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第三章　熱力學定律
1　功、熱和內能的改變
[學習目標]　
1.了解焦耳的兩個實驗的原理，知道做功和傳熱的實質。
2.知道做功和傳熱是改變內能的兩種方式，明確兩種方式的區別(重難點)。
3.明確內能、功、熱量、溫度四個物理量的區別和聯系。
一、焦耳的實驗
1．絕熱過程：系統不從外界________，也不向外界________的過程。
2．代表性實驗
(1)重物下落時帶動葉片轉動，攪拌容器中的水，水由于摩擦而溫度________。
(2)通過電流的________給液體加熱。
3．實驗結論：在熱力學系統的絕熱過程中，外界對系統做的功僅由過程的________兩個狀態決定，不依賴于做功的具體過程和方式。
4．內能：只依賴于熱力學系統____________的物理量。
1．在焦耳研究功與熱等效性的實驗中，為什么要求盛水的容器采用絕熱材料做外皮？
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2．在教材圖3.1－1和圖3.1－2 所示的兩個實驗中，各是什么形式的能轉化為系統的內能？
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二、功與內能的改變
在空氣壓縮引火儀底部放置少量的硝化棉，迅速壓下筒中的活塞，可以觀察到硝化棉燃燒的火苗。為什么筒底的硝化棉會被點燃呢？
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1．功與內能的改變
在熱力學系統的絕熱過程中，當系統從狀態1經過絕熱過程達到狀態2時，內能的變化量ΔU＝U2－U1，等于外界對系統所做的功W，即ΔU＝________。
2．理解
(1)ΔU＝W的適用條件是________過程。
(2)在絕熱過程中，外界對物體做功，則W________0外界對物體做多少功，物體的內能就________多少，物體對外界做功，則W________0，物體對外界做多少功，物體的內能就________多少。
如圖所示，用隔板將一絕熱汽缸分成兩部分，隔板左側充有理想氣體，右側與絕熱活塞之間是真空的。現將隔板抽開，氣體會自發擴散至整個汽缸。待氣體達到穩定后，緩慢推壓活塞，將氣體壓回到原來的體積。假設整個系統不漏氣，則氣體自發擴散前后內能變化了嗎？為什么？氣體在被壓縮的過程中內能如何變化？為什么？
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例1　(2022·南京市高二期末)騎行山地車是一種健康的運動方式。山地車前輪有特殊的氣壓式減震裝置，其結構如圖。在路面不平時，車身顛簸，活塞上下振動，起到減震的目的。缸內氣體可視為理想氣體，震動引起的氣體狀態變化時間很短，可看成絕熱過程，則活塞迅速下壓時(　　)
A．缸內氣體內能不變
B．缸內氣體對外界做功
C．缸內氣體分子的平均動能增加
D．缸內每個氣體分子對汽缸壁的撞擊力都增大
例2　如圖所示，一個質量為20 kg的絕熱汽缸豎直放置，絕熱活塞的質量為5 kg，面積為0.1 m2，處于靜止狀態時，被封閉氣體的高度為50 cm，現在活塞上方加一質量為15 kg的物體，待穩定后，被封閉氣體的高度變為40 cm。求在這一過程中氣體的內能增加了多少。(p0＝1.01×105 Pa，g取10 m/s2)
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功與內能的區別
(1)功是過程量，內能是狀態量。
