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§3.1 功、热和内能的改变
高二物理（人教版2019）
选择性必修 第三册
第三章 热力学定律
情景：如果有一天你流落荒岛
如何才能生火？
一、焦耳的实验
系统只由于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，这样的过程叫做绝热过程.
绝热过程：
　　1818年12月24日生于英国曼彻斯特，起初研究电学和磁学。1840年在英国皇家学会上宣布了电流通过导体产生热量的定律，即焦耳定律。焦耳测量了热与机械功之间的当量关系——热功当量，为热力学第一定律和能量守恒定律的建立奠定了实验基础。
焦耳的实验
在焦耳研究功与热等效性的许多实验中，有两个最具代表性。一个是让重物下落带动叶片搅拌容器中的水，引起水温上升；另一个是通过电流的热效应给水加热。
焦耳的实验1
绝热过程
问题2：相同质量物体下落的不同高度，重力做功会有什么关系？水的温度升高相同吗？
问题1：相同质量物体下落相同的高度,重力做功会有什么关系？水的温度升高相同吗？
问题3：不同物体下落不同高度，但重力做功相同，水的温度升高相同吗？
焦耳的实验1
焦耳的多次实验测量表明：
WG相同
t相同
内能的改变相同
焦耳的实验2
问题：如果不同的电流，经过不同的时间，但电流做功相同，水的温度升高相同吗？
多次实验结果表明（如果过程是绝热的）：
W电相同
t相同
内能的改变相同
焦耳的实验
始末状态，是不是似曾相识
结论：在各种不同的绝热过程中，
只与始末两个状态决定
内能的变化与做功的过程和方式无关
在热力学系统的绝热过程中，外界对系统所做的功仅由过程的始末两个状态决定，不依赖于做功的具体过程和方式。
功是能量转化的量度
内能U
：只依赖于系统自身状态的物理量
内能与状态参量温度、体积有关，即由它的状态决定
系统状态：实质就是物体的内能U。
热传递
做功
改变内能的两种方式
做功可以改变系统的内能．功是系统内能转化的量度．
(2)系统对外界做功，系统的内能减少．
在绝热过程中，系统对外界做多少功，内能就减少多少，即ΔU＝W.
(1)外界对系统做功，系统的内能增加．
在绝热过程中，内能的增量就等于外界对系统做的功．即ΔU＝U2－U1＝W.
二、功与内能的改变
物理量 符号 意义 符号 意义
W
ΔU
系统对外界做功
外界对系统做功
内能增加
内能减少
+
ΔU>0
－
ΔU<0
问题与练习
举几个例子说明做功可以改变系统的内能。
1、在水平公路上行驶的汽车，发动机熄火后，速度越来越小，最后停止。汽车克服阻力做功，将机械能转化为内能。
2、在阻尼震动中，单摆的振幅越来越小，最后停下来。单摆克服阻力做功，机械能转化为内能。
3、在电磁感应中，将线框的机械能转化为线框中的电能，电能再转化为内能，使线框发热。
4、给自行车打气时，气筒壁会发热
5、锯木头，锯条会很烫
6、冬天，手冷时，两手互相搓一搓
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
气体体积减小，外界对气体做功
△U=W
内能增加
A
1.下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(　　)
2.地面附近有一正在上升的空气团，它与外界的热交换忽略不计．已知大气压强随高度增加而降低，则该空气团在上升过程中(不计气团内分子间的势能) (　　)
A．体积减小，温度降低
B．体积减小，温度不变
C．体积增大，温度降低
D．体积减小，温度不变
压强减小
体积增大
对外界做功
△U=W
内能减小
不计分子间的势能
动能减小
温度降低
C
做功与气体体积变化的关系
压缩气体
V减小
外界对气体做功
绝热
U增加
气体不自由膨胀
V增加
气体对外界做功
绝热
U减小
气体自由膨胀
V增加
气体对外界不做功
