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第三章 热力学定律
3.1 功、热和内能的改变
目
录
CONTENTS
1 学习目标
2 新课导入
3 新课讲解
4 课堂小结
5 典例分析
当堂小练
6
1.了解焦耳的两个实验的原理,知道做功和热传递的实质。
2.知道做功和热传递是改变内能的两种方式,理解做功和热传递对改变系统内能是等效的,明确两种方式的区别。
3.明确内能、功、热量、温度四个物理量的区别和联系。
学习目标
新课导入
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？你能解释这个现象吗？
改变系统的热力学状态的方法：
传热
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。
一、焦耳的实验
1、实验1
⑴实验装置
⑵实验原理
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。
新课讲解
⑶研究对象——热力学系统：
容器中的水
——封闭系统：与外界没有物质交换，但有能量交换。
⑷状态变化过程
系统状态变化过程中，系统不从外界吸热，也不向外界放热。
绝热过程：
⑸焦耳的多次实验测量结论
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。
2、实验2
⑴实验装置
⑵实验原理
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。
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。
⑶焦耳的多次实验测量结论
3、焦耳的这些实验结论
实验1
重物下落重力做功
叶片搅拌容器中的水
水与叶片摩擦而温度上升
系统从状态1
变为状态2
T1
T2
实验2
系统从状态1
变为状态2
T1
T2
电机发电
电热丝发热
发热丝对水加热温度上升
重物下落重力做功
做功的数量只由过程始末两个状态1、2决定，而与重物的质量、做功的次数无关。
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。
4、内能U
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，这个物理量在初末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。
⑵微观定义（分子动理论对内能的定义）：
物体中所有分子的热运动动能和分子势能的总和，叫做物体的内能。
⑴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。
二 、功与内能的改变
在热力学系统的绝热过程中，系统从状态1经过绝热过程达到状态2。
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。
ΔU=U2-U1
ΔU=W
系统内能增量
外界对系统所做的功W
1、外界对系统做功：
W>0
，ΔU>0
Q=0
内能增加
U1
U2
压燃实验
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，观察橡胶塞跳出时瓶内的变化。
当橡胶塞跳出时，瓶内出现白雾。
实验现象
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、系统对外界做功：
W<0
，ΔU<0
内能减小
热力学系统
——瓶内气体
状态变化过程
——绝热过程
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。
ΔU=W
物理量 符号 意义 符号 意义
W
ΔU
外界对系统做功
系统对外界做功
内能增加
内能减少
+
ΔU>0
－
ΔU<0
ΔU=W
三、热与内能的改变
两个温度不同的物体A、B相互接触时，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。
单纯地对系统传热也能改变系统的热力学状态
水壶温酒
容器中的酒
——封闭系统：与外界没有物质交换，但有能量交换。
△U＝Q
Q
T1
T2
U1
U2
ΔU=U2-U1
系统内能增量
即在外界对系统不做功的情况下，外界传递给系统的热量等于系统内能的改变量。
说明:
（1）像做功一样，热量的概念也只有在涉及能量的传递时才有意义.所以不能说物体具有多少热量，只能说物体吸收或放出了多少热量.
（2）物体从外界吸热，物体内能增加。物体对外界放热，物体内能减少。
物理量 符号 意义 符号 意义
Q
ΔU
系统吸收热量
系统放出热量
内能增加
内能减少
+
ΔU>0
－
ΔU<0
△U＝Q
做功使物体内能发生改变，内能的改变就用功的数值来量度。
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），从微观角度，传热是在分子相互作用下，通过分子热运动的碰撞实现内能的转移。
热传递使物体的内能发生改变，内能的改变用热量来量度。
1、
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）
一、做功和热传递的区别
二、内能与热量的区别
内能是一个状态量,一个物体在不同的状态下有不同的内能
热量是一个过程量，与一段过程对应，它表示由于热传递而引起的变化过程中转移的能量，即内能的改变量.
如果没有热传递，就没有热量可言，但此时仍有内能.
