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(共42張PPT)
1. 功、熱和內能的改變
人教版（2019）物理（選擇性必修第三冊）
第三章 熱力學定律
目錄
素養目標
01
課程導入
02
新課講解
03
總結歸納
04
課堂練習
05
正確教育
素養目標
1.了解焦耳的兩個實驗原理，認識焦耳實驗探究對建立熱力學規律的意義
2.知道做功與傳熱在改變系統內能上的區別，并會區分熱量和內能的概念
3.理解做功與內能的改變與傳熱與內能的改變的關系，會解釋相關的現象
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？你能解釋這個現象嗎？
正確教育
焦耳的實驗
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
絕熱過程：
焦耳實驗是一個需要在絕熱過程中完成的實驗
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，這樣的過程叫絕熱過程
焦耳的實驗—重力做功
實驗裝置
實驗原理
重物下落帶動輪葉旋轉，通過攪拌對絕熱容器內的液體做功，使液體升溫，即狀態發生變化.
實驗條件
實驗結論
整個系統處于絕熱過程，通過改變懸掛重物的質量和下落高度，進行多次實驗測量。
只要重力所做的功相同，容器中水溫上升的數值就 是相同的，即系統的狀態變化是相同的。由于實驗比較了重力做功與系統溫度變化的關系， 所以該實驗也稱為熱功當量實驗。
實驗裝置
焦耳的實驗—電流做功
實驗原理
讓正在下降的重物帶動發電機發電，電流通過浸在液體中的電阻絲，由電流的熱效應給液體加熱，使液體溫度上升。
焦耳的實驗—電流做功
對于同一個系統，如果過程是絕熱的，那么不管通過電阻絲的電流或大或小、通電時間或長或短，只要所做的電功相等，則系統溫度上升的數值是相同的，即系統的狀態就發生了同樣的變化。
焦耳的多次實驗測量結論
1.實驗條件
絕熱過程：系統不從外界 ，也不向外界 。
2.代表性實驗
(1)讓重物下落帶動葉片攪拌容器中的水，引起水溫 。
(2)通過電流的 給水加熱。
3.實驗結論
在各種不同的絕熱過程中，如果使系統從狀態1變為狀態2，所需外界做功的數量是
的，即要使系統狀態通過絕熱過程發生變化，做功的數量只由過程始末兩個 決定，而與做功的方式 。
吸熱
吸熱
上升
熱效應
相同
狀態1、2
無關
內能：
任何一個熱力學系統必定存在一個只依賴于系統自身狀態的物理量，這個物理量在兩個狀態間的差別與外界在絕熱過程中對系統做的功相聯系。鑒于功是能量變化的量度，所以這個物理量必定是系統的一種能量，我們把它稱為系統的內能。
1.如圖是研究內能改變與功之間關系的兩個典型實驗，那么從這兩個實驗中可得出的結論是（ ）
A.能量守恒定律
B.機械能守恒定律
C.在各種不同的絕熱過程中，
系統狀態的改變與做功方式
無關，僅與做功數量有關
D.在各種不同的絕熱過程中，系統狀態的改變不僅與做功方式有關，還與做功數量有關
經典例題
C
通過這兩個實驗，可得出的結論是在各種不同的絕熱過程中，系統狀態的改變與做功方式無關，僅與做功數量有關。故選項C正確。
正確教育
功與內能的改變
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
ΔU=U2-U1
=
系統內能增量
外界對系統所做的功W
熱量交換Q = 0
U1
U2
在絕熱過程中，外界對物體做功，物體的內能怎么變？若物體對外界做功呢？請舉例說明。
在本課引入實驗中，為什么壓桿快速壓縮空氣，筒底的易燃棉花會被點燃呢？
結論1：在絕熱過程中，外界對氣體做功，氣體內能增加
壓桿快速壓縮空氣，對空氣做功，空氣內能迅速增加，由于來不及散熱，溫度短時間內急劇升高，從而點燃棉花。
觀察橡膠塞跳出時瓶內的變化
觀察橡膠塞跳出時瓶內的變化
瓶塞跳出時，瓶內出現白霧。
實驗現象：
分析原因：
瓶塞跳出時，瓶內的氣體迅速膨脹，系統對外做功，因此，氣體的內能迅速減少，瓶內氣體溫度迅速下降，瓶內水蒸氣液化，就會出現大量的霧狀小水滴。
功與內能的改變
絕熱過程中，內能的變化等于外力對系統所做的功
U=U2-U1=W
W > 0 , U , U > 0
W < 0 , U , U < 0
↑
↓
2.說明
(1)內能變化只由初末狀態有關，與中間做功過程及方式無關。
(2)做功改變物體內能的過程是其他形式的能(如機械能)與內能相互轉化的過程。
(3)在絕熱過程中，外界對系統做功，系統的內能增加；系統對外做功，系統的內能減少。
功和內能的區別
(1)功是過程量，內能是狀態量。
(2)功不能轉化為內能，而是通過做功的方式把其他形式的能量轉化為內能。
(3)物體的內能大，并不意味著做功多。在絕熱過程中，只有內能變化較大時，對應著做功較多。
2.（多選）下述各種現象中,屬于做功改變內能的是(　　)
A.鋸條鋸木頭，鋸條發燙
B.擦劃火柴，火柴頭著火
C.冬天對著手呵氣，手變暖
D.電流通過導體，導體會發熱
經典例題
ABD
答案：ABD
