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高中物理选择性必修第三册 第三章：热力学定律 第1节: 功、热和内能的改变
第1节：功、热和内能的改变
导入新课
为什么棉花会被点燃，为什么试管中的水会沸腾？你能否解释这一现象？
观察实验并思考
简单介绍人们对功、热嗯哼内能的研究
19世纪30年代，人们逐渐认识到，为了改变系统的热力学状态，既可以向他传热，也可以做功。
1818年12月24日生于英国曼彻斯特 ，起初研究电学和磁学,从1840年开始，英国物理学家焦耳进行了多种多样的实验，以求精确测定外界对系统做功和传热对于系统状态的影响，以及功与热的相互关系（热功当量）。这项研究工作为热力学第一定律和能量守恒定律的建立奠定了坚实的实验基础。
焦耳的实验
实验1焦耳桨叶轮实验
用绝热性能良好的材料制作容器，容器中安装着叶片组成的搅拌器。重物下落时带动叶片转动，搅拌容器中的水，水由于摩擦而温度上升。
焦耳的实验
实验1焦耳桨叶轮实验
（1）研究对象——热力学系统：
容器中的水——封闭系统：与外界没有物质交换，但有能量交换。
（2）状态变化过程
绝热过程：系统状态变化过程中也不向外界放热。
（3）焦耳的多次实验测量结论
尽管各次悬挂重物的质量不同，下落的高度也不一样，但只要重力所做的功相同，容器内水温上升的数值都是相同的，即系统状态的变化是相同的。
焦耳的实验
实验2:焦耳的磁电机实验
发电机
重物
让正在下降的重物带动发电机发电，电流通过浸在液体中的电阻丝，由电流的热效应给液体加热，使液体温度上升。
实验结论：多次实验结果表明，对于同一个系统，如果过程是绝热的，那么不管通过电阻丝的电流或大或小、通电时间或长或短，只要所做的电功相等，则系统温度上升的数值是相同的，即系统的状态就发生了同样的变化。
焦耳的这些实验结论
实验1
重物下落重力做功
叶片搅拌容器中的水
水与叶片摩擦而温度上升
系统从状态1
变为状态2
T1
T2
实验2
系统从状态1
变为状态2
T1
T2
电机发电
电热丝发热
发热丝对水加热温度上升
重物下落重力做功
做功的数量只由过程始末两个状态1、2决定，而与重物的质量、做功的次数无关。
系统状态通过绝热过程发生变化
做功的数量只由过程始末两个状态1、2决定，而与做功的方式无关。
焦耳的实验
综上所述：在各种不同的绝热过程中，如果使系统从状态1变为状态2，所需外界做功的数量是相同的.也就是说，在各种不同的绝热过程中，要使系统状态发生变化，做功的数量只由始末两个状态1、2决定，而与做功方式无关。那么，必定存在一个描述系统状态的物理量，这个物理量的变化与做功相关。
尽管第一个实验重物质量或下落高度可能不同，第二个实验各次通电时间和电流大小可能不同，做功方式及做功的具体过程也不同，但只要外界对系统做功的数值相同，系统上升的温度一定相同。
始末状态，是不是似曾相识
内能的引入
类比思考：
哪些力做功仅由物体的起点和终点两个位置决定，与物体的运动路径无关？
重力
重力做功对应重力势能
电场力
电场力做功对应电势能（电能）
内能的引入
类比可知：功是能量转化的量度，描述系统状态的物理量，
这个物理量必定是系统的能量。
内能U：任何一个热力学系统都必定存在一个只依赖于系统自身状态的物理量，这个物理量在初末两个状态间的差别与外界在绝热过程中对系统所做的功相联系.我们把这个物理量称为系统的内能。
⑵微观定义（分子动理论对内能的定义）：
物体中所有分子的热运动动能和分子势能的总和，叫做物体的内能。
⑴宏观定义（热力学对内能的定义）：
任何一个热力学系统都必定存在一个只依赖于系统自身状态的一种能量，这种能量叫做系统的内能。
微观：分子热运动的激烈程度、分子间距、分子数。
系统的内能U
宏观：温度、体积、物质的量。
内能的引入
功与内能的改变
在热力学系统的绝热过程中，系统从状态1经过绝热过程达到状态2。
ΔU=U2-U1
系统内能的变化量
外界对系统做的功：W
上式的物理意义：当系统从状态1经过绝热过程达到状态2时，内能的增加量 U=U2-U1就等于外界对系统所做的功W，即 U=W。
1、外界对系统做功：
压燃实验
功与内能的改变
内能增加
外界对系统做功
外界对系统做功
取一个透明塑料瓶，向瓶内注入少量的水。将橡胶塞打孔，安装上气门嘴，再用橡胶塞把瓶口塞紧，并向瓶内打气，观察橡胶塞跳出时瓶内的变化。
当橡胶塞跳出时，瓶内出现白雾。
实验现象
功与内能的改变
以瓶内气体为研究对象，橡胶塞跳出后，瓶内的气体迅速膨胀，系统对外做功，因此，气体的内能迅速减少，瓶内气体温度迅速下降，瓶内水蒸气液化，就会出现大量的雾状小水滴。
2、系统对外界做功：
内能减少
功与内能的改变
系统对外界做功
热与内能的改变
热与内能的改变
烧水的过程
烧烤的过程
两个温度不同的物体A、B相互接触时，温度低的物体B要升温，我们说，热从高温物体A传到了低温物体B。这个过程称之为热传递(传热)。
热与内能的改变
单纯地对系统传热也能改变系统的热力学状态
当系统从状态1经过单纯的传热达到状态2，内能的增量ΔU=U2-U1就等于外界向系统传递的热量Q，即在外界对系统不做功的情况下，外界传递给系统的热量Q等于系统内能的改变量。
导入新课 复习势能的概念
1、外界向系统传热：
内能增加
2、系统向外界传热：
内能减少
注意2：像做功一样，热量的概念也只有在涉及能量的传递时才有意义.所以不能
说物体具有多少热量，只能说物体吸收或放出了多少热量.
