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第三章 熱力學定律
第1節 功、熱和內能的改變
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？你能解釋這個現象嗎？
新課導入
學習任務一　焦耳的實驗
[實驗探究]
⑴實驗裝置
⑵實驗原理
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。
實驗1
學習任務一　焦耳的實驗
[實驗探究]
⑶研究對象——熱力學系統：
容器中的水
——封閉系統：與外界沒有物質交換，但有能量交換。
⑷狀態變化過程
系統狀態變化過程中，系統不從外界吸熱，也不向外界放熱。
絕熱過程：
⑸焦耳的多次實驗測量結論
盡管各次懸掛重物的質量不同，下落的高度也不一樣，但只要重力所做的功相同，容器內水溫上升的數值都是相同的，即系統狀態的變化是相同的。
學習任務一
學習任務一　焦耳的實驗
[實驗探究]
實驗2
⑴實驗裝置
⑵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。
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。
⑶焦耳的多次實驗測量結論
學習任務一
學習任務一　焦耳的實驗
[實驗探究]
焦耳的實驗結論
實驗1
重物下落重力做功
葉片攪拌容器中的水
水與葉片摩擦而溫度上升
系統從狀態1
變為狀態2
T1
T2
實驗2
系統從狀態1
變為狀態2
T1
T2
電機發電
電熱絲發熱
發熱絲對水加熱溫度上升
重物下落重力做功
做功的數量只由過程始末兩個狀態1、2決定，而與重物的質量、做功的次數無關。
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狀態1、2決定，而與做功的方式無關。
學習任務一
學習任務一　焦耳的實驗
[教材鏈接]閱讀教材“焦耳的實驗”相關內容,完成下列填空:
(1)代表性實驗
實驗一:重物下落帶動葉片攪拌容器中的水,引起水溫上升.對于同一個系統,如果過程是絕熱的,盡管懸掛重物的質量不同,下落的高度不同,但只要　　　　　　　　相同,系統狀態的變化就相同.
實驗二:通過電流的熱效應給水加熱.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　　　　相等,系統的狀態變化就相同.
實驗結論:在各種不同的　　　　中,系統狀態的改變與做功方式無關,僅與　　　　有關.
(2)絕熱過程:系統只通過　　　　　　　或外界對它做功而與外界交換能量,它不　　　　　　　,也不向外界放熱.
重力所做的功
電功
絕熱過程
做功數量　
對外界做功
從外界吸熱
例1 [2023·合肥一中月考] 如圖所示是焦耳研究熱與功之間關系的兩個典型實驗,那么從焦耳的這兩個實驗中可得出的結論是 (　)
A.系統狀態的改變只能通過傳熱來實現
B.機械能守恒
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
學習任務一
C
[解析]焦耳通過多次實驗,最后得到的結論是: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C.
如果一個熱學過程的狀態變化發生得極快、經歷時間很短，系統與外界交換的熱量就很少，即系統與外界來不及交換熱量，這樣的過程若不計傳遞的熱，可以看成絕熱過程。
在熱力學系統的絕熱過程中，系統從狀態1經過絕熱過程達到狀態2。
ΔU=U2-U1
ΔU=W
系統內能增量
外界對系統所做的功W
1.外界對系統做功：
W>0
，ΔU>0
Q=0
內能增加
U1
U2
壓燃實驗
學習任務二
學習任務二　功與內能的改變
取一個透明塑料瓶，向瓶內注入少量的水。將橡膠塞打孔，安裝上氣門嘴，再用橡膠塞把瓶口塞緊，并向瓶內打氣，觀察橡膠塞跳出時瓶內的變化。
當橡膠塞跳出時，瓶內出現白霧。
實驗現象
做一做
以瓶內氣體為研究對象，橡膠塞跳出后，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。
2、系統對外界做功：
W<0
，ΔU<0
內能減小
熱力學系統
——瓶內氣體
狀態變化過程
——絕熱過程
熱學過程的狀態變化發生得極快、經歷時間很短，系統與外界交換的熱量就很少，即系統與外界來不及交換熱量，這樣的過程若不計傳遞的熱，可以看成絕熱過程。
ΔU=W
氣體膨脹，系統對外做功
內能↓，溫度↓，液化，霧狀
物理量 符號 意義 符號 意義
W
ΔU
外界對系統做功
系統對外界做功
內能增加
內能減少
+
ΔU>0
－
ΔU<0
在絕熱過程中，功是系統內能轉化的量度： U=W
例2 [2023·廈門一中月考] 如圖所示,一定質量的理想氣體密封在絕熱(即與外界不發生熱交換)容器中,容器內裝有一可以活動的絕熱活塞.今對活塞施以一豎直向下
的壓力F,使活塞緩慢向下移動一段距離后,氣體的體積減小.若忽略活塞與容器壁間的摩擦,則被密封的氣體(　)
A.溫度升高,壓強增大,內能減少
B.溫度降低,壓強增大,內能減少
C.溫度升高,壓強增大,內能增加
D.溫度降低,壓強減小,內能增加
學習任務二
C
[解析]壓力F通過活塞對密閉的理想氣體做正功,容器及活塞絕熱,由功和內能的關系知,理想氣體內能增大,溫度T升高,根據=C,可得體積V減小,壓強p增大,故C正確.
學習任務二
【要點總結】
1.ΔU=W的適用條件是絕熱過程.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.
2.功和內能的聯系:
(1)功是過程量,內能是狀態量;
(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,做功一定能引起內能變化;
(4)物體的內能大,并不意味著做功多,只有在絕熱過程中,內能變化較大才對應著做功較多.
