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1 功、热和内能的改变
第三章 热力学定律
High school physics
明确内能、功、热量、温度四个物理量的区别和联系。
03
知道做功和传热是改变内能的两种方式，明确两种方式的区别。
02
了解焦耳的两个实验的原理，知道做功和传热的实质。
01
重难点
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。
焦耳的实验
01
1.重物下落带动叶片搅拌容器中的水，会引起水温上升
焦耳 (1818—1889）
实验装置
重物下落带动叶片转动，搅拌容器中的水，水由于摩擦而温度上升。
实验原理
系统不从外界吸热，也不向外界放热。
绝热过程
多次实验测量表明，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。
实验结论
2.通过电流的热效应给水加热
焦耳 (1818—1889）
实验装置
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。
实验原理
多次实验结果表明：同一个系统，过程绝热，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。
实验结论
1.绝热过程
系统不从外界吸热，也不向外界放热的过程。
2.代表性实验
(2)通过电流的热效应给液体加热。
(1)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。
只依赖于热力学系统自身状态的物理量。
3.实验结论
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。
4.内能
1.在焦耳研究功与热等效性的实验中，为什么要求盛水的容器采用绝热材料？
答案　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。
2.焦耳的重物下落使水温升高实验和电流热效应给液体加热实验中外界做功的方式相同吗？通过两个实验你能得出什么结论？
答案　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。
功与内能的改变
02
在热力学系统的绝热过程中
热量交换Q = 0
状态1
U1
状态2
U2
外界对系统所做的功W
ΔU=U2-U1
系统内能增量ΔU= 外界对系统所做的功W
功与内能的改变
理解
(1) ΔU=W 的适用条件是绝热过程。
(2)在绝热过程
外界对系统做功（W > 0）
系统的内能就增加（ΔU > 0）
系统对外界做功（W < 0)
系统的内能就减少（ΔU< 0)
1.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，会观察到橡胶塞跳出时瓶内出现了白雾，这是为什么？
答案　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.在空气压缩引火仪底部放置少量的硝化棉，迅速压下筒中的活塞，可以观察到硝化棉燃烧的火苗。为什么筒底的硝化棉会被点燃呢？
答案　外界对筒内气体做功，使气体内能增加，温度升高，达到硝化棉的燃点后引起硝化棉燃烧。
1.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。
2.物体的内能大，并不意味着外界对它做功多。
功与内能的区别
1.功
只有在绝热过程中，内能变化越大时，相应地做功才越多。
内能
过程量
状态量
热与内能的改变
03
烧水的过程
烧烤的过程
这是如何改变系统内能的？
传热
1.传热
2.条件
热从高温物体传到了低温物体
物体的温度不同
3.改变内能的三种热传递方式：
太阳辐射
火附近有热空气流动
开火烧水
热传导
热对流
热辐射
系统在状态1、2时的内能分别为U1、U2，若系统经过单纯的传热过程从状态1变化到状态2时外界对系统传递的热量为Q，则Q与内能变化量之间存在怎样的关系？
ΔU=U2 -U1=Q
Q
ΔU=Q
热和内能
1.热量
在单纯的传热过程中系统内能变化的量度。
2.热与内能的改变
内能的变化量
外界向系统传递的热量
①当系统从状态1经过单纯的传热达到状态2时
ΔU=U2-U1
若物体吸热(Q>0)
②理解
若物体放热(Q<0)
则内能增加(ΔU>0)
则内能减少(ΔU<0)
传热与做功在改变系统内能上的异同
做功
传热
都能引起系统内能的改变
内能与其他形式的能发生转化
不同物体(或一个物体的不同部分)之间内能的转移
1.如图是传热的三种方式——传导、对流和辐射。这三种方式在传递能量时有什么共同点？
答案　三种方式都是热量从一个物体传递到另一个物体。
2.一个物体的温度越高，其热量一定越多，其内能也一定越大，这种认识正确吗？
答案　不正确。
