大學物理課件第三章熱力學第一定律內能

大學物理課件第三章熱力學第一定律內能目錄CONTENCT熱力學基本概念與第一定律內能及其影響因素熱傳遞與熱量計算做功與能量轉換關系剖析熱力學第一定律應用舉例總結回顧與拓展延伸01熱力學基本概念與第一定律熱力學系統(tǒng)狀態(tài)參量平衡態(tài)熱力學系統(tǒng)及其狀態(tài)描述為了定量描述系統(tǒng)的狀態(tài)，我們引入一系列物理量，稱為狀態(tài)參量。常用的狀態(tài)參量有體積V、壓強p、溫度T等。在無外界影響的條件下，如果系統(tǒng)的狀態(tài)參量不隨時間變化，則稱系統(tǒng)處于平衡態(tài)。熱力學系統(tǒng)是指我們要研究的一部分物質或空間，它與周圍環(huán)境之間由邊界隔開。根據(jù)邊界的性質，熱力學系統(tǒng)又可以分為開口系統(tǒng)和閉口系統(tǒng)。熱力學過程熱力學途徑熱力學過程與途徑系統(tǒng)從一個平衡態(tài)變化到另一個平衡態(tài)所經(jīng)歷的全部過程。根據(jù)過程中系統(tǒng)狀態(tài)參量的變化情況，熱力學過程又可以分為等溫過程、等壓過程、等容過程等。系統(tǒng)從一個平衡態(tài)變化到另一個平衡態(tài)所經(jīng)歷的具體的物理或化學過程。不同的途徑可能會對應不同的能量轉換效率。熱力學第一定律的表述為：熱量可以從一個物體傳遞到另一個物體，也可以與機械能或其他能量互相轉換，但是在轉換過程中，能量的總值保持不變。熱力學第一定律的意義在于它揭示了能量守恒和轉換的定律，即能量不能被創(chuàng)造或消滅，只能從一種形式轉換為另一種形式。這個定律是自然界普遍適用的基本定律之一，對于理解各種自然現(xiàn)象以及指導工程實踐具有重要的意義。熱力學第一定律表述及意義02內能及其影響因素內能定義及物理意義內能定義內能是物體內部所有分子熱運動的動能和分子勢能的總和，是一個狀態(tài)量。物理意義內能是熱力學系統(tǒng)熱運動的能量平衡的表現(xiàn)，反映物體內部大量分子無規(guī)則運動的劇烈程度以及分子間相互作用的強弱。物體溫度升高，其內部分子熱運動加劇，分子動能增大，因此內能增加。溫度升高，內能增加物體溫度降低，其內部分子熱運動減緩，分子動能減小，因此內能減少。溫度降低，內能減少溫度對內能影響分析物體體積膨脹時，分子間距離增大，分子間相互作用力做負功，分子勢能增加，因此內能增加。物體體積壓縮時，分子間距離減小，分子間相互作用力做正功，分子勢能減少，因此內能減少。體積變化對內能影響探討體積壓縮，內能減少體積膨脹，內能增加03熱傳遞與熱量計算熱傳導物體內部或相互接觸的物體之間，由于分子、原子及自由電子等微觀粒子的熱運動而產生的熱量傳遞現(xiàn)象。例如，用手摸熱鐵塊會感覺到熱。熱對流流體（氣體或液體）中，由于各部分溫度不同而產生的熱量傳遞現(xiàn)象。對流是流體中熱量傳遞的主要方式。例如，燒開水時，底部的水受熱上升，上部的水下降，形成對流。熱輻射物體通過電磁波傳遞能量的方式。任何溫度高于絕對零度的物體都會產生熱輻射。例如，太陽向地球傳遞熱量就是以熱輻射的方式進行的。熱傳遞方式簡介熱量的定義熱量是熱傳遞過程中所傳遞內能的多少，是物體內能改變的量度。單位是焦耳（J）。熱量計算的基本公式Q=cmΔt，其中Q表示熱量，c表示物質的比熱容，m表示物質的質量，Δt表示物質溫度的變化量。實例分析例如，一個質量為1kg的鐵塊，從20℃加熱到100℃，需要吸收多少熱量？根據(jù)熱量計算公式，可以計算出鐵塊吸收的熱量為Q=cmΔt=0.46×10^3J/(kg·℃)×1kg×(100℃-20℃)=3.68×10^4J。010203熱量計算方法及實例分析絕熱過程的定義：系統(tǒng)與外界沒有熱量交換的過程稱為絕熱過程。絕熱過程特點討論010203絕熱過程的特點系統(tǒng)與外界沒有熱量交換，即Q=0；系統(tǒng)的內能變化完全由做功引起，即ΔU=W；絕熱過程特點討論絕熱過程特點討論絕熱過程中，系統(tǒng)的溫度、壓強和體積都可能發(fā)生變化。實例分析：例如，一個絕熱的汽缸內有一定質量的理想氣體，當活塞對氣體做功時，氣體的內能增加，溫度升高。