功、熱和內(nèi)能的改變（高中物理教學(xué)課件）完整版7

第25章熱力學(xué)定律01.功、熱和內(nèi)能的改變圖片區(qū)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：迅速壓下活塞時(shí)，硝化棉燃燒。原因：外界對(duì)系統(tǒng)內(nèi)氣體做功，氣體內(nèi)能增大，溫度升高，從而自燃。詹姆斯·普雷斯科特·焦耳，出生于曼徹斯特近郊的沙弗特，英國(guó)物理學(xué)家，英國(guó)皇家學(xué)會(huì)會(huì)員。19世紀(jì)30年代，人們逐漸認(rèn)識(shí)到，為了使系統(tǒng)的熱力學(xué)狀態(tài)發(fā)生變化，既可以向它傳熱，也可以對(duì)它做功。從1840年開始，焦耳進(jìn)行了多種多樣的實(shí)驗(yàn)，

焦耳實(shí)驗(yàn)揭示了熱量與功之間確定的當(dāng)量關(guān)系（1卡＝4.186焦耳），表明機(jī)械運(yùn)動(dòng)或電磁運(yùn)動(dòng)與熱運(yùn)動(dòng)之間是可以相互轉(zhuǎn)化的。

這項(xiàng)研究工作為熱力學(xué)第一定律和能量守恒定律的建立奠定了堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)一：對(duì)系統(tǒng)做機(jī)械功用絕熱性能良好的材料制作容器，容器中安裝著葉片組成的攪拌器。重物下落時(shí)帶動(dòng)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，攪拌容器中的水，水由于摩擦而溫度上升。實(shí)驗(yàn)結(jié)論：只要重力做功相同，容器內(nèi)水溫上升的數(shù)值就相同，即系統(tǒng)狀態(tài)的變化相同。一.焦耳的實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)二：對(duì)系統(tǒng)做電功用絕熱性能良好的材料制作容器，讓正在下降的重物帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，電流通過(guò)浸在液體中的電阻絲，由電流的熱效應(yīng)給液體加熱，使液體溫度上升。實(shí)驗(yàn)結(jié)論：只要電流做功相等，系統(tǒng)溫度上升的數(shù)值就相同，即系統(tǒng)狀態(tài)的變化相同。一.焦耳的實(shí)驗(yàn)1.絕熱過(guò)程：系統(tǒng)不從外界吸熱，也不向外界放熱，這樣的過(guò)程叫作絕熱過(guò)程(不與外界發(fā)生熱傳遞)焦耳的這些實(shí)驗(yàn)表明，在各種不同的絕熱過(guò)程中，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)量只由過(guò)程始末兩個(gè)狀態(tài)1、2決定，而與做功的方式無(wú)關(guān)。任何一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)必定存在一個(gè)只依賴于系統(tǒng)自身狀態(tài)的物理量，這個(gè)物理量在兩個(gè)狀態(tài)間的差別與外界在絕熱過(guò)程中對(duì)系統(tǒng)做的功相聯(lián)系。鑒于功是能量變化的量度，所以這個(gè)物理量必定是系統(tǒng)的一種能量，我們把它稱為系統(tǒng)的內(nèi)能。2.內(nèi)能：內(nèi)能是系統(tǒng)在絕熱條件下與做功相聯(lián)系的、描述熱力學(xué)系統(tǒng)本身狀態(tài)的能量。符號(hào)：U，單位：焦耳。(宏觀定義)一.焦耳的實(shí)驗(yàn)1.做功可以改變物體內(nèi)能：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)外界做功，系統(tǒng)的內(nèi)能減少，即：壓縮引火儀工作原理：迅速壓下活塞，引火儀筒內(nèi)氣體被壓縮，體積變小，外界對(duì)氣體做了功，內(nèi)能增加，溫度升高。當(dāng)溫度達(dá)到易燃物的燃點(diǎn)時(shí)，易燃物發(fā)生自燃。迅速壓縮，空氣“來(lái)不及”對(duì)外傳熱，可以看成絕熱過(guò)程。若緩慢壓縮，空氣會(huì)對(duì)外傳熱，從而做等溫變化，這個(gè)實(shí)驗(yàn)就不能成功。二.功與內(nèi)能的改變外界對(duì)系統(tǒng)做功，系統(tǒng)的內(nèi)能增加：系統(tǒng)對(duì)外界做功，系統(tǒng)的內(nèi)能減少：二.功與內(nèi)能的改變2.氣體膨脹壓縮時(shí)做功的特點(diǎn)：①壓縮氣體：外界對(duì)系統(tǒng)做正功（系統(tǒng)對(duì)外界做負(fù)功），系統(tǒng)的內(nèi)能增加②氣體膨脹：外界對(duì)系統(tǒng)做負(fù)功（系統(tǒng)對(duì)外界做正功），系統(tǒng)的內(nèi)能減少思考與討論：一絕熱容器用隔板分成兩部分，左邊A內(nèi)充滿氣體，右邊B內(nèi)是真空，現(xiàn)抽去隔板，氣體內(nèi)能如何變化？答：氣體向真空自由膨脹，氣體并不需要克服外力做功，即氣體不做功，內(nèi)能不變，溫度不變（物體在光滑水平面上滑動(dòng)也不需要克服摩擦力做功，機(jī)能能也不變）A