(1)热量是系统内能变化的量度，而温度是系统内大量分子做无规则运动剧烈程度的标志，传热的前提是两个系统之间要有温度差，传递的是热量而不是温度。内能的大小与物体的温度、质量和体积都有关，故温度越高，内能不一定越大。
2.一个物体的温度越高，其热量一定越多，其内能也一定越大，这种认识正确吗？
(2)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。
(3)物体的内能大，并不意味着传热多。只有在仅传热过程中，内能变化越大时，相应地传热才越多。
(1)热量一定从内能多的物体传递给内能少的物体。(　　)
(2)做功和传热都可以改变物体的内能，从效果上是等效的。(　　)
(3)传热只能发生在两个物体间，同一物体不能发生传热。(　　)
×
√
×
2.(多选)下列关于传热的说法中正确的是
A.热量总是从内能大的物体传给内能小的物体
B.自然条件下热量总是从分子平均动能大的物体传给分子平均动能小的物体
C.传热的实质是物体之间内能的转移，而能的形式不发生变化
D.只有通过传热的方式，才能使物体的温度发生变化
√
√
传热发生的条件是有温度差，自然条件下热量总是从温度高的物体传到温度低的物体，温度是分子平均动能的标志，分子平均动能大，温度就高，故A错误，B正确；
传热是物体间内能转移的过程，能量的形式始终为内能，C正确；
做功和传热都能使物体的温度发生变化，D错误。
3.(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错误，B正确；
物体内能包括所有分子热运动的动能和势能，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错误，D正确。
功、热和内能的改变
绝热过程：系统不从外界吸热，也不向外界放热
焦耳的实验
代表实验：水受摩擦而温度升高；电流热效应给液体加热
结论：绝热过程，外界对系统做的功仅由始末状态决定
内能：只依赖于热力学系统自身状态的物理量
热与内能的改变
单纯的传热：ΔU=Q
传热：热从高温物体传到了低温物体
功与内能的改变
绝热过程：ΔU=W
04
巩固练习
1.(多选)(2024·西安市高二检测)在以下事例中，通过做功的方式来改变物体内能的是
A.两小球碰撞后粘合起来，同时温度升高
B.冬天暖气为房间供暖
C.汽油机的压缩冲程，燃料温度升高
D.汽车的车轮与地面相互摩擦发热
√
√
√
改变内能的方式有两种：做功和传热。做功的实质是能量的转化过程，做功的过程中能量的形式发生改变；传热是内能的转移，能量的形式不发生变化。两小球碰撞后粘在一起，温度升高，是机械能转化为内能，是利用做功的方式改变物体的内能，故A正确；
冬天暖气为房间供暖，是通过传热的方式来改变物体的内能，故B错误；
汽油机的压缩冲程，燃料温度升高，属于做功改变物体的内能，故C正确；
车轮与地面摩擦生热，是机械能转化为内能，属于做功改变物体的内能，故D正确。
2.拥有私家车的人越来越多，说明人们生活水平不断提高。某汽车的发动机汽缸内装有汽油与空气的混合气体，如图所示，要使该混合气体温度达到其燃点，应
A.迅速向外拉活塞
B.迅速向里推活塞
C.缓慢向里推活塞
D.缓慢向外拉活塞
√
气体被压缩时，外界对气体做功使其内能增大，气体膨胀时，气体对外做功内能减少。将装有汽油与空气的混合气体的汽缸中的活塞迅速向里推，该汽缸内混合气体来不及与外界发生热交换，可以看作绝热过程，通过活塞对混合气体做功，使该混合气体的内能增加，温度升高而达到其燃点，故B正确。
3.下列说法正确的是
A.物体的温度升高，物体所含的热量就增多
B.物体的温度不变，内能一定不变
C.热量和功的单位与内能的单位相同，所以热量和功都可作为物体内能
的量度
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
√
热量是一个过程量，不能说物体含有多少热量，A错误；
物体的温度不变，内能不一定不变，例如0 ℃的冰变为0 ℃的水内能增加，B错误；
热量和功都可以作为物体内能变化的量度，而不是内能的量度，C错误；
热量和功是由过程决定的，而内能是由物体的状态决定的，D正确。
4.(多选)(2024·江西省模拟)如图所示，一绝热容器被隔板K隔开成a、b两部分。已知a内有一定量的稀薄气体，b内为真空。抽开隔板K后，a内气体进入b，最终达到平衡状态，不计分子间的势能。在此过程中下列说法正确的是
A.气体对外界做功，内能减少
B.气体不做功，内能不变
C.气体压强变小，温度不变
D.单位时间内撞击容器壁的分子数减少
√
√
√
稀薄气体向b真空扩散没有对外界做功，W=0，故选项A错误；
绝热容器内的稀薄气体与外界不发生传热也没做功，所以气体内能不变，故选项B正确；
根据题意知，气体体积增大，压强减小，气体的内能不变，则温度不变，故选项C正确；
稀薄气体扩散，体积增大，分子数密度减小，单位时间内和容器壁碰撞的分子数减少，故选项D正确。

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