(2)物體的內能大，并不意味著外界對它做功多，只有在絕熱過程中，內能變化越大時相應做的功越多。
三、熱與內能的改變
1．傳熱
(1)條件：物體的________不同。
(2)傳熱：熱從__________物體傳到了________物體。
2．熱和內能
(1)熱量：在單純的傳熱過程中系統_________________________________________
變化的量度。
(2)熱與內能的改變
①當系統從狀態1經過單純的傳熱達到狀態2時，內能的變化量ΔU＝U2－U1等于外界向系統傳遞的熱量Q，即ΔU＝________________________________________________。
②理解：在單純傳熱的過程中，系統從外界吸收熱量，則Q____0，系統從外界吸收了多少熱量，系統的內能就________多少，系統向外界放熱，則Q______0，系統向外界放了多少熱量，系統的內能就________多少。
3．傳熱與做功在改變系統內能上的異同
(1)做功和傳熱都能引起系統______的改變。
(2)做功時，內能與其他形式的能(如內能與機械能、內能與電能等)發生______；傳熱只是不同物體(或一個物體的不同部分)之間內能的________。
1．如圖所示是傳熱的三種方式——傳導、對流和輻射。這三種方式在傳遞能量時有什么共同點？
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2．一根金屬棒的溫度升高了，也就是說它的內能增加了，你能判斷出它是通過哪種方式增加內能的嗎？為什么？
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(1)熱量一定從內能多的物體傳遞給內能少的物體。(　　)
(2)做功和傳熱都可以改變物體的內能，從效果上是等效的。(　　)
(3)傳熱只能發生在兩個物體間，同一物體不能發生傳熱。(　　)
例3　下列現象中，通過傳熱的方法來改變物體內能的是(　　)
A．打開電燈開關，燈絲的溫度升高，內能增加
B．太陽能熱水器在陽光照射下，水的溫度逐漸升高
C．用磨刀石磨刀時，刀片的溫度升高，內能增加
D．打擊鐵釘，鐵釘的溫度升高，內能增加
例4　在外界不做功的情況下，物體的內能增加了50 J，下列說法正確的是(　　)
A．一定是物體放出了50 J的熱量
B．一定是物體吸收了50 J的熱量
C．一定是物體分子動能增加了50 J
D．物體分子的分子勢能增加了50 J
例5　對于熱量、功和內能三個物理量，下列說法中正確的是(　　)
A．熱量和功與過程有關，而內能與狀態有關
B．熱量、功和內能的物理意義相同
C．熱量和功都可以作為內能的量度
D．內能大的物體具有的熱量多
熱量、溫度與內能的區別
1．熱量是系統內能變化的量度，而溫度是系統內大量分子做無規則運動劇烈程度的標志，傳熱的前提是兩個系統之間要有溫度差，傳遞的是熱量而不是溫度。
2．內能是狀態量，熱量是過程量。熱量只有在涉及能量的轉移時才有意義。不能說物體具有多少熱量，只能說某一過程中物體吸收或放出了多少熱量。
3．物體的內能大，并不意味著傳熱多。只有在僅傳熱過程中，內能變化越大時，相應的傳熱才越多。
1　功、熱和內能的改變
[學習目標]　1.了解焦耳的兩個實驗的原理，知道做功和傳熱的實質。2.知道做功和傳熱是改變內能的兩種方式，明確兩種方式的區別(重難點)。3.明確內能、功、熱量、溫度四個物理量的區別和聯系。
一、焦耳的實驗
1．絕熱過程：系統不從外界吸熱，也不向外界放熱的過程。
2．代表性實驗
(1)重物下落時帶動葉片轉動，攪拌容器中的水，水由于摩擦而溫度上升。
(2)通過電流的熱效應給液體加熱。
