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第三章　热力学定律
功、热和内能的改变
请观察实验，思考问题：为什么筒底的易燃的棉花会被点燃呢？
改变系统的热力学状态的方法：
做功和传热（热传递）
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。
焦耳
James Prescott Joule
1818-1889
焦耳的实验
目标一
实验1：焦耳热功当量实验装置——对系统做机械功
重物下落带动叶片搅拌容器中的水，引起水温上升
实验结论：
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。
系统只通过对外界做功或外界对它做功而与外界交换能量，它不从外界吸热，也不向外界放热。
绝热过程：
焦耳实验是一个需要在绝热过程中完成的实验
实验2：焦耳热功当量实验装置——对系统做电功
实验结论：对同一个系统，如果过程是绝热的，只要所做的电功相等，则系统温度上升的数值是相同的。
下降的重物带动发电机发电，电流通过电阻丝给液体加热，使液体温度上升
发电机
1.在焦耳研究功与热等效性的许多实验中，其中一个实验要求盛水的容器采用绝热材料做外皮，目的是什么呢？
不同。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，仅与做功多少有关。
2.焦耳的重物下落使水温升高实验和电流热效应给水加热的实验中做功的方式相同吗？你能得出什么结论？
隔绝与外界热量的交换，使水温度的升高只由叶片搅拌引起。
做功方式 机械功 电功
实验条件 绝热过程 共性 外界对系统做功相同，系统温度上升数值相同， 焦耳的两个实验
即系统的状态发生相同的变化
类比思考：重力做功相同，重力势能的变化相同
功能关系：做功是能量变化的量度
焦耳实验：做功改变了系统的状态（能量）
系统的内能
内 能 U
⑵微观定义（分子动理论对内能的定义）：
物体中所有分子热运动的动能和分子势能的总和，叫做物体的内能。
(1)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。
决定因素
宏观：温度、体积、物质的量（状态）。
1.如图是研究内能改变与功之间关系的两个典型实验，那么从这两个实验中可得出的结论是
A.能量守恒定律
B.机械能守恒定律
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.在各种不同的绝热过程中，系统状态的改变不仅与做功方式有关，还
与做功数量有关
√
通过这两个实验，可得出的结论是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。故选项C正确。
功与内能的改变
功与内能的改变
在热力学系统的绝热过程中，当系统从状态1经过绝热过程达到状态2时
ΔU=U2-U1
=
系统内能增量
外界对系统所做的功W
热量交换Q = 0
U1
U2
在绝热过程中，外界对物体做功，物体的内能怎么变？若物体对外界做功呢？请举例说明。
在本课引入实验中，为什么压杆快速压缩空气，筒底的易燃棉花会被点燃呢？
结论1：在绝热过程中，外界对气体做功，气体内能增加
压杆快速压缩空气，对空气做功，空气内能迅速增加，由于来不及散热，温度短时间内急剧升高，从而点燃棉花。
结论2：在绝热过程中，气体对外界所做功，气体的内能减少
2.如图为某种椅子与其升降部分的结构示意图。M、N两筒间密闭了一定质量的气体，M可沿N的内壁上下滑动，设筒内气体不与外界发生热交换，在M向下滑动的过程中
A.外界对气体做功，气体内能增大
B.外界对气体做功，气体内能减小
C.气体对外界做功，气体内能增大
D.气体对外界做功，气体内能减小
√
筒内气体不与外界发生热交换，当M向下滑动时，筒内气体体积变小，外界对气体做功，使气体的内能增大，故选A。
3.一定质量的理想气体经历一绝热膨胀过程。设气体分子间的势能可忽略，则在此过程中
A.外界对气体做功，气体分子的平均动能增大
B.外界对气体做功，气体分子的平均动能减小
C.气体对外界做功，气体分子的平均动能增大
D.气体对外界做功，气体分子的平均动能减小
√
绝热膨胀过程是指气体膨胀过程未发生热传递，膨胀过程气体体积增大，气体对外界做功，则W<0，由ΔU＝U2－U1＝W可知，气体内能减少，由于理想气体分子间的势能忽略，因此气体分子的平均动能减小。故选项D正确。
4.如图所示，一个质量为20 kg的绝热汽缸竖直放置，绝热活塞的质量为5 kg，面积为0.1 m2，处于静止状态时被封闭气体的高度为50 cm，现在活塞上方加一质量为15 kg的物体，待稳定后，被封闭