绝热
U不变
K
气体A
K
气体A
真空B
K
气体A
真空B
★★★气体的自由膨胀不做功。
A．气体对外界做功，温度降低，内能减少
B．气体对外界做功，温度不变，内能减少
C．气体不做功，温度不变，内能不变
D．气体不做功，温度不变，内能减少
气体自由膨胀不做功
△U=W
内能不变
不计气体的分子势能
温度不变
C
3.如图所示，绝热容器中间用隔板隔开，左侧装有气体，右侧为真空．现将隔板抽掉,使左侧气体自由膨胀直至达到平衡，则在此过程中(不计气体的分子势能)(　　)
1. 热传递：两个温度不同的物体互相接触时，温度高的物体要降温，温度低的物体要升温，并将持续到系统间达到热平衡即温度相等为止，这个过程称之为热传递。
2. 热传递的三种方式：热传导、热对流、热辐射。
4. 热传递具有方向性：热量从高温物体传递到低温物体，或从物体的高温部分传递到低温部分，不会自发地从低温物体传递到高温物体或从物体的低温部分传递到高温部分。
3. 单纯的热传递过程中系统内能变化的量度：热量 Q
三、热与内能的改变
5. 传递的热量与内能改变量的关系 :
在单纯的热传递过程中，内能的变化等于外界向系统传递的热量
U = U2 - U1 = Q
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.
比较项目 做功 热传递
内能变化 外界对物体做功, 物体的内能增加；物体对外界做功, 物体的内能减少 . 物体吸收热量，内能增加；
物体放出热量，内能减少 .
物理实质 其他形式的能（机械能、电能等）与内能之间的转化（不同形式能量间的转化） 不同物体间或同一物体不同部分之间内能的转移（同种形式能量的转移）
相互联系 做一定量的功或传递一定量的热量在改变内能的效果上是相同的 （做功和热传递在改变物体的内能上是等效的） 做功和热传递的区别
温度、内能、热量和功的区别与联系
温度、内能、热量和功的区别与联系
1．关于热传递，下列说法正确的是( )
A．热传递的实质是温度的传递
B．物体间存在温度差，才能发生热传递
C．热传递可以在任何情况下进行
D．物体内能发生改变，一定是吸收或放出了热量
热量
物体间存在温度差才能发生热传递.在达到温度相同后停止热传递
可能是与外界发生了热传递，也可能是由于外界对其做功或其对外界做功
B
电流做功改变内能
2. 在下述现象中没有通过做功而使物体内能改变的是(　　)
A．电流通过电炉而使温度升高
B．在阳光照射下，水的温度升高
C．铁锤打铁块，使铁块温度升高
D．夏天在室内放几块冰，室内会变凉快
热传递
铁锤对铁块做功
热传递
BD
3.对于热量、功、内能三个量，下列说法中正确的是(　　)
A．热量、功、内能三个量的物理意义是等同的
B．热量和功二者可作为物体内能大小的量度
C．热量、功和内能的国际单位都相同
D．热量和功是由过程决定的，而内能是由物体的状态决定的
热量、功和内能的单位相同都是焦耳
热量和功是过程量，内能是状态量，热量和功二者可作为物体内能改变的量度而不是内能大小的量度
CD
不同
4．(双选)下列关于热量的说法，正确的是( )
CD
A．温度高的物体含有的热量多
B．内能多的物体含有的热量多
C．热量、功和内能的单位相同
D．热量和功都是过程量，而内能是一个状态量
热量和功都是过程量，而内能是一个状态量
不能说温度高的物体含有的热量多，内能多的物体含有的热量多
热量、功和内能的单位相同都是焦耳
课堂小结
改变内能的两种方式 做功 热传递
U=U2-U1=W U=U2-U1=Q
在绝热过程中， 对内做功(W > 0)，内能增加(U ↑)； 对外做功(W < 0)，内能减少(U ↓)。 在单纯传热中，
吸收热量(Q > 0)，内能增加(U ↑)；
放出热量(Q < 0)，内能减少(U ↓)。

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