3．實驗結論：在熱力學系統的絕熱過程中，外界對系統做的功僅由過程的始末兩個狀態決定，不依賴于做功的具體過程和方式。
4．內能：只依賴于熱力學系統自身狀態的物理量。
1．在焦耳研究功與熱等效性的實驗中，為什么要求盛水的容器采用絕熱材料做外皮？
答案　隔絕與外界熱量的交換，使水溫度的升高只由葉片攪拌引起。
2．在教材圖3.1－1和圖3.1－2 所示的兩個實驗中，各是什么形式的能轉化為系統的內能？
答案　(1)重物下落，減少的重力勢能轉為系統的內能；(2)重物帶動發電機工作，將機械能轉化為電能，發電機工作，將電能轉化為液體的內能。
二、功與內能的改變
在空氣壓縮引火儀底部放置少量的硝化棉，迅速壓下筒中的活塞，可以觀察到硝化棉燃燒的火苗。為什么筒底的硝化棉會被點燃呢？
答案　外界對筒內氣體做功，使氣體內能增加，溫度升高，達到硝化棉的燃點后引起硝化棉燃燒。
1．功與內能的改變
在熱力學系統的絕熱過程中，當系統從狀態1經過絕熱過程達到狀態2時，內能的變化量ΔU＝U2－U1，等于外界對系統所做的功W，即ΔU＝W。
2．理解
(1)ΔU＝W的適用條件是絕熱過程。
(2)在絕熱過程中，外界對物體做功，則W>0外界對物體做多少功，物體的內能就增加多少，物體對外界做功，則W<0，物體對外界做多少功，物體的內能就減少多少。
如圖所示，用隔板將一絕熱汽缸分成兩部分，隔板左側充有理想氣體，右側與絕熱活塞之間是真空的。現將隔板抽開，氣體會自發擴散至整個汽缸。待氣體達到穩定后，緩慢推壓活塞，將氣體壓回到原來的體積。假設整個系統不漏氣，則氣體自發擴散前后內能變化了嗎？為什么？氣體在被壓縮的過程中內能如何變化？為什么？
答案　氣體向真空擴散過程中不對外做功，且又因為汽缸絕熱，可知氣體自發擴散前后內能不變；
氣體在被壓縮的過程中活塞對氣體做功，因汽缸絕熱，則氣體內能增大。
例1　(2022·南京市高二期末)騎行山地車是一種健康的運動方式。山地車前輪有特殊的氣壓式減震裝置，其結構如圖。在路面不平時，車身顛簸，活塞上下振動，起到減震的目的。缸內氣體可視為理想氣體，震動引起的氣體狀態變化時間很短，可看成絕熱過程，則活塞迅速下壓時(　　)
A．缸內氣體內能不變
B．缸內氣體對外界做功
C．缸內氣體分子的平均動能增加
D．缸內每個氣體分子對汽缸壁的撞擊力都增大
答案　C
解析　活塞迅速下壓時，氣體體積減小，外界對氣體做功，因汽缸絕熱，則氣體內能增加，溫度升高，缸內氣體分子的平均動能增加，但并非每個氣體分子的動能都增加，即不是缸內每個氣體分子對汽缸壁的撞擊力都增大，故選項C正確，A、B、D錯誤。
例2　如圖所示，一個質量為20 kg的絕熱汽缸豎直放置，絕熱活塞的質量為5 kg，面積為0.1 m2，處于靜止狀態時，被封閉氣體的高度為50 cm，現在活塞上方加一質量為15 kg的物體，待穩定后，被封閉氣體的高度變為40 cm。求在這一過程中氣體的內能增加了多少。(p0＝1.01×105 Pa，g取10 m/s2)
答案　1 030 J
解析　由于汽缸及活塞均絕熱，故外界對氣體所做的功全部轉化為氣體的內能，即ΔU＝W外＝(m活塞＋m物體)gΔh＋p0SΔh＝(5＋15)×10×0.1 J＋1.01×105×0.1×0.1 J＝1 030 J。
功與內能的區別
(1)功是過程量，內能是狀態量。
(2)物體的內能大，并不意味著外界對它做功多，只有在絕熱過程中，內能變化越大時相應做的功越多。
三、熱與內能的改變
1．傳熱
(1)條件：物體的溫度不同。
(2)傳熱：熱從高溫物體傳到了低溫物體。
2．熱和內能
(1)熱量：在單純的傳熱過程中系統內能變化的量度。
(2)熱與內能的改變
