小狐貍皮皮的物理世界

曹遠強

改變內(nèi)能的方式

小狐貍皮皮正在看書，這時傳來“啪嗒啪嗒”的聲音，皮皮一看，原來是爐子上的水燒開了，水蒸氣正頂?shù)脡厣w子動呢！

“爺爺，那壺蓋之所以動，是不是內(nèi)能在做功啊？”皮皮問狐貍爺爺。

“是啊！你真是善于動腦的孩子。利用內(nèi)能做功的機器叫熱機，比如汽車里面的內(nèi)燃機。”狐貍爺爺說。

“小猴淘淘會開車，他應(yīng)該知道內(nèi)燃機，等明天見了他，我問一下，看他知不知道。爺爺，一個物體要增大或者減少內(nèi)能該怎么做呢？”皮皮問道。

“改變內(nèi)能有兩種方式，一種是熱傳遞，一種是做功。”狐貍爺爺回答說。

“熱傳遞是什么意思？就是傳遞熱嗎？”皮皮接著問。

狐貍爺爺說：“熱傳遞就是能量從溫度高的物體轉(zhuǎn)移到溫度低的物體，或者從一個物體溫度高的部分轉(zhuǎn)移到溫度低的部分，比如燒水，就是能量從火轉(zhuǎn)移到水。再比如，暖瓶里的水逐漸向四周傳遞能量，它自身的內(nèi)能不斷減少，于是溫度下降。”

“熱傳遞能改變物體的內(nèi)能，這一點很容易明白，那另外一種呢？”皮皮又問。

狐貍爺爺說：“另外一種方式是做功。對物體做功，物體內(nèi)能增大;物體對外做功，物體的內(nèi)能就會減少。對了，皮皮，你還記得那一年我們在疊翠山鉆木取火的事嗎？”

鉆木取火

皮皮想起來了，那是兩年前的事。當時，他們要點火取暖，可是沒有打火機，也沒有火柴，狐貍爺爺找了一塊干燥的木材，用小刀在上面剜出了一個小坑，然后找來一根干燥的木棍，把木棍的一頭放在小坑里，快速地來回轉(zhuǎn)動木棍，最后取到了火種，燃起了篝火，順利度過了那個寒冷的夜晚。

狐貍爺爺說：“鉆木取火就是通過做功，增大接觸面上木材的內(nèi)能，達到著火點，從而取到火種。”

回憶起這件事情，皮皮很快就理解了“做功改變內(nèi)能”。

狐貍爺爺說：“物體如果靠內(nèi)能對外做了功，它的內(nèi)能就會減少。”

皮皮說：“那物體的溫度也會降低，對嗎？”

狐貍爺爺說：“是的。晚上，我想休息了，我灌滿暖水袋，暖一暖被窩，這就是利用了內(nèi)能！”

皮皮笑著說：“您不只利用了內(nèi)能，您還在利用熱傳遞獲得內(nèi)能呢！”

狐貍爺爺夸贊道：“對啊！好啦，我們休息吧！”

皮皮說：“明天是星期天，小猴淘淘要來找我玩，我要問他汽車的心臟——內(nèi)燃機是怎么工作的，看他知不知道！”

內(nèi)燃機

星期天，小猴淘淘如約來找皮皮玩。皮皮說：“淘淘，我來考你一下。你開的汽車里面有熱機，你知道熱機是怎么工作的嗎？”

小猴淘淘一臉驚奇，問道：“什么？熱雞！熱雞還能工作？”

狐貍爺爺笑了：“是‘熱機不是‘熱雞，熱機就是用內(nèi)能做功的機器。”

小猴淘淘說：“您說的是發(fā)動機吧？我的汽車里面的是汽油發(fā)動機，是四缸的汽油發(fā)動機。”

皮皮問狐貍爺爺：“爺爺，您不是說汽車里的發(fā)動機是內(nèi)燃機嗎？”

狐貍爺爺說：“汽油發(fā)動機就是一種內(nèi)燃機，還有一種內(nèi)燃機是柴油發(fā)動機。”

皮皮說：“淘淘，你講一講汽油發(fā)動機是怎么工作的吧！”

陶陶撓撓頭，說：“這就難為我了，還是請狐貍爺爺給我們講講吧！”

狐貍爺爺先畫了草圖，介紹了汽油發(fā)動機的基本結(jié)構(gòu)，然后介紹了它工作的四個沖程，即吸氣沖程、壓縮沖程、做功沖程、排氣沖程，并介紹了它們是如何循環(huán)往復(fù)，不斷利用內(nèi)能推動活塞做功的。

燃料的熱值

皮皮問：“爺爺，汽油和柴油有什么不同？它們不都是從石油中提煉出來的嗎？”