内能是由系统状态决定的，状态确定，系统的内能也随之确定，要使系统的内能发生变化，可以通过热传递或做功两种途径来完成。而热量是传递过程中的特征物理量，和功一样，热量只是反映物体在状态变化过程中所迁移的能量，是用来衡量物体内能变化的。有过程，才有变化，离开过程，毫无意义。就某一状态而言，只有“内能”，根本不存在什么“热量”和“功”，因此，不能说一个系统中含有“多少热量”或“多少功”。
从宏观看，温度表示的是物体的冷热程度；从微观看，温度反映了分子热运动的激烈程度，是分子平均动能的标志。物体的温度升高，其内能一定增加。但向物体传递热量，物体的内能却不一定增加(可能同时对外做功)。
三、内能与温度
四、热量与温度
热量是系统的内能变化的量度，而温度是系统内大量分子做无规则运动剧烈程度的标志。
热传递的前提条件是两个系统之间要有温度差，传递的是热量而不是温度。
【特别提醒】能否发生热传递过程，取决于两个物体的温度，与原来物体内能的多少大小无关。热传递过程能量可以由内能大的物体传到内能小的物体上，也可以由内能小的物体传到内能大的物体上。
改变内能的两种方式
做功
热传递
对内
对外
吸热
放热
内能增加
内能增加
内能减少
内能减少
（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）
课堂小结
【例题1】如果一个系统达到了平衡态，那么这个系统各处的（ ）
A.温度、压强、体积都必须达到稳定的状态不再变化
B.温度一定达到了某一稳定值，但压强和体积仍是可以变化的
C.温度一定达到了某一稳定值，并且分子不再运动，达到了“凝固”状态
D.温度、压强稳定，但体积仍可变化
解析：
如果一个系统达到了平衡态，系统内各部分的状态参量如温度、压强和体积等不再随时间发生变化。温度达到稳定值，分子仍然是运动的，不可能达到所谓的“凝固”状态。
A
典例分析
【例题2】下列说法正确的是（ ）
A.放在腋下足够长时间的水银体温计中的水银与人体达到热平衡
B.温度相同的棉花和石头相接触，需要经过一段时间才能达到热平衡
C.若a与b、c分别达到热平衡，则b、c之间也达到了热平衡
D.两物体温度相同，可以说两物体达到了热平衡
解析：
当温度计的液泡与被测物体紧密接触时，如果两者的温度有差异，它们之间就会发生热传递，高温物体将向低温物体传热，最终使二者的温度达到相等，即达到热平衡，故A、D正确；两个物体的温度相同时，不会发生热传递，已经达到热平衡，故B错误；若a与b、c分别达到热平衡，三者温度一定相等，所以b、c之间也达到了热平衡，故C正确。
ACD
【例题3】关于温度与温标，下列说法正确的是( )
A.用摄氏温标和热力学温标表示温度是两种不同的表示方法
B.水的沸点为100 ℃，用热力学温度表示即为373.15 K
C.水从0 ℃升高到100 ℃，用热力学温度表示即为从273.15 K升高到373.15 K
D.温度由摄氏温度t升至2t，对应的热力学温度由T升到2T
解析：
温标是温度数值的表示方法，常用的温标有摄氏温标和热力学温标，选项A正确；根据T＝t＋273.15 K可知，100 ℃相当于热力学温度373.15 K，水从0 ℃升高到100 ℃，即从273.15 K升高到373.15 K；温度由摄氏温度t升高到2t，对应的热力学温度从T＝t＋273.15 K升高到2t＋273.15 K，选项B、C正确，D错误。
ABC
1、下列关于热量的说法，正确的是 （ ）
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
解析：热量和功都是过程量，而内能是一个状态量，所以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。
CD
当堂小练
2、关于物体的内能，下列说法正确的是（　 ）
A.相同质量的两种物体，升高相同的温度，内能增量一定相同
B.一定量0℃的水结成0℃的冰，内能一定减少
C.一定量气体体积增大，但既不吸热也不放热，内能一定减少
D.一定量气体吸收热量而保持体积不变，内能一定减少
解析：内能是物体内所有分子的动能和相互作用的势能之和。相同质量的两种物体，分子数不同，初始温度及分子间相互作用都不尽相同，升高相同的温度时，内能增量不一定相同，项A错误；0℃的水结成0℃的冰，既放出热量，又增大体积对外做功，因此，其内能一定减少，B项正确；一定量气体经历绝热膨胀过程，对外做功，气体的内能一定减少，选项C正确；一定量气体吸收热量而体积不变，气体不对外做功，内能一定增加而不可能减少，D项错误。
BC
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
解析：因高压空气急剧外逸时，气体没有时间充分与外界发生热交换，可近似看成绝热膨胀过程。气体对外做功，内能减小，所以关闭开关时，筒内气体温度较外界低，再经过较长时间后，筒内外气体温度相同。对筒内剩余气体分析，属于等容升温过程，其压强要变大，大于外界气压，所以再打开开关时，筒内气体要流向筒外。
故选B。
答案：B
4. 2.0℃的水和0℃的冰相比较，以下叙述中正确的是（　　）
A．水分子的平均动能大于冰分子的平均动能
B．水分子的势能比冰分子的势能大
C．1g0℃的水与1g0℃的冰的内能相同
D．1g0℃的水与1g0℃的冰共同升高1℃，它们内能变化相同
解析：A．0℃的水和0它的冰，由于两者都是0℃，故分子的平均动能一样大，选项A错误；
B．0℃的冰熔化成同温度的水，要吸热，此过程中分子平均动能未变，则吸收的热量只能增加势能，故0℃的水分子的势能比0℃的冰分子的势能大，选项B正确；
C．1g0℃的水与1g0℃的冰分子数是一样的。从以上分析可得，0℃的水分子比0℃冰分子势能大，故1g0℃的水的内能比1g0℃的冰的内能大，选项C错误；
D．同上也可知1g0℃它的水与1g0℃的冰都升高1℃，它们吸收的热量不同，故它们的内能变化也不同。选项D错误。
故选B。答案：B
5．研究气体的性质时，可以设想有一种气体可以不计分子大小和分子间相互作用力，我们把它叫做理想气体。对于一定质量的某种理想气体，下列说法正确的是（　　）
A．气体温度升高，每一个分子的动能都增大
B．气体温度升高，气体分子的平均动能增大
C．气体压强是气体分子间的斥力产生的
D．气体对外界做功，气体内能一定减小
解析：AB．气体温度升高，气体分子的平均动能增大，但也有少数气体分子的动能减小，A错误，B正确；
C．气体压强是气体分子持续撞击产生的， C错误；
D．根据热力学第一定律 当气体对外界做功时，同时气体从外界吸收热量，内能不一定减小，D错误。
故选B。
答案：B
THANKS

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