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第三章 热力学定律
冷热变化是最早引起人们关注的自然现象之一。春夏秋冬，温暑凉寒，何时何处不与冷热相关 人类不但掌握了精确的测温控温方法，还可以人工产生高热和深冷，在高热和深冷的“世界”里不断发现新的科学奇迹。可以说，现代科技的每一项成功--不论是试管婴儿的诞生，还是探索原子世界的奥秘；不论是杂交水稻的培育，还是驾驶“神舟”遨游太空，都离不开“冷热”的学问。
3.1 功、热和内能的改变
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，气体内能增加，温度升高. 当温度达到硝化棉的燃点时，硝化棉被点燃.
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，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。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
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。
实验 1
如图3.1-1，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。
绝热过程
系统只由于外界对它做功而与外界交换能量，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 (adiabatic process)。
焦耳的多次实验测量表明，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。
实验 2
如图3.1-2，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。
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。
焦耳的这些实验表明，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，要使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。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。
例如，在力学中，重力做的功仅由物体的起点和终点两个位置决定，而与物体的运动路径无关。根据这一事实人们认识到，物体具有重力势能。物体在两个位置间的重力势能之差等于物体在这两个位置间移动时重力所做的功。
与此类似，在热力学系统的绝热过程中，外界对系统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。这就使我们认识到，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。
功与内能的改变
内能
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。
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 (图3.1-3)，内能的变化量
U＝U2－U1
它就等于外界对系统所做的功W，即
U＝W
在绝热过程中，外界对系统做功，系统的内能增加；
系统对外做功，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 W＝ U。
在绝热过程中，内能的增量就等于外界对系统做的功。即 U＝U2－U1＝W。
一般来说，如果一个热学过程的状态变化发生得极快经历时间很短，系统与外界交换的热量就很少，即系统与外界来不及交换热量，这样的过程若不计传递的热，可以看成绝热过程。
本节“问题”栏目中的实验就是这样的过程：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。
下面让我们再通过一个实验，认识功与内能的变化之间的关系。
当橡胶塞跳出时，瓶内出现白雾。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。
典例探究
例题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 ( )
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
A
例题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
C
热与内能的改变
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。
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。
热传递的三种方式
热传导、热对流、热辐射。
热传导：热沿着物体传递的热传递方式，不同物质传到热的能力各不相同，容易传到热的物体称之为热的良导体，所有金属都是热的良导体，不容易传导热的物体称之为热的不良导体，如空气、橡胶、绒毛、棉纱、木头、水、油等。
热对流：靠液体或气体的流动来传递热的方式，热对流是液体和气体所特有的热传递方式。
热辐射：热从高温物体向周围以电磁波的形式沿直线射出去的方式，热辐射不依赖媒介质，可在真空中进行，温差越大，表面颜色越深，物体向外的热辐射能力越强。
发生热传递的条件
当物体之间或物体的不同部分之间存在温度差时才能发生热传递。
典例探究
例题3：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
B
外界对系统做功可以改变系统的热力学状态，而单纯地对系统传热也能改变系统的热力学状态。所以，热量是在单纯的传热过程中系统内能变化的量度。当系统从状态 1 经过单纯的传热达到状态 2 时，内能的变化量
U＝U2－U1
它就等于外界向系统传递的热量Q，即
U＝Q
热与内能的改变
虽然做功和传热都能引起系统内能的改变，但是它们还是有区别的。做功时，内能与其他形式的能 (如内能与机械能、内能与电能等) 发生转化，而传热只是不同物体 (或一个物体的不同部分) 之间内能的转移。
内能与热量的区别
做功和热传递的区别
1. 做功使物体内能发生改变的时候，内能的改变就用功数值来量度。
外界对物体做多少功，物体的内能就增加多少；
物体对外界做多少功，物体的内能就减少多少。
热传递使物体的内能发生改变的时候，内能的改变用热量来量度的。
物体吸收多少热量，物体的内能就增加多少；
物体放出多少热量，物体的内能就减少多少。
2.做功和热传递在本质上是不同的：
做功使物体的内能改变，是其他形式的能量和内能之间的转化 (不同形式能量间的转化)。
热传递使物体的内能改变，是物体间内能的转移 (同种形式能量的转移)。
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
练习与应用
1. 在图3.1-1和图3.1-2 所示焦耳的两个实验中，各是什么形式的能转化为系统的内能
解：在教材图3.1-1的实验中，重物 P 和重物 P′ 的重力势能转化为水的内能；
在教材图3.1-2的实验中，重物的机械能转化为电能，电能再转化为液体的内能.
2. 下列事件中，物体的内能怎样改变 (固体和液体的热膨胀很小，可不子考虑)
(1) 壶里的水被加热而温度升高。
(2) 一条烧红的铁棒逐渐冷却下来。
解：(1) 壶里的水的内能增加了.
(2) 铁棒的内能减少了.
3. 气体在绝热膨胀时它的温度会怎样变化 气体在绝热压缩时它的温度会怎样变化 为什么会发生这样的变化
请分别举一个绝热膨胀和绝热压缩时温度变化的实例。
解：根据功与内能的改变关系，在没有热交换或时间极短，系统来不及跟外界进行热交换的情况下，气体对外界做功 (即绝热膨胀) 气体的内能减少，温度降低；外界对气体做功 (即绝热压缩)，气体的内能增加，温度升高.
在本节“做一做”栏目中，橡胶塞跳出瞬间，瓶内气体可看作绝热膨胀，以瓶内气体为研究对象，当橡胶塞跳出时，瓶内气体迅速膨胀，气体对外做功，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，出现白雾在本节“问题”栏目中，迅速下压活塞时，引火仪筒内的气体可看作绝热压缩，外界对气体做功，气体内能增加，温度升高，当温度达到易燃物的燃点时，易燃物就被点燃了.
4. 铅弹以 200 m/s 的速度射入木块后停在木块中，木块没有移动。若增加的内能的 80% 使铅弹的温度升高，铅弹的温度升高了多少 铅的比热容 c为1.3×102 J/(kg·℃)。
解：铅弹的动能全部转化为木块与铅弹的内能，而其中的 80% 的内能使铅弹的温度升高.
因此，如下关系式成立：(mv2)×80% ＝cm t.
则 t＝123℃.

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