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第25章 热力学定律
01.功、热和内能的改变
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实验现象：迅速压下活塞时，硝化棉燃烧。
原因：外界对系统内气体做功，气体内能增大，温度升高，从而自燃。
詹姆斯·普雷斯科特·焦耳，出生于曼
彻斯特近郊的沙弗特，英国物理学家，
英国皇家学会会员。
19世纪30年代，人们逐渐认识到，
为了使系统的热力学状态发生变化，
既可以向它传热，也可以对它做功。
从1840年开始，焦耳进行了多种多
样的实验， 焦耳实验揭示了热量与功
之间确定的当量关系（1卡＝4.186焦耳），
表明机械运动或电磁运动与热运动之间是可以相互转化的。
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。
实验一：对系统做机械功
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。
实验结论：
只要重力做功相同，容器内水温上升的数值就相同，即系统状态的变化相同。
一.焦耳的实验
实验二：对系统做电功
用绝热性能良好的材料制作容器，
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：
只要电流做功相等，系统温度上升的数值就相同，即系统状态的变化相同。
一.焦耳的实验
1.绝热过程：系统不从外界吸热，也不向外界放热，这样的过程叫作绝热过程(不与外界发生热传递)
焦耳的这些实验表明，在各种不同的绝热过程中，使系统从状态1变为状态2，所需外界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。
任何一个热力学系统必定存在一个只依赖于系统自身状态的物理量，这个物理量在两个状态间的差别与外界在绝热过程中对系统做的功相联系。鉴于功是能量变化的量度，所以这个物理量必定是系统的一种能量，我们把它称为系统的内能。
2.内能：内能是系统在绝热条件下与做功相联系的、描述热力学系统本身状态的能量。符号：U，单位：焦耳。(宏观定义)
一.焦耳的实验
1.做功可以改变物体内能：在绝热过程中，外界对系统做功，系统的内能增加；系统对外界做功，系统的内能减少，即：
压缩引火仪工作原理：迅速压下活塞，
引火仪筒内气体被压缩，体积变小，外
界对气体做了功，内能增加，温度升高。
当温度达到易燃物的燃点时，易燃物发
生自燃。
迅速压缩，空气“来不及” 对外传热，
可以看成绝热过程。若缓慢压缩，空气会对外传热，从而做等温变化，这个实验就不能成功。
二.功与内能的改变
2.气体膨胀压缩时做功的特点：
①压缩气体：
外界对系统做正功（系统对外界做负功），系统的内能增加
②气体膨胀：
外界对系统做负功（系统对外界做正功），系统的内能减少
思考与讨论：一绝热容器用隔板分成两部分，左边A内充满气体，右边B内是真空，现抽去隔板，气体内能如何变化？
答：气体向真空膨胀，气体并不需要克服外力做功，即气体不做功，内能不变，温度不变（物体在光滑水平面上滑动也不需要克服摩擦力做功，机能能也不变）
A B
二.功与内能的改变
例1.如图所示，一定质量的理想气体密封在绝热容器中，容器内装有一可以活动的绝热活塞。今对活塞施加一竖直向下的压力F，使活塞缓慢向下移动一段距离后，气体的体积减小。若忽略活塞与容器壁间的摩擦力，则被密封的气体(　　)
A.温度升高，压强增大，内能减少
B.温度降低，压强增大，内能减少
C.温度升高，压强增大，内能增加
D.温度降低，压强减小，内能增加
C
例2.一个气泡从恒温水槽的底部缓慢向上浮起(若不计气泡内空气分子势能的变化)，则(　　)
A.气泡对外做功，内能不变，同时放热
B.气泡对外做功，内能不变，同时吸热
C.气泡内能减少，同时放热
D.气泡内能不变，不吸热也不放热
例3.金属筒内装有与外界温度相同的压缩空气，打开筒的开关，筒内高压空气迅速向外逸出，待筒内外压强相等时，立即关闭开关。在外界保持恒温的条件下，经过一段较长时间后，再次打开开关，这时出现的现象是（　　）
A．筒外空气流向筒内
B．筒内空气流向筒外
C．筒内外有空气变换，处于动态平衡，筒内空气质量不变
D．筒内外无空气交换
B
B
拓展1：一气缸放在水平桌面上，如果气体吸热做等压膨胀，活塞从A位置上升到B位置，如图所示，右图为P-V图像，不计活塞与气缸的摩擦，以气体为研究对象，则该过程中气体对外界还是外界对气体做功？做了多少功？
p
V
0
V1
p
V2
B
A
PS
注意：气体做功问题为P-V图像下包含的面积：W=pΔV
拓展2：若用一外力作用在活塞上，把活塞从B位置压缩到A位置，如图所示，右图为P-V图像，不计活塞与气缸的摩擦，以气体为研究对象，则该过程中气体对外界还是外界对气体做功？做了多少功？
B
A
F
p
V
0
V1
p1
V2
p2
压缩气体，外界对气体做功，数值上等于P-V图中阴影部分的面积。
1.热传递：两个温度不同的物体A、B相互接触时，温度高的物体A要降温，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。这样的过程叫做热传递。
2.条件：物体之间或物体的不同部分之间存在温度差
3.方式：热传导、热对流、热辐射。
三.热传递
1.热量：热量是在单纯的传热过程中系统内能变化的量度（热量是内能转移的量度）
热量的概念只有在涉及能量的转移时才有意义。我们不能说物体具有多少热量，只能说某一过程中物体吸收或放出了多少热量。
2.热传递可以改变物体内能：在单纯的传热过程中，外界对系统传递热量，系统的内能增加；系统对界传递热量，系统的内能减少，即：
四.热与内能的改变
1.区别：
①做功改变物体的内能是其他形式的能和内能之间的转化（不同形式能量间的转化）；热传递改变物体的内能是物体间或者物体和一部分到另一部分之间内能的转移（同种形式能量的转移）
②做功改变物体内能的时候，内能的变化就用功的来量度（即 U＝W）；热传递改变物体内能的时候，内能的变化就用热量来量度（即 U＝Q）。
2.联系：
两种方式都可以改变物体的内能，即：做功和热传递在改变物体的内能上是等效的。
五.做功和热传递的区别与联系
例4.太阳能热水器是一种能够将太阳的光能转化为内能的装置。这种装置可以使装置内的水温度升高，这种改变水的内能的方式是(　　)
A.做功
B.热传递
C.既有做功也有热传递
D.电流的热效应
B
谢谢观看
祝你学业有成
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