狐貍爺爺說：“其實煤油也是從石油中提煉出來的。由于提煉的工藝和精度不同，它們的熱值有一些不同。”

小猴淘淘問：“什么是熱值？”

狐貍爺爺說：“燃燒相同質(zhì)量的不同燃料，如煤炭、干木柴、汽油、柴油、煤油、酒精等，放出的熱量是不同的，這反映了燃料的優(yōu)劣，熱值越高越好。”

皮皮說：“我還是有些不懂，熱量是什么？”

狐貍爺爺說：“熱量可以理解為內(nèi)能增加或減少的數(shù)量，比如在熱傳遞過程中，高溫物體放出熱量，內(nèi)能減少;低溫物體吸收熱量，內(nèi)能增大。再比如，燃料燃燒，就會由化學(xué)能轉(zhuǎn)化成內(nèi)能，這個過程也可以叫放出熱量。”

小猴淘淘說：“照您這么說，這個熱值應(yīng)該是能定量計算的，對嗎？”

狐貍爺爺說：“對！燃料完全燃燒放出的熱量與它質(zhì)量的比值，叫作這種燃料的熱值。也就是說，燃料的熱值等于放出的熱量除以所消耗燃料的質(zhì)量。要注意的是，一定是完全燃燒。熱值反映了這種燃料的特性，與燃料質(zhì)量的多少沒有關(guān)系，與燃料是否充分燃燒也沒有關(guān)系。”

皮皮和小猴淘淘都搖頭表示難以理解。

于是狐貍爺爺進一步舉例解說。

狐貍爺爺說：“1000克汽油比500克汽油熱值高，這句話對嗎？”

小猴淘淘說：“不對。”

狐貍爺爺說：“燃燒過程中增大空氣中的含氧量，讓汽油燃燒更充分，可以提高汽油的熱值，這樣說對嗎？”

小猴淘淘說：“對了。”

皮皮想了想，說：“不對，不對！熱值定義的是充分燃燒，汽油沒有充分燃燒時計算出的熱值是不準確的，不能根據(jù)這時候的數(shù)據(jù)說它的熱值少了。”

小猴淘淘想了想，說：“對，我錯了，我還是對熱值理解不夠啊！不過，現(xiàn)在我明白了。”

物質(zhì)的吸熱本領(lǐng)

山下已經(jīng)是春暖花開，山上依然寒風蕭瑟。但由于海拔高，日照還是十分強烈。這天，皮皮和狐貍爺爺?shù)酱浜吷⒉健２恢挥X到了中午，爺孫倆坐在一塊大石頭上休息，大石頭被曬得暖暖的，坐在上面十分舒服。這時，皮皮忽然有了一個問題，他問狐貍爺爺：“爺爺，剛才我去湖邊玩水，感覺那水真涼啊，可這石頭怎么這么暖和？它們都接受了一樣的日照，怎么水溫升不起來呢？”

狐貍爺爺說：“物質(zhì)吸熱的能力是不同的，相同質(zhì)量的不同物質(zhì)升高1℃，有的吸收熱量多，有的吸收熱量少，物質(zhì)的這個特性是用比熱容來表示的。”

“比熱容？名字怪怪的。它是用來表示物質(zhì)的吸熱能力的嗎？”皮皮問道。

“是的。比熱容大的物質(zhì)吸熱能力強，放熱能力也強。如果所有物質(zhì)都降低1℃，那么比熱容大的物質(zhì)放熱多。”狐貍爺爺說。

皮皮撓了撓頭，說：“哎呀，這個概念不好理解呢！”

狐貍爺爺繼續(xù)解釋：“比熱容表示的是，單位質(zhì)量的某種物質(zhì)，溫度升高或降低1℃時吸收或放出的熱量。”

皮皮問：“那水和石頭的比熱容是不同的嘍？”

狐貍爺爺肯定地回答說：“不僅不同，相差還很大。水的比熱容很大，而石頭的很小。假如質(zhì)量相同，吸收的熱量相同，由于水的比熱容大于石頭的比熱容，因此水溫變化很小，而石頭溫度變化很大。”

狐貍爺爺?shù)恼n堂

要改變物體的內(nèi)能，可以采用兩種方式：做功和熱傳遞。

內(nèi)能可以用來做功，利用內(nèi)能做功的機器叫作熱機，汽車的內(nèi)燃機就是熱機。

燃料燃燒會放出熱量，各種燃料的熱值不同。

各種物質(zhì)的吸熱本領(lǐng)也不同，物質(zhì)的吸熱本領(lǐng)用比熱容表示。多水的地區(qū)冬暖夏涼，是因為水的比熱容很大。

（編輯 乖乖隆地洞）