①當系統從狀態1經過單純的傳熱達到狀態2時，內能的變化量ΔU＝U2－U1等于外界向系統傳遞的熱量Q，即ΔU＝Q。
②理解：在單純傳熱的過程中，系統從外界吸收熱量，則Q>0，系統從外界吸收了多少熱量，系統的內能就增加多少，系統向外界放熱，則Q<0，系統向外界放了多少熱量，系統的內能就減少多少。
3．傳熱與做功在改變系統內能上的異同
(1)做功和傳熱都能引起系統內能的改變。
(2)做功時，內能與其他形式的能(如內能與機械能、內能與電能等)發生轉化；傳熱只是不同物體(或一個物體的不同部分)之間內能的轉移。
1．如圖所示是傳熱的三種方式——傳導、對流和輻射。這三種方式在傳遞能量時有什么共同點？
答案　三種方式都是熱量從一個物體傳遞到另一個物體。
2．一根金屬棒的溫度升高了，也就是說它的內能增加了，你能判斷出它是通過哪種方式增加內能的嗎？為什么？
答案　不能，因為做功和傳熱都能改變物體的內能。
(1)熱量一定從內能多的物體傳遞給內能少的物體。(　×　)
(2)做功和傳熱都可以改變物體的內能，從效果上是等效的。(　√　)
(3)傳熱只能發生在兩個物體間，同一物體不能發生傳熱。(　×　)
例3　下列現象中，通過傳熱的方法來改變物體內能的是(　　)
A．打開電燈開關，燈絲的溫度升高，內能增加
B．太陽能熱水器在陽光照射下，水的溫度逐漸升高
C．用磨刀石磨刀時，刀片的溫度升高，內能增加
D．打擊鐵釘，鐵釘的溫度升高，內能增加
答案　B
解析　打開電燈開關，燈絲的溫度升高，是通過電流做功的方法來改變物體內能的，A錯誤；太陽能熱水器中水的內能增加是以傳熱方式進行的，B正確；用磨刀石磨刀時，刀片溫度升高，是通過做功的方法來改變物體內能的，C錯誤；打擊鐵釘，鐵釘溫度升高，是通過做功的方法來改變物體內能的，D錯誤。
例4　在外界不做功的情況下，物體的內能增加了50 J，下列說法正確的是(　　)
A．一定是物體放出了50 J的熱量
B．一定是物體吸收了50 J的熱量
C．一定是物體分子動能增加了50 J
D．物體分子的分子勢能增加了50 J
答案　B
解析　在外界不做功的情況下，內能的變化量等于外界向物體傳遞的熱量，內能增加50 J，一定是物體吸收了50 J的熱量，故A錯誤，B正確；物體內能包括所有分子的動能和勢能，內能由分子數、分子平均動能、分子勢能共同決定，所以內能增加了50 J并不一定是分子動能增加了50 J，也不一定是分子勢能增加了50 J，故C、D錯誤。
例5　對于熱量、功和內能三個物理量，下列說法中正確的是(　　)
A．熱量和功與過程有關，而內能與狀態有關
B．熱量、功和內能的物理意義相同
C．熱量和功都可以作為內能的量度
D．內能大的物體具有的熱量多
答案　A
解析　熱量和功是過程量，與過程有關，而內能是狀態量，與狀態有關，故A正確；熱量、功和內能是三個不同的物理量，它們的物理意義不同，熱量反映了物體內能的變化的多少，功是能量轉化的量度，內能是物體內所有分子動能和勢能之和，做功和熱量都可以作為改變物體內能變化的量度，而不是內能的量度，故B、C錯誤；熱量是過程量，不是狀態量，不能說內能大的物體具有的熱量多，故D錯誤。
熱量、溫度與內能的區別
1．熱量是系統內能變化的量度，而溫度是系統內大量分子做無規則運動劇烈程度的標志，傳熱的前提是兩個系統之間要有溫度差，傳遞的是熱量而不是溫度。
2．內能是狀態量，熱量是過程量。熱量只有在涉及能量的轉移時才有意義。不能說物體具有多少熱量，只能說某一過程中物體吸收或放出了多少熱量。
3．物體的內能大，并不意味著傳熱多。只有在僅傳熱過程中，內能變化越大時，相應的傳熱才越多。

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