第1章 分子热运动、内能与比热容
刚走进家门，还没看见厨房里的饭菜，你已经闻到了香味；把一小滴红墨水轻轻滴进清水，即使不搅拌，过一会儿整杯水也会慢慢变色；同在太阳下晒一阵，沙地烫脚，湖水却仍较凉。这些现象看起来各不相同，背后却连着同一条线索：物质内部的微粒一直在运动，能量也在转移和改变。
本章不急着背公式。我们先追问“香味为什么能跑过来”，再弄清“物体内部储存着怎样的能量”，最后才回答“为什么同样加热，不同物质升温不同”。
1. 看不见的运动，留下了看得见的证据
物质由分子、原子等微观粒子构成。初中阶段常把构成物质的微粒统称为“分子”来建立模型。分子小到不能用普通光学显微镜直接看清，但宏观现象能为它们的运动提供证据。
打开香水瓶后，香水中挥发出的有气味分子从浓度较大的瓶口附近逐渐分散到周围空气中；墨水滴入清水后，构成墨水和水的微粒彼此进入对方。这种不同物质相互接触时，彼此进入对方的现象叫扩散。扩散可以发生在气体和液体中，固体之间也能发生，只是通常慢得多。
先想一想：把相同的一滴色液分别滴入等量冷水和热水，不搅拌，哪一杯先变得比较均匀？通常是热水，但这个宏观现象还可能叠加液体对流，比较时应尽量控制扰动与对流影响。温度越高，分子的无规则运动越剧烈，扩散往往越快。因此，分子永不停息地做无规则运动，这种运动跟温度有关，也叫分子的热运动。
下面的模拟把真实分子放大成彩色点。先预测，再选择冷热条件并开始观察。注意：彩色点只是帮助思考的模型，不能把它当成真实分子的大小、颜色或运动轨迹。
闻到气味说明有气味分子到达鼻腔，不是“鼻子发出吸力”，也不是整团气味沿直线飞来。扩散不是只由重力造成的宏观流动；用风扇吹香味时还叠加了空气整体流动，不能只用扩散解释。
2. 分子为什么不会散光，也不能随便挤在一起
既然分子不断运动，桌子为什么不会自行散开？两块铅柱的端面刮平并紧紧压在一起，有时能结合起来，说明分子间存在引力。固体和液体很难被压缩，又提示分子靠得很近时存在斥力。
配图校注：左栏的“压力占主导”应为“斥力占主导”。分子靠得很近时，是分子间斥力的作用表现得更明显；学习时以正文表述为准。
分子间的引力和斥力是同时存在的。间距处于正常位置附近时，两种作用相互制约，使固体能够保持一定形状；挤得过近，斥力表现得很明显；拉得较远，引力曾经占主要作用，但距离大到一定程度后，分子间作用就很弱了。
这也解释了一个常见疑问：摔断的粉笔直接对上为什么不会自动接好？肉眼看似平整的断面其实凹凸不平，还有灰尘，真正达到分子作用范围的部位极少。胶水能粘接，依靠的是胶黏剂填入缝隙后与两侧材料产生作用，不能简单说成“断面分子重新长到一起”。
3. 物体内部也有一笔“能量账”
运动的篮球有动能，被举高的篮球有重力势能。把视线转向物体内部：分子不停地运动，具有分子动能；分子之间有相互作用，彼此的相对位置改变时还涉及分子势能。物体内所有分子热运动的动能与分子势能的总和，叫作物体的内能。
一杯热水有内能，一块冰也有内能；静止在地面上的铁球，机械能可以选为零，但它的分子仍在运动，仍有内能。内能和机械能描述的对象不同：机械能与物体整体的运动、位置或形变有关，内能关注物体内部大量分子的运动和相互作用。
物体温度升高时，分子热运动更剧烈，内能通常增大；同种物质温度相同时，质量较大的物体含有的分子更多，内能通常更大；物质种类和状态改变，内能也可能改变。所以，不能只看温度就断定两个物体内能谁大。
改变内能的两条路
冬天用热水袋暖手，能量从温度较高的热水袋传向手，这是热传递。热传递发生的条件是物体之间或同一物体各部分之间存在温度差，能量总是自发地从高温部分传向低温部分，直到温度差减小或消失。热传递过程中转移的能量叫热量，符号常用 ，单位是焦耳，简称焦，符号是 。