由于汽缸是絕熱的，因此氣體與外界沒有熱量交換。04做功與能量轉換關系剖析體積功表面功電功系統(tǒng)因體積變化而與環(huán)境交換的功。如氣體膨脹或壓縮過程中所做的功。系統(tǒng)因表面積變化而與環(huán)境交換的功。如液體表面張力所做的功。系統(tǒng)因電荷移動而與環(huán)境交換的功。如電池在放電過程中所做的功。做功類型及實例分析根據(jù)熱力學第一定律，系統(tǒng)從外界吸收的熱量和對外界所做的功之和等于系統(tǒng)內能的增量。因此，做功可以改變系統(tǒng)的內能。做功與內能變化的關系做功是實現(xiàn)能量轉換的一種方式。例如，在機械能轉換為內能的過程中，通過摩擦力做功將機械能轉換為內能。做功與能量轉換的關系能量轉換關系剖析可逆過程系統(tǒng)經(jīng)歷一個過程后，若能使系統(tǒng)和環(huán)境都完全復原，則該過程稱為可逆過程。可逆過程具有無耗散性，即過程中不產生任何不可逆損失。不可逆過程與可逆過程相反，系統(tǒng)經(jīng)歷一個過程后，若不能使系統(tǒng)和環(huán)境都完全復原，則該過程稱為不可逆過程。不可逆過程具有耗散性，即過程中會產生不可逆損失，如摩擦生熱、熱傳導等?？赡孢^程與不可逆過程比較05熱力學第一定律應用舉例在等溫過程中，理想氣體的狀態(tài)可以用狀態(tài)方程來描述，即PV=nRT，其中P是壓強，V是體積，n是摩爾數(shù)，R是氣體常數(shù)，T是溫度。理想氣體狀態(tài)方程在等溫過程中，理想氣體的內能不變，因為內能只與溫度有關。內能變化在等溫過程中，系統(tǒng)吸收或放出的熱量等于系統(tǒng)對外做功或外界對系統(tǒng)做功。熱力學第一定律應用理想氣體等溫過程分析80%80%100%理想氣體絕熱過程探討絕熱過程是指系統(tǒng)與外界之間沒有熱量交換的過程。在絕熱過程中，理想氣體的內能發(fā)生變化，因為內能不僅與溫度有關，還與體積有關。在絕熱過程中，系統(tǒng)對外做功或外界對系統(tǒng)做功等于系統(tǒng)內能的增量。絕熱過程定義內能變化熱力學第一定律應用循環(huán)過程定義01循環(huán)過程是指系統(tǒng)從某一狀態(tài)出發(fā)，經(jīng)過一系列變化后回到原始狀態(tài)的過程。效率定義02循環(huán)過程的效率是指系統(tǒng)對外輸出的功與從外界吸收的熱量之比。熱力學第一定律應用03在循環(huán)過程中，系統(tǒng)對外輸出的功等于從外界吸收的熱量減去系統(tǒng)內能的增量。因此，效率計算需要考慮系統(tǒng)內能的變化以及系統(tǒng)與外界之間的熱量和功的交換。循環(huán)過程效率計算06總結回顧與拓展延伸01020304熱力學第一定律的表述及物理意義：熱力學第一定律是能量守恒定律在熱力學過程中的具體表現(xiàn)，它闡明了熱量與功之間的轉換關系，以及內能變化的基本規(guī)律。本章知識點總結回顧熱力學第一定律的表述及物理意義：熱力學第一定律是能量守恒定律在熱力學過程中的具體表現(xiàn)，它闡明了熱量與功之間的轉換關系，以及內能變化的基本規(guī)律。熱力學第一定律的表述及物理意義：熱力學第一定律是能量守恒定律在熱力學過程中的具體表現(xiàn)，它闡明了熱量與功之間的轉換關系，以及內能變化的基本規(guī)律。熱力學第一定律的表述及物理意義：熱力學第一定律是能量守恒定律在熱力學過程中的具體表現(xiàn)，它闡明了熱量與功之間的轉換關系，以及內能變化的基本規(guī)律。拓展延伸：熱力學第二定律簡介熱力學第二定律的表述及物理意義：熱力學第二定律揭示了自然界中與熱現(xiàn)象有關的宏觀過程的方向性，即不可逆性。它表明熱量不可能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體，而不引起其他變化。熱力學第二定律的數(shù)學表達式：對于可逆過程，有$\oint\frac{dQ}{T}=0$；對于不可逆過程，有$\oint\frac{dQ}{T}<0$。其中$T$表示物體的溫度，$dQ$表示物體吸收的微小熱量。熱力學第二定律在熱力學過程中的應用：熱力學第二定律可以用來判斷各種熱力學過程是否