小狐狸皮皮的物理世界

曹远强

改变内能的方式

小狐狸皮皮正在看书，这时传来“啪嗒啪嗒”的声音，皮皮一看，原来是炉子上的水烧开了，水蒸气正顶得壶盖子动呢！

“爷爷，那壶盖之所以动，是不是内能在做功啊？”皮皮问狐狸爷爷。

“是啊！你真是善于动脑的孩子。利用内能做功的机器叫热机，比如汽车里面的内燃机。”狐狸爷爷说。

“小猴淘淘会开车，他应该知道内燃机，等明天见了他，我问一下，看他知不知道。爷爷，一个物体要增大或者减少内能该怎么做呢？”皮皮问道。

“改变内能有两种方式，一种是热传递，一种是做功。”狐狸爷爷回答说。

“热传递是什么意思？就是传递热吗？”皮皮接着问。

狐狸爷爷说：“热传递就是能量从温度高的物体转移到温度低的物体，或者从一个物体温度高的部分转移到温度低的部分，比如烧水，就是能量从火转移到水。再比如，暖瓶里的水逐渐向四周传递能量，它自身的内能不断减少，于是温度下降。”

“热传递能改变物体的内能，这一点很容易明白，那另外一种呢？”皮皮又问。

狐狸爷爷说：“另外一种方式是做功。对物体做功，物体内能增大;物体对外做功，物体的内能就会减少。对了，皮皮，你还记得那一年我们在叠翠山钻木取火的事吗？”

钻木取火

皮皮想起来了，那是两年前的事。当时，他们要点火取暖，可是没有打火机，也没有火柴，狐狸爷爷找了一块干燥的木材，用小刀在上面剜出了一个小坑，然后找来一根干燥的木棍，把木棍的一头放在小坑里，快速地来回转动木棍，最后取到了火种，燃起了篝火，顺利度过了那个寒冷的夜晚。

狐狸爷爷说：“钻木取火就是通过做功，增大接触面上木材的内能，达到着火点，从而取到火种。”

回忆起这件事情，皮皮很快就理解了“做功改变内能”。

狐狸爷爷说：“物体如果靠内能对外做了功，它的内能就会减少。”

皮皮说：“那物体的温度也会降低，对吗？”

狐狸爷爷说：“是的。晚上，我想休息了，我灌满暖水袋，暖一暖被窝，这就是利用了内能！”

皮皮笑着说：“您不只利用了内能，您还在利用热传递获得内能呢！”

狐狸爷爷夸赞道：“对啊！好啦，我们休息吧！”

皮皮说：“明天是星期天，小猴淘淘要来找我玩，我要问他汽车的心脏——内燃机是怎么工作的，看他知不知道！”

内燃机

星期天，小猴淘淘如约来找皮皮玩。皮皮说：“淘淘，我来考你一下。你开的汽车里面有热机，你知道热机是怎么工作的吗？”

小猴淘淘一脸惊奇，问道：“什么？热鸡！热鸡还能工作？”

狐狸爷爷笑了：“是‘热机不是‘热鸡，热机就是用内能做功的机器。”

小猴淘淘说：“您说的是发动机吧？我的汽车里面的是汽油发动机，是四缸的汽油发动机。”

皮皮问狐狸爷爷：“爷爷，您不是说汽车里的发动机是内燃机吗？”

狐狸爷爷说：“汽油发动机就是一种内燃机，还有一种内燃机是柴油发动机。”

皮皮说：“淘淘，你讲一讲汽油发动机是怎么工作的吧！”

陶陶挠挠头，说：“这就难为我了，还是请狐狸爷爷给我们讲讲吧！”

狐狸爷爷先画了草图，介绍了汽油发动机的基本结构，然后介绍了它工作的四个冲程，即吸气冲程、压缩冲程、做功冲程、排气冲程，并介绍了它们是如何循环往复，不断利用内能推动活塞做功的。

