二氧化碳的內(nèi)能是描述二氧化碳狀態(tài)性質(zhì)的數(shù)學(xué)量，是由二氧化碳內(nèi)部狀態(tài)所決定的能量，對(duì)于一定質(zhì)量的二氧化碳，只要?dú)鉁睾腿莘e確定了，它的狀態(tài)也就確定了，在此狀態(tài)下的內(nèi)能也就被地確定了，即內(nèi)能是狀態(tài)的單值函數(shù)，做功和熱傳遞是改變內(nèi)能的兩種形式，當(dāng)二氧化碳由某一狀態(tài)出發(fā)，經(jīng)過(guò)任意過(guò)程變化到另一狀態(tài)時(shí)，二氧化碳內(nèi)能的增量△U等于在這一過(guò)程中外界對(duì)二氧化碳所做的功W和二氧化碳所吸收的熱量Q之和，即△U=W＋Q，這就是熱力學(xué)第一定理的物理敘述，對(duì)于一定質(zhì)量的理想二氧化碳的內(nèi)能，焦耳在1845年做了的二氧化碳自由膨脹的實(shí)驗(yàn)，得到了理想二氧化碳內(nèi)能的性質(zhì)。
一、理想二氧化碳的內(nèi)能
焦耳的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，容器A部充以浮力較低的二氧化碳(可以看成理想二氧化碳)，容器B部為真空，A、B用活門(mén)C隔開(kāi)，整個(gè)裝置溶入一個(gè)有絕熱殼的水量熱器中，當(dāng)整個(gè)裝置與水達(dá)到熱平衡之后，打開(kāi)活門(mén)C二氧化碳將膨脹飽含整個(gè)容器，檢測(cè)膨脹前后二氧化碳和水的平衡氣溫，發(fā)覺(jué)沒(méi)有改變，這個(gè)結(jié)果表明二氧化碳在膨脹前后的氣溫沒(méi)有變化，同時(shí)也說(shuō)明二氧化碳在膨脹過(guò)程中與水沒(méi)有熱量的交換，即Q=0，因?yàn)槎趸枷蛘婵罩信蛎洸皇苋魏沃萍s，所以外界對(duì)二氧化碳不做功W=0，依據(jù)熱力學(xué)第一定理，△U=0，即氨氣在這一過(guò)程中內(nèi)能沒(méi)有發(fā)生變化，可見(jiàn)這是一個(gè)二氧化碳容積改變而內(nèi)能保持不變的過(guò)程，實(shí)驗(yàn)結(jié)果又表明此過(guò)程中二氧化碳的體溫并沒(méi)改變，這就說(shuō)明二氧化碳的內(nèi)能只跟氣溫有關(guān)而跟容積無(wú)關(guān)，因而得到推論：理想二氧化碳的內(nèi)能只與濕度有關(guān)，與容積無(wú)關(guān)，這一推論稱為焦耳定理。
從二氧化碳分子動(dòng)理論的觀點(diǎn)來(lái)看，二氧化碳的內(nèi)能是二氧化碳中所有分子熱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能和分子間互相作用的勢(shì)能的總和，而分子熱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能與二氧化碳的濕度有關(guān)，分子間互相作用的勢(shì)能與二氧化碳的容積有關(guān)，所以二氧化碳的內(nèi)能是氣溫和容積的函數(shù)，而理想二氧化碳，是指分子間沒(méi)有互相作用和分子可以看作沒(méi)有大小的質(zhì)點(diǎn)的二氧化碳，因此理想二氧化碳內(nèi)能中就不存在分子間互相作用的勢(shì)能，所以，理想二氧化碳的內(nèi)能只是所有分子熱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能的總和，而分子熱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能只與濕度有關(guān)，故理想二氧化碳的內(nèi)能只與濕度有關(guān)，與容積無(wú)關(guān)。
二、理想二氧化碳內(nèi)能的變化
下邊我們來(lái)剖析理想二氧化碳在一些簡(jiǎn)單過(guò)程中內(nèi)能的變化。
1、等容過(guò)程