注意1：虽然做功和传热动能引起系统内能的改变，但是它们还是有区别的。做功
时内能与其它形式的能发生转化；而传热是不同物体（或一个物体不同
部分）之间内能的转移。
改变内能的两种方式
做功
热传递
对内
对外
（外界对物体做功）
（物体对外界做功）
（物体从外界吸热）
（物体对外界放热）
吸热
放热
内能减少
内能增加
内能减少
内能增加
高中物理选择性必修第三册 第三章：热力学定律 第1节: 功、热和内能的改变
1．下列生活实例中通过热传递改变物体内能的是（　　）
A．野外生存中利用钻木取火
B．暖手宝可以使手变得暖和
C．搓搓手可以让手变得暖和
D．铁钉被锤子敲打后会升温
B
高中物理选择性必修第三册 第三章：热力学定律 第1节: 功、热和内能的改变
2．对于热量、功和内能三个物理量，下列各种说法中正确的是（　　）
A．热量和功与过程有关，而内能与状态有关
B．热量、功和内能的物理意义相同
C．热量和功都可以作为内能的量度
D．内能大的物体具有的热量多
A
高中物理选择性必修第三册 第三章：热力学定律 第1节: 功、热和内能的改变
3．如图所示的实验装置中，把浸有乙醚的一小块棉花放在厚玻璃筒内底部，当很快向下压活塞时，由于被压缩的气体骤然变热，温度升高达到乙醚的燃点，使浸有乙醚的棉花燃烧起来，此实验的目的是要说明对物体（　　）
A．做功可以增加物体的热量
B．做功可以改变物体的内能
C．做功一定会升高物体的温度
D．做功一定可以使物态发生变化
B
高中物理选择性必修第三册 第三章：热力学定律 第1节: 功、热和内能的改变
4．下列有关热现象和内能的说法中正确的是（　　）
A．把物体缓慢举高，其机械能增加，内能增加
B．电流通过电阻后电阻发热，它的内能增加是通过“做功”方式实现的
C．盛有气体的容器做加速运动时，容器中气体的内能必定会随之增大
D．分子间引力和斥力相等时，分子势能最大
B
高中物理选择性必修第三册 第三章：热力学定律 第1节: 功、热和内能的改变
5．如图所示是焦耳研究热与功之间关系的两个典型实验，那么从焦耳的这两个实验中可得出的结论是（　　）
A．系统状态的改变只能通过传热来实现
B．机械能守恒
C．在各种不同的绝热过程中，系统状态的改变与做功方式无关，仅与做功数量有关
D．在各种不同绝热过程中，系统状态的改变不仅与做功方式有关，还与做功数量有关
C
高中物理选择性必修第三册 第三章：热力学定律 第1节: 功、热和内能的改变
6．如图所示，活塞将汽缸分成甲、乙两气室，汽缸、活塞（连同拉杆）是绝热的，且不漏气，以E甲、E乙分别表示甲、乙两气室中气体的内能，则在将拉杆缓慢向外拉的过程中（　　）
A．E甲不变，E乙减小
B．E甲不变，E乙增大
C．E甲增大，E乙不变
D．E甲增大，E乙减小
D
高中物理选择性必修第三册 第三章：热力学定律 第1节: 功、热和内能的改变
7．下面例子中，通过做功改变物体的内能的是（　 　）
A．太阳把地面晒热
B．刹车时轮胎变热
C．气缸内的气体被压缩，气体温度升高
D．用砂轮磨刀具时，刀具温度升高
BCD
高中物理选择性必修第三册 第三章：热力学定律 第1节: 功、热和内能的改变
8．下列有关热现象和内能的说法中正确的是（　 　）
A．把物体缓慢举高，其机械能增加，内能不变
B．盛有气体的容器做加速运动时，容器中气体的内能必定会随之增大
C．电流通过电阻后电阻发热，它的内能增加是通过“做功”方式实现的
D．分子间引力和斥力相等时，分子势能最小
ACD
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