反复弯折铁丝，弯折处会发热；双手快速摩擦，手会变暖；用打气筒快速压缩空气，筒内空气温度可能升高。这些过程中没有依靠温度差从外界“送来热量”，而是外界对物体做功，使物体内能增加。物体对外做功时，内能也可能减少。
热传递和做功都能改变内能，效果上可以相同，但过程不同：热传递是能量从高温物体转移到低温物体；做功是内能与其他形式能发生转化。
在交互中先判断每个情境属于哪条路径，再操作加热、摩擦或压缩。重点盯住能量怎样进入研究对象，而不是只盯着“最后变热了”。
温度、内能、热量不能混用。温度表示冷热程度；内能是物体具有的能量；热量只描述热传递过程中转移了多少能量。可以说“这杯水内能较大”“水吸收了热量”，不能说“这杯水含有很多热量”。
还要留意“升温”不是内能增大的唯一表现。晶体熔化时会吸热，在熔化过程中温度可能暂时不变，但状态改变，内能仍然增加。因此，“物体吸热，温度一定升高”是错误的；反过来，物体温度升高也未必是吸热，可能是外界做功。
4. 同样加热，为什么升温不同
把质量相同、初温相同的水和食用油放进相同容器，用功率相同的加热器加热相同时间。若散热等影响近似相同，可以认为它们吸收的热量相同，但温度升高往往不同。这说明物质吸收热量与升温之间的关系，不仅取决于质量和温度变化，还取决于物质种类。
怎样把比较做公平
实验研究的是“不同物质的吸热能力”，因此物质种类要改变，其他重要条件要控制：水和油的质量相同，不是体积相同；初温尽量相同；使用相同容器和相同加热器；温度计位置一致；加热过程中适当搅拌，使液体温度较均匀，并在相同环境中完成实验。
我们不能直接用普通仪器测出液体吸收的热量，常用加热时间作替代量。相同加热器在正常工作时，加热时间越长，放出的热量越多。这里隐含的前提是两个装置的加热功率和热损失情况相近。
比较方法有两种：一是加热相同时间，也就是近似吸收相同热量，观察谁的温度变化小，谁的吸热能力强；二是让两种物质升高相同温度，观察谁需要加热更久，谁吸收的热量更多、吸热能力更强。
进入模拟实验后，先保持质量、初温和加热功率相同，只改变物质；再故意改变质量，看看为什么“不控制变量”会让结论失去说服力。
5. 比热容：物质吸热能力的“性格”
一定质量的某种物质，温度升高得越多，吸收热量越多。实验还表明，同种物质升高相同温度，质量越大，吸收热量越多。综合这些关系，我们用比热容描述不同物质的吸热能力。
某种物质温度升高时吸收的热量与它的质量和升高的温度之乘积的比，叫这种物质的比热容，用 表示。单位是焦每千克摄氏度，写作 。
水的比热容是 。它表示：质量为 的水温度升高 ，吸收的热量是 。若降低 ，在物态不变等条件下会放出同样多的热量。
比热容是物质的一种特性。同种物质在状态一定时，比热容一般不随质量和温度变化量改变；不同物质比热容通常不同。不能因为“一大桶水吸热多”就说它的比热容比“一小杯水”大，两者都是水，比热容相同。
热量计算
物态不变时，物体温度升高所吸收的热量可写成
温度降低时放出的热量可写成
式中 要用千克， 表示温度变化量，不是末温。升温时用“末温减初温”，降温时用“初温减末温”，这样取正的温度变化量来计算吸收或放出热量的多少。
例题 质量为 的水从 加热到 ，水吸收多少热量？
先确认物质没有发生物态变化，查得水的比热容 ，质量已经是千克。
把公式当成“能量账本”会更容易检查：质量越大、比热容越大、温度变化越大，需要转移的热量越多。若算出的结果反而更小，就应回头检查单位和温差。
水的比热容为什么格外重要
质量相同的水与许多常见物质相比，吸收相同热量时温度变化较小；降低相同温度时，水又能放出较多热量。因此汽车发动机常用水或以水为主要成分的冷却液带走热量，冬天的热水袋也能在较长时间内放热。沿海地区受海水调节，昼夜温差通常比同纬度内陆小；株洲湘江和城市水体也会对附近小范围气温变化产生一定缓和作用，但天气还受风、地形、云量等多种因素影响，不能只由比热容一个因素决定。