气体的高度变为40 cm。求在这一过程中气体的内能
增加了多少？(p0＝1.01×105 Pa，g取10 m/s2)
答案 1 030 J
由于汽缸及活塞均绝热，故外界对气体所做的功全部转化为气体的内能，即ΔU＝W外＝(m活塞＋m物体)gΔh＋p0SΔh
＝(5＋15)×10×0.1 J＋1.01×105×0.1×0.1 J＝1 030 J。
1.做功与内能变化的关系
(1)做功改变物体内能的过程是其他形式的能(如机械能)与内能相互转化的过程。
(2)在绝热过程中，外界对物体做功，则W>0，外界对物体做多少功，就有多少其他形式的能转化为内能，物体的内能就增加多少；物体对外界做功，则W<0，物体对外界做多少功，就有多少内能转化为其他形式的能，物体的内能就减少多少。
总结提升
2.功与内能的区别
(1)功是过程量，内能是状态量。
(2)物体的内能大，并不意味着外界对它做功多。只有在绝热过程中，内能变化越大时，相应地做功才越多。
热与内能的改变
暖宝宝
烧开水
太阳辐射
热传递的三种方式
↓
热传导
↓
对流
↓
辐射
(1)种类：热传导、对流、辐射
(2)条件：物体的温度不同．
(3)传热：热从高温物体传到了低温物体．
热传递
热与内能变化的关系
单纯地对系统传热也能改变系统的热力学状态
热量Q
T1
T2
U1
U2
ΔU=U2-U1
系统内能增量
=
在单纯传热过程中，物体从外界吸热，物体的内能怎么变？若物体对外界放热呢？请举例说明。
②物体对外界放热，物体内能减少
金属淬火时释放热量，内能减少
①物体从外界吸热，物体内能增加，
水沸腾时吸收热量，内能增加
被烧烤的食物吸收热量，温度升高，
内能增加
若物体吸热，Q>0，则 ΔU>0，内能增加；
若物体放热，Q<0，则 ΔU<0，内能减少.
热与内能的改变
5.(多选)在外界不做功的情况下，物体的内能增加了50 J，下列说法正确的是
A.一定是物体放出了50 J的热量
B.一定是物体吸收了50 J的热量
C.一定是物体的分子动能增加了50 J
D.物体分子的平均动能可能不变
√
√
在外界不做功的情况下，内能的改变量等于传递的热量，内能增加50 J，一定是吸收了50 J的热量，故A错，B对；
物体内能包括所有分子的动能和势能，内能由分子数、分子平均动能、分子势能共同决定，所以内能增加了50 J并不一定是分子动能增加了50 J，物体分子的平均动能有可能不变，这时吸收的50 J热量全部用来增加分子势能，故C错，D对。
6.关于物体的内能和热量，下列说法中正确的有
A.热水的内能比冷水的内能多
B.温度高的物体其热量必定多，内能必定大
C.在传热过程中，内能大的物体其内能将减小，内能小的物体其内能将
增大，直到两物体的内能相等
D.在传热过程中，热量从高温物体传递到低温物体，直到两物体的温度
相同为止
√
物体的内能由温度、体积及物体的质量(物质的量)决定，不是只由温度决定，故A、B错误；
在传热过程中，热量由高温物体传给低温物体，而与物体的内能大小无关，所以有可能是内能大的物体内能增大，内能小的物体内能减小，故C错误，D正确。
热量与内能的区别
(1)内能是状态量，热量是过程量。热量只有在涉及能量的转移时才有意义。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)物体的内能大，并不意味着向外界释放的热量多。只有在仅传热过程中，内能变化越大时，相应的传热才越多。
总结提升
7.(多选)下列关于做功和传热的说法正确的是
A.做功和传热的实质是相同的
B.做功和传热可以同时发生
C.做功和传热在改变物体内能上是等效的
D.做功和传热是对同一过程的两种说法
√
√
做功和传热在改变物体内能上是等效的，但有着本质区别。做功是内能和其他形式能量间的相互转化，外界对物体做功，其他形式的能转化为物体的内能，物体对外界做功，物体的内能转化为其他形式的能；而传热是将高温物体的内能传递给低温物体，或是将同一物体高温部分的内能传递给低温部分。做功和传热互不影响，所以二者可以同时进行。故B、C正确，A、D错误。
传热与做功在改变系统内能上的异同。
(1)做功和传热都能引起系统内能的改变。
(2)做功时，内能与其他形式的能(如内能与机械能、内能与电能等)发生转化；传热只是不同物体(或一个物体的不同部分)之间内能的转移。
总结提升
功、热
和内能
的改变
目标一
焦耳的实验
外界对物体做功，物体内能增加
目标三
热与内能的变化
热传递的三种方式：热传导、对流、辐射
单纯传热时，ΔU=Q
目标二
功与内能的变化
内能
宏观定义
绝热过程中，ΔU=W
微观定义
决定内能大小的因素

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