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§3.1 功、熱和內能的改變
高二物理（人教版2019）
選擇性必修 第三冊
第三章 熱力學定律
情景：如果有一天你流落荒島
如何才能生火？
一、焦耳的實驗
系統只由于外界對它做功而與外界交換能量，它不從外界吸熱，也不向外界放熱，這樣的過程叫做絕熱過程.
絕熱過程：
　　1818年12月24日生于英國曼徹斯特，起初研究電學和磁學。1840年在英國皇家學會上宣布了電流通過導體產生熱量的定律，即焦耳定律。焦耳測量了熱與機械功之間的當量關系——熱功當量，為熱力學第一定律和能量守恒定律的建立奠定了實驗基礎。
焦耳的實驗
在焦耳研究功與熱等效性的許多實驗中，有兩個最具代表性。一個是讓重物下落帶動葉片攪拌容器中的水，引起水溫上升；另一個是通過電流的熱效應給水加熱。
焦耳的實驗1
絕熱過程
問題2：相同質量物體下落的不同高度，重力做功會有什么關系？水的溫度升高相同嗎？
問題1：相同質量物體下落相同的高度,重力做功會有什么關系？水的溫度升高相同嗎？
問題3：不同物體下落不同高度，但重力做功相同，水的溫度升高相同嗎？
焦耳的實驗1
焦耳的多次實驗測量表明：
WG相同
t相同
內能的改變相同
焦耳的實驗2
問題：如果不同的電流，經過不同的時間，但電流做功相同，水的溫度升高相同嗎？
多次實驗結果表明（如果過程是絕熱的）：
W電相同
t相同
內能的改變相同
焦耳的實驗
始末狀態，是不是似曾相識
結論：在各種不同的絕熱過程中，
只與始末兩個狀態決定
內能的變化與做功的過程和方式無關
在熱力學系統的絕熱過程中，外界對系統所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。
功是能量轉化的量度
內能U
：只依賴于系統自身狀態的物理量
內能與狀態參量溫度、體積有關，即由它的狀態決定
系統狀態：實質就是物體的內能U。
熱傳遞
做功
改變內能的兩種方式
做功可以改變系統的內能．功是系統內能轉化的量度．
(2)系統對外界做功，系統的內能減少．
在絕熱過程中，系統對外界做多少功，內能就減少多少，即ΔU＝W.
(1)外界對系統做功，系統的內能增加．
在絕熱過程中，內能的增量就等于外界對系統做的功．即ΔU＝U2－U1＝W.
二、功與內能的改變
物理量 符號 意義 符號 意義
W
ΔU
系統對外界做功
外界對系統做功
內能增加
內能減少
+
ΔU>0
－
ΔU<0
問題與練習
舉幾個例子說明做功可以改變系統的內能。
1、在水平公路上行駛的汽車，發動機熄火后，速度越來越小，最后停止。汽車克服阻力做功，將機械能轉化為內能。
2、在阻尼震動中，單擺的振幅越來越小，最后停下來。單擺克服阻力做功，機械能轉化為內能。
3、在電磁感應中，將線框的機械能轉化為線框中的電能，電能再轉化為內能，使線框發熱。
4、給自行車打氣時，氣筒壁會發熱
5、鋸木頭，鋸條會很燙
6、冬天，手冷時，兩手互相搓一搓
A．外界對氣體做功，氣體內能增大
B．外界對氣體做功，氣體內能減小
C．氣體對外界做功，氣體內能增大
D．氣體對外界做功，氣體內能減小
氣體體積減小，外界對氣體做功
△U=W
內能增加
A
1.下圖為某種椅子與其升降部分的結構示意圖，M、N兩筒間密閉了一定質量的氣體，M可沿N的內壁上下滑動，設筒內氣體不與外界發生熱交換，在M向下滑動的過程中(　　)
2.地面附近有一正在上升的空氣團，它與外界的熱交換忽略不計．已知大氣壓強隨高度增加而降低，則該空氣團在上升過程中(不計氣團內分子間的勢能) (　　)
A．體積減小，溫度降低
B．體積減小，溫度不變
C．體積增大，溫度降低
D．體積減小，溫度不變
壓強減小
體積增大
對外界做功
△U=W
內能減小
不計分子間的勢能
動能減小
溫度降低
C
做功與氣體體積變化的關系
壓縮氣體
V減小
外界對氣體做功
絕熱
U增加
氣體不自由膨脹
V增加
氣體對外界做功
絕熱