B二.功與內(nèi)能的改變例1.如圖所示，一定質(zhì)量的理想氣體密封在絕熱容器中，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例2.一個(gè)氣泡從恒溫水槽的底部緩慢向上浮起(若不計(jì)氣泡內(nèi)空氣分子勢(shì)能的變化)，則(

)A.氣泡對(duì)外做功，內(nèi)能不變，同時(shí)放熱B.氣泡對(duì)外做功，內(nèi)能不變，同時(shí)吸熱C.氣泡內(nèi)能減少，同時(shí)放熱D.氣泡內(nèi)能不變，不吸熱也不放熱例3.金屬筒內(nèi)裝有與外界溫度相同的壓縮空氣，打開筒的開關(guān)，筒內(nèi)高壓空氣迅速向外逸出，待筒內(nèi)外壓強(qiáng)相等時(shí)，立即關(guān)閉開關(guān)。在外界保持恒溫的條件下，經(jīng)過(guò)一段較長(zhǎng)時(shí)間后，再次打開開關(guān)，這時(shí)出現(xiàn)的現(xiàn)象是（）A．筒外空氣流向筒內(nèi)B．筒內(nèi)空氣流向筒外C．筒內(nèi)外有空氣變換，處于動(dòng)態(tài)平衡，筒內(nèi)空氣質(zhì)量不變D．筒內(nèi)外無(wú)空氣交換BB拓展1：一氣缸放在水平桌面上，如果氣體吸熱做等壓膨脹，活塞從A位置上升到B位置，如圖所示，右圖為P-V圖像，不計(jì)活塞與氣缸的摩擦，以氣體為研究對(duì)象，則該過(guò)程中氣體對(duì)外界還是外界對(duì)氣體做功？做了多少功？pV0V1pV2BAPS注意：氣體做功問(wèn)題為P-V圖像下包含的面積：W=pΔV拓展2：若用一外力作用在活塞上，把活塞從B位置壓縮到A位置，如圖所示，右圖為P-V圖像，不計(jì)活塞與氣缸的摩擦，以氣體為研究對(duì)象，則該過(guò)程中氣體對(duì)外界還是外界對(duì)氣體做功？做了多少功？BAFpV0V1p1V2p2壓縮氣體，外界對(duì)氣體做功，數(shù)值上等于P-V圖中陰影部分的面積。1.熱傳遞：兩個(gè)溫度不同的物體A、B相互接觸時(shí)，溫度高的物體A要降溫，溫度低的物體B要升溫，我們說(shuō)，熱從高溫物體A傳到了低溫物體B。這樣的過(guò)程叫做熱傳遞。2.條件：物體之間或物體的不同部分之間存在溫度差3.方式：熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射。三.熱傳遞1.熱量：熱量是在單純的傳熱過(guò)程中系統(tǒng)內(nèi)能變化的量度（熱量是內(nèi)能轉(zhuǎn)移的量度）熱量的概念只有在涉及能量的轉(zhuǎn)移時(shí)才有意義。我們不能說(shuō)物體具有多少熱量，只能說(shuō)某一過(guò)程中物體吸收或放出了多少熱量。2.熱傳遞可以改變物體內(nèi)能：在單純的傳熱過(guò)程中，外界對(duì)系統(tǒng)傳遞熱量，系統(tǒng)的內(nèi)能增加；系統(tǒng)對(duì)界傳遞熱量，系統(tǒng)的內(nèi)能減少，即：四.熱與內(nèi)能的改變1.區(qū)別：①做功改變物體的內(nèi)能是其他形式的能和內(nèi)能之間的轉(zhuǎn)化（不同形式能量間的轉(zhuǎn)化）；熱傳遞改變物體的內(nèi)能是物體間或者物體和一部分到另一部分之間內(nèi)能的轉(zhuǎn)移（同種形式能量的轉(zhuǎn)移）②做功改變物體內(nèi)能的時(shí)候，內(nèi)能的變化就用功的來(lái)量度（即?U＝W）；熱傳遞改變物體內(nèi)能的時(shí)候，內(nèi)能的變化就用熱量來(lái)量度（即?U＝Q）。2.聯(lián)系：兩種方式都可以改變物體的內(nèi)能，即：做功和熱