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第三章 熱力學(xué)定律
3.1 功、熱和內(nèi)能
1.了解焦耳的兩個(gè)實(shí)驗(yàn).
2.知道做功和熱傳遞是改變內(nèi)能的兩種方式，能正確區(qū)分兩者的異同點(diǎn).
3.理解內(nèi)能與功、熱量的關(guān)系.
學(xué)習(xí)目標(biāo)
思維拓展
在有機(jī)玻璃筒底放少量浸有乙醚的棉花，壓下活塞，觀察棉花的變化。
觀察與思考
1818年12月24日生于英國(guó)曼徹斯特，起初研究電學(xué)和磁學(xué)。 1840年在英國(guó)皇家學(xué)會(huì)上宣布了電流通過(guò)導(dǎo)體產(chǎn)生熱量的定律，即焦耳定律。焦耳測(cè)量了熱與機(jī)械功之間的當(dāng)量關(guān)系——熱功當(dāng)量，為熱力學(xué)第一定律和能量守恒定律的建立奠定了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
系統(tǒng)只由于外界對(duì)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(guò)程叫絕熱過(guò)程
焦耳實(shí)驗(yàn)是一個(gè)需要在絕熱過(guò)程中完成的實(shí)驗(yàn)
焦耳熱功當(dāng)量實(shí)驗(yàn)一——機(jī)械功
一、焦耳的實(shí)驗(yàn)
重力做功
相同
水溫上升數(shù)值相同
系統(tǒng)狀態(tài)變化相同
焦耳熱功當(dāng)量實(shí)驗(yàn)二——電功
一、焦耳的實(shí)驗(yàn)
電流做的功
相同
系統(tǒng)溫度上升數(shù)值相同
系統(tǒng)狀態(tài)變化相同
做功方式 機(jī)械功 電功
實(shí)驗(yàn)條件 絕熱過(guò)程 共性 外界對(duì)系統(tǒng)做功相同，系統(tǒng)溫度上升數(shù)值相同， 即系統(tǒng)的狀態(tài)發(fā)生相同的變化 一、焦耳的實(shí)驗(yàn)
在各種不同的絕熱過(guò)程中，如果使系統(tǒng)從狀態(tài)1變?yōu)闋顟B(tài)2，所需外界做功的數(shù)量是相同的，而與做功的方式無(wú)關(guān)。
結(jié)論：
1、內(nèi)能：
任何一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)都必定存在一個(gè)只依賴于系統(tǒng)自身狀態(tài)的一種能量，
這種能量叫做系統(tǒng)的內(nèi)能（U）。
2、功與內(nèi)能的改變：
二、功與內(nèi)能的改變
絕熱過(guò)程中外界對(duì)系統(tǒng)所做的功等于系統(tǒng)內(nèi)能的變化量。
U = U2 - U1 = W
在絕熱過(guò)程中，外界對(duì)系統(tǒng)做功，系統(tǒng)的內(nèi)能增加；
系統(tǒng)對(duì)外做功，系統(tǒng)的內(nèi)能減少。
二、功與內(nèi)能的改變
（2）若系統(tǒng)對(duì)外界做功 (氣體不自由膨脹)，W < 0，則 U < 0，系統(tǒng)的內(nèi)能減少
（1）若外界對(duì)系統(tǒng)做功 (壓縮氣體)，W > 0，則 U > 0，系統(tǒng)的內(nèi)能增加
二、功與內(nèi)能的改變
U = U2 - U1 = W
1. 功是過(guò)程量，內(nèi)能是狀態(tài)量。
2. 在絕熱過(guò)程中，做功一定能引起內(nèi)能的變化。
3. 物體的內(nèi)能大，并不意味著做功多。在絕熱過(guò)程中，只有內(nèi)能變化越大時(shí)，相應(yīng)地做功才越多。
功與內(nèi)能的區(qū)別
二、功與內(nèi)能的改變
兩個(gè)溫度不同的物體相互接觸時(shí)溫度高的物體要降溫，溫度低的物體要升溫，我們說(shuō)，熱量從高溫物體傳到了低溫物體。這樣的過(guò)程叫做熱傳遞。
發(fā)生熱傳遞的條件
熱傳遞過(guò)程中的特征量
三、熱與內(nèi)能的改變
熱對(duì)流
熱輻射
熱傳導(dǎo)
熱傳遞的三種方式
三、熱與內(nèi)能的改變
熱量：
在單純的熱傳遞過(guò)程中系統(tǒng)內(nèi)能變化的量度，
離開(kāi)熱傳遞的過(guò)程講熱量沒(méi)有意義，過(guò)程量。
三、熱與內(nèi)能的改變
三、熱與內(nèi)能的改變
在外界對(duì)系統(tǒng)不做功的情況下，
外界傳遞給系統(tǒng)的熱量等于系統(tǒng)內(nèi)能的變化量。
△U= U2 — U1 =Q
（1）若物體吸熱，Q>0，則 ΔU>0，內(nèi)能增加
（2）若物體放熱，Q<0，則 ΔU<0，內(nèi)能減少.