兩個溫度不同的物體A、B相互接觸時，溫度低的物體B要升溫，我們說，熱從高溫物體A傳到了低溫物體B。
單純地對系統傳熱也能改變系統的熱力學狀態
水壺溫酒
容器中的酒
——封閉系統：與外界沒有物質交換，但有能量交換。
△U＝Q
Q
T1
T2
U1
U2
ΔU=U2-U1
系統內能增量
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。
學習任務三
學習任務三　熱與內能的改變
說明:
（1）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.
（2）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。
物理量 符號 意義 符號 意義
Q
ΔU
系統吸收熱量
系統放出熱量
內能增加
內能減少
+
ΔU>0
－
ΔU<0
△U＝Q
學習任務三
例3 下列各事例中是通過傳熱改變物體內能的是(　)
A.車床上車刀切削工件后發熱
B.用肥皂水淋車刀后車刀降溫
C.擦火柴時火柴頭溫度升高
D.搓搓手就會覺得手發熱
B
[解析]車床上車刀切削工件后發熱、擦火柴時火柴頭溫度升高、搓搓手就會覺得手發熱都是通過做功改變內能的,而用肥皂水淋車刀后車刀降溫是通過傳熱改變物體內能,故選B.
學習任務三
【要點總結】
1.在單純傳熱的過程中,系統從外界吸收多少熱量,系統的內能就增加多少,系統向外界放出多少熱量,系統的內能就減少多少,即ΔU=U2-U1=Q.
2.傳熱改變物體內能的過程是不同物體之間(或同一物體不同部分之間)內能的轉移.
3.傳熱與物體的內能的多少無關,只與兩個物體(或一個物體的兩部分)的溫度差有關,熱量總是從高溫物體自發地傳遞到低溫物體.
做功 傳熱
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,物體的內能增加;物體放出熱量,物體的內能減少
物理 實質 其他形式的能與內能之間的轉化 不同物體之間或同一物體的不同部分之間內能的轉移
異同點 做功和傳熱在改變物體的內能上是　　 　的,但做功和傳熱在　　　　上是不同的,做功是能量的轉化,傳熱是熱量的轉移 學習任務四
學習任務四　改變物體內能的兩種方式
[物理觀念]改變物體內能的兩種方式的比較
本質
等效　
學習任務四
例4 關于物體的內能及其變化,以下說法正確的是 (　)
A.物體的溫度改變時,其內能一定改變
B.物體對外做功,其內能不一定改變;向物體傳遞熱量,其內能也不一定改變
C.物體對外做功,其內能一定改變;物體向外放出熱量,其內能也一定改變
D.若物體與外界不發生熱交換,則物體的內能一定不改變
B
[解析]一定質量的物體,其內能由溫度和體積共同決定,物體的溫度改變時,其內能不一定改變,A錯誤.
做功和傳熱是改變物體內能的兩種方式,當物體對外做功為W,吸收的熱量為Q時,若W>Q,則物體的內能減少;若W=Q,則物體的內能不變;若W若物體與外界不發生熱交換,但外界對物體做功或物體對外界做功時,物體的內能都會發生改變,D錯誤.
學習任務四
變式1 (多選)[2023·青島二中月考] 對于熱量、功和內能三者的關系,下列說法中正確的是 ( 　)
A.三者單位相同,物理意義相同
B.熱量和功是內能的量度
C.熱量和功由過程決定,而內能由物體狀態決定
D.系統內能增加了100 J,可能是外界采用絕熱方式對系統做功100 J,也可能是外界單純地對系統傳遞100 J的熱量
CD
[解析] 熱量、功和內能三者雖然單位相同,但物理意義有本質區別,A錯誤.
熱量和功由過程決定,內能由物體狀態決定,熱量和功是內能變化的量度,C正確,B錯誤.
對一個絕熱過程,有ΔU=W=100 J,對一個單純傳熱過程,有ΔU=Q=100 J,D正確.
學習任務四
【要點總結】溫度、內能、熱量和功的區別與聯系
含義 特點
溫度 表示物體的冷熱程度,是物體分子平均動能大小的標志,是大量分子熱運動的集體表現,對個別分子來說沒有意義 狀態量
內能 是物體內所有分子熱運動的動能和分子勢能的總和,是由大量分子的熱運動和分子的相對位置決定的能 狀態量
熱量 是傳熱過程中內能的改變量,用來量度傳熱過程中內能轉移的多少 過程量
功 用來改變系統的內能,促使機械能或其他形式的能和內能之間轉化 過程量
1.內能的改變通過傳熱和做功兩種方式來完成 2.有過程,才有內能變化,所以離開了過程,熱量和功將毫無意義.就某一狀態而言,只有“內能”,不存在“熱量”和“功”,因此,不能說一個系統中含有“多少熱量”或“多少功” 課堂小結
改變內能的兩種方式
熱傳遞
吸熱
放熱
內能增加
內能減少
物體對外界放熱
物體從外界吸熱
做功
對內
對外
內能增加
外界對物體做功
物體對外界做功
內能減小
課后習題
1.在圖3.1-1和圖3.1-2所示焦耳的兩個實驗中，各是什么形式的能轉化為系統的內能？
課后習題
2.下列事件中，物體的內能怎樣改變？（固體和液體的熱膨脹很小，可不予考慮）
（1）壺里的水被加熱而溫度升高。
（2）一條燒紅的鐵棒逐漸冷卻下來。
課后習題
3．氣體在絕熱膨脹時它的溫度會怎樣變化？氣體在絕熱壓縮時它的溫度會怎樣變化？為什么會發生這樣的變化？請分別舉一個絕熱膨脹和絕熱壓縮時溫度變化的實例。
課后習題

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