫做热机。热机的种类很多，蒸汽机，内燃机，汽轮机等等。咱们学物理的时候，主要接触的是内燃机。内燃机是让燃料在发动机的气缸内燃烧，生成高温高压的燃气，利用这个燃气作为工作物质去推动活塞做功，以此产生动力的热机。内燃机又分为汽油机和柴油机。它们在工作的时候，活塞在气缸里往复运动，活塞从气缸的一端运动到另一端叫做一个冲程。
四冲程汽油机的工作过程是由吸气、压缩、做功、排气四个冲程组成的。汽油机工作时这四个冲程循环不停，所以把这四个冲程叫做一个工作循环。每一个循环，活塞往复两次，曲轴转动两周。在吸气冲程中，活塞向下，气缸的空间陡然增大，里面压强变小，进气门打开，汽油和空气的混合物就被吸进来。等活塞往下走到头，它又返回来压缩气缸里面的混合气体。这个就是压缩冲程。这段时间里，活塞对气体做功，混合气体的温度上升。当活塞走到最上头，又要开始往下的时候，气缸上面的火花塞冒出电火花，点燃了已经被压缩和升高温度的汽油空气混合物。这个混合物剧烈燃烧，温度进一步升高，压强也一下子变大，于是推着活塞再次向下，这个过程就是对外输出动力的做功冲程。当这个冲程结束，活塞再次上升，把气缸里面的废气排出去，然后将开始下一次的循环。在这四个冲程中，只有做功冲程对外做功。
柴油机的每一个工作循环也是由吸气、压缩、做功、排气四个冲程组成的。柴油机的特点是不用火花塞来点火。它在压缩冲程的终点那一刻，已经使气缸里面空气的温度已经超过柴油的燃点，这时候从喷油嘴喷出来的雾状柴油遇到热空气马上就燃烧起来了。燃烧产生的高温高压气体再推动活塞做功。其他方面，柴油机的工作原理和汽油机是类似的。一般来说，柴油机比汽油机的动力要强劲很多，但是噪音和震动也比较大。这兄弟俩算是各有利弊吧。
以前说简单机械的时候说过一个机械效率。现在说到了能的转化，自然就有个转化的效率。我们先来认识一个名词：热值。热值就是某种燃料完全燃烧放出的热量与其质量之比。在数值上呢，等于1kg这种燃料完全燃烧放出的热量。所以热值的单位是J/kg，就是焦耳每千克。
在热机里，用来做有用功的那部分能量跟燃料完全燃烧所放出的能量之比，叫做热机的效率。一般来说，蒸汽机的效率比较低，内燃机的效率相对更高。而内燃机里面，柴油机的效率又比汽油机的高一些。热机的效率是热机性能的重要指标。效率越高越节能。另外，有时候还可以综合利用热机工作中产生的热量。比如把火力发电厂发电过程中产生的热量用到供暖系统。