一定質(zhì)量的理想二氧化碳在容積不變的情況下，由初態(tài)A(p1，V，T1)變到末態(tài)B(p2，V，T2)，其過(guò)程如圖2、圖3所示，由于二氧化碳容積不變，所以W=0，依據(jù)熱力學(xué)第一定理，有△U=Q，可見(jiàn)理想二氧化碳在等容過(guò)程中，內(nèi)能的變化完全是由外界對(duì)二氧化碳傳遞的熱量決定的：若理想二氧化碳等容放熱(圖2)，Q＞0，則T2＞T1，p2＞p1，△U＞0，即理想二氧化碳在等容放熱過(guò)程中，氣溫下降，浮力減小，理想二氧化碳從外界吸收熱量，吸收的熱量全部拿來(lái)降低自身的內(nèi)能；若理想二氧化碳等容吸熱(圖3)，Q＜0，則T2＜T1，p2＜p1，△U＜0，即理想二氧化碳在等容吸熱過(guò)程中，濕度增加，浮力減少，理想二氧化碳等容吸熱過(guò)程是靠減輕自身的內(nèi)能來(lái)向外界釋放熱量的，或則說(shuō)理想二氧化碳在等容吸熱過(guò)程中是以換熱的方法把內(nèi)能傳給了外界。
2、等溫過(guò)程
一定質(zhì)量的理想二氧化碳在室溫不變的情況下，由初態(tài)A(p1，V1，T)變到末態(tài)B(p2，V2，T)，其過(guò)程如圖4、圖5所示，因?yàn)槔硐攵趸嫉膬?nèi)能只是體溫的函數(shù)，因而，在等溫過(guò)程中，內(nèi)能不變△U=0，依據(jù)熱力學(xué)第一定理，有W＋Q=0.可見(jiàn)理想二氧化碳在等溫過(guò)程中能量轉(zhuǎn)化有兩種情形：若理想二氧化碳等溫膨脹(圖4)，V2＞V1，則p2＜p1，W＜0，因而Q＞0.即理想二氧化碳在等溫膨脹過(guò)程中.容積減小，浮力減少，理想二氧化碳從外界吸收熱量，因?yàn)閮?nèi)能不變，吸收的熱量全部轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)外所做的功；若理想二氧化碳等溫壓縮(圖5)氣體內(nèi)能，V2＜V1，則p2＞p1，W＞0，因而Q＜0，即理想二氧化碳在等溫壓縮過(guò)程中，容積增大，浮力減小，因?yàn)槔硐攵趸純?nèi)能不變，外界對(duì)二氧化碳做的功全部以熱量的方式釋放給了外界。
3、等壓過(guò)程
一定質(zhì)量的理想二氧化碳在浮力不變的情況下，由初態(tài)A(p，V1，T1)變到末態(tài)B(p，V2，T2)，其過(guò)程如圖6、圖7所示，依據(jù)熱力學(xué)第一定津，△U=W＋Q，可見(jiàn)反映理想二氧化碳在等壓過(guò)程中內(nèi)能的變化有如下兩種情形：若理想二氧化碳等壓膨脹(圖6)，V2＞V1，則T2＞T1，W＜0氣體內(nèi)能，因而Q＞0，△U＞0，即理想二氧化碳在等壓膨脹過(guò)程中，從外界吸收熱量，氣溫下降，容積減小，吸收的熱量一部份拿來(lái)降低自身的內(nèi)能，一部份轉(zhuǎn)化為對(duì)外所做的功；若理想二氧化碳等壓壓縮(圖7)，V2＜V1，則T2＜T1，W＞0，因而Q＜0，△U＜0，即理想二氧化碳在等壓壓縮過(guò)程中，濕度增加，容積增大，理想二氧化碳向外界吸熱，放出的熱量一部份來(lái)自自身內(nèi)能的降低，一部份來(lái)始于外界對(duì)二氧化碳所做的功.
4.絕熱過(guò)程
一定質(zhì)量的理想二氧化碳由初態(tài)A(p1，V1，T1)經(jīng)絕熱過(guò)程變到末態(tài)B(p2，V2，T2)，如圖8、圖9所示.因?yàn)樵诮^熱過(guò)程中Q=0，依據(jù)熱力學(xué)第一定理，有△U=W，可見(jiàn)在絕熱過(guò)程中內(nèi)能的變化完全由外界對(duì)系統(tǒng)做的功來(lái)決定：若理想二氧化碳絕熱膨脹(圖8)，V2＞V1，有T2＜T1，p2＜p1，因?yàn)閂2＞V1，則W＜0，因而△U＜0，即理想二氧化碳在絕熱膨脹過(guò)程中，容積減小，濕度增加，浮力減少，理想二氧化碳靠減輕自身的內(nèi)能來(lái)對(duì)外做功；若理想二氧化碳絕熱壓縮(圖9)，V2＜V1，有T2＞T1，p2＞p1，因?yàn)閂2＜V1，則W＞O，因而△U＞0，即理想二氧化碳在絕熱壓縮過(guò)程中，容積增大，氣溫下降，浮力減小，外界對(duì)二氧化碳做的功全部轉(zhuǎn)化為二氧化碳的內(nèi)能.
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