U減小
氣體自由膨脹
V增加
氣體對外界不做功
絕熱
U不變
K
氣體A
K
氣體A
真空B
K
氣體A
真空B
★★★氣體的自由膨脹不做功。
A．氣體對外界做功，溫度降低，內能減少
B．氣體對外界做功，溫度不變，內能減少
C．氣體不做功，溫度不變，內能不變
D．氣體不做功，溫度不變，內能減少
氣體自由膨脹不做功
△U=W
內能不變
不計氣體的分子勢能
溫度不變
C
3.如圖所示，絕熱容器中間用隔板隔開，左側裝有氣體，右側為真空．現將隔板抽掉,使左側氣體自由膨脹直至達到平衡，則在此過程中(不計氣體的分子勢能)(　　)
1. 熱傳遞：兩個溫度不同的物體互相接觸時，溫度高的物體要降溫，溫度低的物體要升溫，并將持續到系統間達到熱平衡即溫度相等為止，這個過程稱之為熱傳遞。
2. 熱傳遞的三種方式：熱傳導、熱對流、熱輻射。
4. 熱傳遞具有方向性：熱量從高溫物體傳遞到低溫物體，或從物體的高溫部分傳遞到低溫部分，不會自發地從低溫物體傳遞到高溫物體或從物體的低溫部分傳遞到高溫部分。
3. 單純的熱傳遞過程中系統內能變化的量度：熱量 Q
三、熱與內能的改變
5. 傳遞的熱量與內能改變量的關系 :
在單純的熱傳遞過程中，內能的變化等于外界向系統傳遞的熱量
U = U2 - U1 = Q
若物體吸熱，Q>0，則 ΔU>0，內能增加；
若物體放熱，Q<0，則 ΔU<0，內能減少.
比較項目 做功 熱傳遞
內能變化 外界對物體做功, 物體的內能增加；物體對外界做功, 物體的內能減少 . 物體吸收熱量，內能增加；
物體放出熱量，內能減少 .
物理實質 其他形式的能（機械能、電能等）與內能之間的轉化（不同形式能量間的轉化） 不同物體間或同一物體不同部分之間內能的轉移（同種形式能量的轉移）
相互聯系 做一定量的功或傳遞一定量的熱量在改變內能的效果上是相同的 （做功和熱傳遞在改變物體的內能上是等效的） 做功和熱傳遞的區別
溫度、內能、熱量和功的區別與聯系
溫度、內能、熱量和功的區別與聯系
1．關于熱傳遞，下列說法正確的是( )
A．熱傳遞的實質是溫度的傳遞
B．物體間存在溫度差，才能發生熱傳遞
C．熱傳遞可以在任何情況下進行
D．物體內能發生改變，一定是吸收或放出了熱量
熱量
物體間存在溫度差才能發生熱傳遞.在達到溫度相同后停止熱傳遞
可能是與外界發生了熱傳遞，也可能是由于外界對其做功或其對外界做功
B
電流做功改變內能
2. 在下述現象中沒有通過做功而使物體內能改變的是(　　)
A．電流通過電爐而使溫度升高
B．在陽光照射下，水的溫度升高
C．鐵錘打鐵塊，使鐵塊溫度升高
D．夏天在室內放幾塊冰，室內會變涼快
熱傳遞
鐵錘對鐵塊做功
熱傳遞
BD
3.對于熱量、功、內能三個量，下列說法中正確的是(　　)
A．熱量、功、內能三個量的物理意義是等同的
B．熱量和功二者可作為物體內能大小的量度
C．熱量、功和內能的國際單位都相同
D．熱量和功是由過程決定的，而內能是由物體的狀態決定的
熱量、功和內能的單位相同都是焦耳
熱量和功是過程量，內能是狀態量，熱量和功二者可作為物體內能改變的量度而不是內能大小的量度
CD
不同
4．(雙選)下列關于熱量的說法，正確的是( )
CD
A．溫度高的物體含有的熱量多
B．內能多的物體含有的熱量多
C．熱量、功和內能的單位相同
D．熱量和功都是過程量，而內能是一個狀態量
熱量和功都是過程量，而內能是一個狀態量
不能說溫度高的物體含有的熱量多，內能多的物體含有的熱量多
熱量、功和內能的單位相同都是焦耳
課堂小結
改變內能的兩種方式 做功 熱傳遞
U=U2-U1=W U=U2-U1=Q
在絕熱過程中， 對內做功(W > 0)，內能增加(U ↑)； 對外做功(W < 0)，內能減少(U ↓)。 在單純傳熱中，
吸收熱量(Q > 0)，內能增加(U ↑)；
放出熱量(Q < 0)，內能減少(U ↓)。

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