解析：鋸條鋸木頭,克服摩擦力做功,使鋸條的內能增加、溫度升高而發燙,是利用做功的方式改變內能,選項A正確;擦劃火柴,克服摩擦力做功,使火柴頭的內能增加、溫度升高達到燃點而燃燒,是利用做功的方式改變內能,選項B正確;冬天對著手呵氣,是手從熱氣中吸收熱量,使手的內能增加、溫度升高而變暖,是利用熱傳遞的方式改變內能,選項C錯誤;電流通過導體,電流做功,消耗的電能轉化為內能,使導體發熱,是利用做功的方式改變內能,選項D正確。
正確教育
熱與內能的改變
熱與內能的改變
單純地對系統傳熱也能改變系統的熱力學狀態
熱量Q
T1
T2
U1
U2
ΔU=U2-U1
系統內能增量
=
熱與內能的改變
當系統從狀態1經過單純的傳熱達到狀態2，
內能的增量ΔU = U2-U1就等于外界向系統傳遞的熱量Q，即
ΔU＝Q
即在外界對系統不做功的情況下，外界傳遞給系統的熱量等于系統內能的改變量。
熱量是在單純的傳熱過程中系統內能變化的量度
像做功一樣，熱量的概念也只有在涉及能量的傳遞時才有意義。所以不能說物體具有多少熱量，只能說物體吸收或放出了多少熱量。
物體從外界吸熱，物體內能增加
物體對外界放熱，物體內能減少
熱傳遞的三種方式：熱傳導、熱對流、熱輻射
熱對流
熱傳導
熱輻射
內能與溫度
從宏觀看，溫度表示的是物體的冷熱程度；
從微觀看，溫度反映了分子熱運動的激烈程度，是分子平均動能的標志。物體的溫度升高，其內能一定增加。但向物體傳遞熱量，物體的內能卻不一定增加(可能同時對外做功)。
熱量是系統的內能變化的量度，而溫度是系統內大量分子做無規則運動劇烈程度的標志。
熱傳遞的前提條件是兩個系統之間要有溫度差，傳遞的是熱量而不是溫度
熱量與溫度
【特別提醒】只要存在溫度差，熱傳遞過程就會進行，與原來物體內能的多少大小無關。熱傳遞過程能量可以由內能大的物體傳到內能小的物體上，也可以由內能小的物體傳到內能大的物體上。
做功和熱傳遞的區別
做功使物體內能發生改變，內能的改變就用功的數值來量度。
熱傳遞使物體的內能改變，是物體間內能的轉移（同種形式能量的轉移），從微觀角度，傳熱是在分子相互作用下，通過分子熱運動的碰撞實現內能的轉移。
熱傳遞使物體的內能發生改變，內能的改變用熱量來量度。
①
②做功和熱傳遞在本質上是不同的：
做功使物體的內能改變，是其他形式的能量和內能之間的轉化（不同形式能量間的轉化）
高溫熱源
導熱壁
3.下列過程通過熱傳遞方式導致物體內能改變的是(　　)
A.冬天搓手 B.古人鉆木取火
C.用火爐把水燒開 D.用打氣筒打氣,車胎內氣體溫度升高
經典例題
C
解析：冬天搓手、古人鉆木取火、用打氣筒打氣車胎內氣體溫度升高屬于做功改變物體內能,用火爐把水燒開屬于熱傳遞改變物體的內能。故選項A、B、D錯誤,C正確。
經典例題
4.在這一過程中，下述空氣內能的改變量ΔU、外界對氣體所做的功W與物體及活塞的重力勢能的變化關系正確的是(　　)
A.m0gh+mgΔh=ΔU+W
B.ΔU=W，W=m0gh+mgΔh
C.ΔU=W，WD.ΔU≠W，W=m0gh+mgΔh
C
答案：C
解析：物體與活塞碰撞時有機械能損失,因此物體和活塞重力勢能的減少量大于氣體內能的增加量;根據功與內能增加量的關系可知,外界對氣體所做的功W與空氣內能的變化量相等,因此ΔU=W,W功、熱和內能的改變
焦耳的實驗
功與內能的改變
熱與內能的改變
絕熱過程
對系統做機械功
對系統做電功
內能
U=U2-U1=W
功和內能的區別
U＝Q
熱量
內能與溫度
做功和熱傳遞的區別
如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（ ）
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
A
解析：筒內氣體不與外界發生熱交換，當M向下滑動時，筒內氣體體積變小，外界對氣體做功，使氣體的內能增大，故選A。
一定質量的理想氣體經歷一絕熱膨脹過程。設氣體分子間的勢能可忽略，則在此過程中（ ）
A.外界對氣體做功，氣體分子的平均動能增大
B.外界對氣體做功，氣體分子的平均動能減小
C.氣體對外界做功，氣體分子的平均動能增大
D.氣體對外界做功，氣體分子的平均動能減小
D
解析：絕熱膨脹過程是指氣體膨脹過程未發生熱傳遞，膨脹過程氣體體積增大，氣體對外界做功，則W<0，由ΔU＝U2－U1＝W可知，氣體內能減少，由于理想氣體分子間的勢能忽略，因此氣體分子的平均動能減小。故選項D正確。
（多選）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.一定是物體的分子動能增加了50 J
D.物體分子的平均動能可能不變
BD
答案：BD
解析：在外界不做功的情況下，內能的改變量等于傳遞的熱量，內能增加50 J，一定是吸收了50 J的熱量，故A錯，B對；
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，物體分子的平均動能有可能不變，這時吸收的50 J熱量全部用來增加分子勢能，故C錯，D對。
謝謝觀看

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