“吸热能力强”不是说水会自动比别的物质吸收更多热量，而是说在质量和温度变化相同的条件下，水需要吸收更多热量；或者在质量和吸收热量相同的条件下，水的温度变化较小。比较时一定要说清控制了哪些量。
先估计，再计算
热量题最容易丢掉的并不是乘法，而是物理量的含义。动笔前可以做三次检查。先看过程：研究对象是在升温还是降温，有没有熔化、沸腾等物态变化；本章公式适用于物态不变时的升温或降温。再看单位：克要换成千克，例如 ；温差用摄氏度作单位即可。最后看数量关系：其他条件相同，比热容较大的物质升高相同温度应吸收更多热量，算出的大小关系必须符合这个直觉。
若高温物体和低温物体放在一起，能量从高温物体传向低温物体。忽略容器吸热和向外界散热时，高温物体放出的热量等于低温物体吸收的热量。这个关系不是新公式，而是同一笔能量在两个研究对象账本上的“一出一进”。真实保温杯也会散热，所以实验测量值常与理想计算不同，不能把误差简单归咎于“公式不准”。
例如，一杯热水和一杯冷水混合后，末温应在两者初温之间。若计算得到末温比原来的热水还高，或者比原来的冷水还低，说明温差方向、质量单位或能量关系至少有一处写错。先用生活经验圈定合理范围，再列式，能及时发现许多低级错误。
实验数据也要这样复核。若水和油加热曲线出现轻微波动，不应只挑一个点下结论，而要观察整体趋势；若某次读数明显偏离，可检查温度计是否碰到容器底、是否充分搅拌、读数时间是否一致。科学结论来自可重复的证据，而不是“刚好支持猜想”的一个数字。
6. 把整章连成一条因果链
扩散让我们看到分子无规则运动留下的宏观证据，温度越高，分子热运动越剧烈。分子还同时受到引力和斥力。分子的运动与相互作用，使物体具有内能。热传递可以转移内能，做功可以使内能与其他形式能相互转化。不同物质在质量和温度变化相同时，吸收或放出的热量不同，比热容把这种差别定量地表示出来，热量公式则帮助我们把能量变化算清。
学到这里再看常见考试题，会发现它们大多不是考孤立名词，而是在问三件事：现象能证明什么，实验怎样公平比较，公式中的每个量是否找对。尤其要守住三条界线：扩散不等于物质整体流动；热量不是物体“含有”的东西；温度变化量不等于末温。
课后练习
1. 概念选择
下列现象中，最能说明分子在不停地做无规则运动的是（ ）。
A. 春天柳絮飞舞 B. 擦黑板时粉笔灰落下 C. 打开醋瓶后闻到酸味 D. 河水向低处流
2. 分子作用力
把两块表面干燥的玻璃直接靠在一起，它们通常不会牢固粘住；把两块端面刮得很平的铅柱用力压紧，却可能结合起来。怎样解释这种差别？
3. 温度、内能与热量辨析
判断下列说法是否正确，并说明理由：①温度为 的冰没有内能；②物体温度升高，一定吸收了热量；③物体吸收热量，内能一定增加；④热量可以从高温物体传向低温物体。
4. 改变内能的方式
指出下列过程主要通过哪种方式改变研究对象的内能：①炉火把锅烧热；②锯木头时锯条发烫；③热水袋使手变暖；④迅速压缩打气筒内的空气，空气温度升高。
5. 实验探究
小明用相同电加热器给质量相同的水和食用油加热，记录如下：
（1）实验还应尽量保证哪些条件相同？（2）根据数据能得到什么结论？（3）若两种液体升高相同温度，怎样比较它们吸收的热量？
6. 基础计算
质量为 的水从 升高到 ，水吸收多少热量？取 。
7. 放热计算
质量为 的热水从 降到 ，放出多少热量？这些热量若全部被另一个物体吸收，那个物体吸收的热量是多少？
8. 情境与反求
某种液体质量为 ，吸收 热量后，温度从 升高到 。忽略热损失，求这种液体的比热容，并判断它的吸热能力比水强还是弱。