燃料的热值

皮皮问：“爷爷，汽油和柴油有什么不同？它们不都是从石油中提炼出来的吗？”

狐狸爷爷说：“其实煤油也是从石油中提炼出来的。由于提炼的工艺和精度不同，它们的热值有一些不同。”

小猴淘淘问：“什么是热值？”

狐狸爷爷说：“燃烧相同质量的不同燃料，如煤炭、干木柴、汽油、柴油、煤油、酒精等，放出的热量是不同的，这反映了燃料的优劣，热值越高越好。”

皮皮说：“我还是有些不懂，热量是什么？”

狐狸爷爷说：“热量可以理解为内能增加或减少的数量，比如在热传递过程中，高温物体放出热量，内能减少;低温物体吸收热量，内能增大。再比如，燃料燃烧，就会由化学能转化成内能，这个过程也可以叫放出热量。”

小猴淘淘说：“照您这么说，这个热值应该是能定量计算的，对吗？”

狐狸爷爷说：“对！燃料完全燃烧放出的热量与它质量的比值，叫作这种燃料的热值。也就是说，燃料的热值等于放出的热量除以所消耗燃料的质量。要注意的是，一定是完全燃烧。热值反映了这种燃料的特性，与燃料质量的多少没有关系，与燃料是否充分燃烧也没有关系。”

皮皮和小猴淘淘都摇头表示难以理解。

于是狐狸爷爷进一步举例解说。

狐狸爷爷说：“1000克汽油比500克汽油热值高，这句话对吗？”

小猴淘淘说：“不对。”

狐狸爷爷说：“燃烧过程中增大空气中的含氧量，让汽油燃烧更充分，可以提高汽油的热值，这样说对吗？”

小猴淘淘说：“对了。”

皮皮想了想，说：“不对，不对！热值定义的是充分燃烧，汽油没有充分燃烧时计算出的热值是不准确的，不能根据这时候的数据说它的热值少了。”

小猴淘淘想了想，说：“对，我错了，我还是对热值理解不够啊！不过，现在我明白了。”

物质的吸热本领

山下已经是春暖花开，山上依然寒风萧瑟。但由于海拔高，日照还是十分强烈。这天，皮皮和狐狸爷爷到翠湖边散步。不知不觉到了中午，爷孙俩坐在一块大石头上休息，大石头被晒得暖暖的，坐在上面十分舒服。这时，皮皮忽然有了一个问题，他问狐狸爷爷：“爷爷，刚才我去湖边玩水，感觉那水真凉啊，可这石头怎么这么暖和？它们都接受了一样的日照，怎么水温升不起来呢？”

狐狸爷爷说：“物质吸热的能力是不同的，相同质量的不同物质升高1℃，有的吸收热量多，有的吸收热量少，物质的这个特性是用比热容来表示的。”

“比热容？名字怪怪的。它是用来表示物质的吸热能力的吗？”皮皮問道。

“是的。比热容大的物质吸热能力强，放热能力也强。如果所有物质都降低1℃，那么比热容大的物质放热多。”狐狸爷爷说。

皮皮挠了挠头，说：“哎呀，这个概念不好理解呢！”

狐狸爷爷继续解释：“比热容表示的是，单位质量的某种物质，温度升高或降低1℃时吸收或放出的热量。”

皮皮问：“那水和石头的比热容是不同的喽？”

狐狸爷爷肯定地回答说：“不仅不同，相差还很大。水的比热容很大，而石头的很小。假如质量相同，吸收的热量相同，由于水的比热容大于石头的比热容，因此水温变化很小，而石头温度变化很大。”

狐狸爷爷的课堂

要改变物体的内能，可以采用两种方式：做功和热传递。

内能可以用来做功，利用内能做功的机器叫作热机，汽车的内燃机就是热机。

燃料燃烧会放出热量，各种燃料的热值不同。

各种物质的吸热本领也不同，物质的吸热本领用比热容表示。多水的地区冬暖夏凉，是因为水的比热容很大。

（编辑 乖乖隆地洞）