1. 內(nèi)能是由系統(tǒng)的狀態(tài)決定的，狀態(tài)確定，系統(tǒng)的內(nèi)能也隨之確定。
2. 熱量是熱傳遞過(guò)程中的特征物理量，熱量是用來(lái)衡量物體內(nèi)能變化的特征量，離開(kāi)過(guò)程，熱量毫無(wú)意義。
3. 對(duì)某一狀態(tài)而言，只有“內(nèi)能”，根本不存在“熱量”和“功”。不能說(shuō)一個(gè)系統(tǒng)中含有多少熱量。
熱量與內(nèi)能的區(qū)別
三、熱與內(nèi)能的改變
比較項(xiàng)目 做功 熱傳遞
內(nèi)能變化 外界對(duì)物體做功，物體的內(nèi)能增加；物體對(duì)外界做功，物體的內(nèi)能減少. 物體吸收熱量，內(nèi)能增加；
物體放出熱量，內(nèi)能減少.
物理實(shí)質(zhì) 其他形式的能與內(nèi)能之間的轉(zhuǎn)化 不同物體間或同一物體不同部分之間內(nèi)能的轉(zhuǎn)移
相互聯(lián)系 做一定量的功或傳遞一定量的熱量在改變內(nèi)能的效果上是相同的 改變內(nèi)能兩種方式的比較
一定質(zhì)量的理想氣體從外界吸收100J的熱量，同時(shí)外界對(duì)它做功120J，它的內(nèi)能的變化是多少？
思考與討論
如何用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示這三個(gè)物理量的關(guān)系？
增加220J
[例1] 如圖所示，一個(gè)質(zhì)量為20 kg的絕熱汽缸豎直放置，絕熱活塞的質(zhì)量為5 kg，面積為0.1 m2，處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)被封閉氣體的高度為50 cm，現(xiàn)在活塞上方加一15 kg的物體，待穩(wěn)定后，被封閉氣體的高度變?yōu)?0 cm。求在這一過(guò)程中氣體的內(nèi)能變化了多少？(p0＝1.01×105 Pa，g取10 m/s2)
做功與氣體體積變化的關(guān)系
壓縮氣體
V減小
外界對(duì)氣體做功
絕熱
U增加
氣體不自
由膨脹
V增加
氣體對(duì)外界做功
絕熱
U減小
氣體自
由膨脹
V增加
氣體對(duì)外界不做功
絕熱
U不變
K
氣體A
非真空
K
氣體A
真空B
K
氣體A
[例2] 如圖所示，一定質(zhì)量的理想氣體密封在絕熱(即與外界不發(fā)生熱交換)容器中，容器內(nèi)裝有一可以活動(dòng)的絕熱活塞。今對(duì)活塞施加一豎直向下的壓力F，使活塞緩慢向下移動(dòng)一段距離后，氣體的體積減小。若忽略活塞與容器壁間的摩擦力，則被密封的氣體(　　)
A.溫度升高，壓強(qiáng)增大，內(nèi)能減少
B.溫度降低，壓強(qiáng)增大，內(nèi)能減少
C.溫度升高，壓強(qiáng)增大，內(nèi)能增加
D.溫度降低，壓強(qiáng)減小，內(nèi)能增加
C

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