10.1-2-3-功和內(nèi)能、熱和內(nèi)能、-熱力學(xué)第一定律-能量守恒定律

第十章熱力學(xué)定律第1節(jié)功和內(nèi)能引入：冬天搓手可使雙手變暖；向手吹氣也可使雙手變暖，是什么原因使溫度發(fā)生了變化呢？古人鉆木生火冬日里搓手取暖問題：外界對(duì)系統(tǒng)做功對(duì)于系統(tǒng)的狀態(tài)存在怎樣的定量關(guān)系呢？劃火柴結(jié)論：做功使得物體（密閉氣體）溫度升高，即做功可以改變物體的內(nèi)能。

說明：活塞對(duì)空氣做了功，空氣內(nèi)能增加，空氣溫度升高，浸過乙醚的棉花著火點(diǎn)很低，因此燃燒起來?，F(xiàn)象：棉花燃燒起來焦耳焦耳的實(shí)驗(yàn)

詹姆斯·普雷斯科特·焦耳（1818年12月24日－1889年10月11日），英國(guó)物理學(xué)家，出生于曼徹斯特近郊的沙弗特。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).

（1）絕熱過程：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，這樣的過程叫絕熱過程。焦耳的實(shí)驗(yàn)需要在絕熱過程中完成。一、功和內(nèi)能1、焦耳的實(shí)驗(yàn)（2）焦耳的實(shí)驗(yàn)：①重物下落帶動(dòng)葉片攪拌水——機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能

②通過電流的熱效應(yīng)給水加熱——機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能再轉(zhuǎn)化為內(nèi)能重物P′重物P裝水的容器內(nèi)部結(jié)構(gòu)葉片葉片軸絕熱材料

實(shí)驗(yàn)裝置代表實(shí)驗(yàn)一：機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能代表實(shí)驗(yàn)一：機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：盡管各次懸掛重物的重量不同，下落高度也不一樣，但只要做功相同，容器內(nèi)水溫上升的數(shù)值都是相同的，即系統(tǒng)的狀態(tài)變化是相同的.代表實(shí)驗(yàn)一：機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能代表實(shí)驗(yàn)二：機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能再轉(zhuǎn)化為內(nèi)能

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：只要所做的電功相等，則系統(tǒng)溫度上升的數(shù)值是相同的，即系統(tǒng)的狀態(tài)變化是相同的，即對(duì)水做功可以改變內(nèi)能?，F(xiàn)象：電流通過電熱絲使絕熱容器內(nèi)的液體溫度升高。

（3）實(shí)驗(yàn)結(jié)論：在各種不同的絕熱過程中，要使系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生變化，做功的數(shù)量只由始、末兩個(gè)狀態(tài)決定，與做功的方式和做功的過程無關(guān)。2、功和內(nèi)能

（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程中對(duì)系統(tǒng)所做的功相聯(lián)系。我們把這個(gè)物理量稱為系統(tǒng)的內(nèi)能。

內(nèi)能：物體內(nèi)所有分子做熱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能和分子勢(shì)能的總和。決定內(nèi)能大小的因素：物質(zhì)的量、溫度、體積。

（2）內(nèi)能改變：當(dāng)系統(tǒng)從狀態(tài)1經(jīng)過絕熱過程達(dá)到狀態(tài)2時(shí)，內(nèi)能的增加量為△U=U2-U1

外界對(duì)系統(tǒng)所做的功W，則△U=W。（3）外界對(duì)系統(tǒng)做功（W>0），系統(tǒng)內(nèi)能增加；系統(tǒng)對(duì)外界做功（W<0），系統(tǒng)內(nèi)能減少。有“白霧”產(chǎn)生2.系統(tǒng)指的是什么？瓶?jī)?nèi)水面上方的水蒸汽。1.觀察瓶?jī)?nèi)的變化？3.在瓶塞跳出的過程中，是外界在對(duì)系統(tǒng)做功還是系統(tǒng)對(duì)外界做功？系統(tǒng)對(duì)外界做功4.這個(gè)過程中內(nèi)能有什么變化？?jī)?nèi)能減少5.你從什么現(xiàn)象推斷出它的內(nèi)能發(fā)生了變化？瓶?jī)?nèi)的瓶口處的“白霧”實(shí)際上是瓶?jī)?nèi)的水蒸汽液化形成無數(shù)小液滴，水蒸汽液化過程中內(nèi)能減少。如何使它溫度升高？放在火上烤一下在砂輪上磨一會(huì)放太陽下曬一下第2節(jié)熱和內(nèi)能

2、條件：物體之間或物體的不同部分之間存在溫度差。

3、熱傳遞有三種方式：熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射。一、熱傳遞

1、定義：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，我們說熱量從高溫物體傳到了低溫物體。這樣的過程叫做熱傳遞。（1）熱傳導(dǎo)：熱量從系統(tǒng)的一部分傳到另一部分或由一個(gè)系統(tǒng)傳到另一系統(tǒng)的現(xiàn)象叫做熱傳導(dǎo)。（2）對(duì)流：液體或氣體中較熱部分和較冷部分之間通過循環(huán)流動(dòng)使溫度趨于均勻的過程（3）熱輻射：物體因自身的溫度而具有向外發(fā)射能量的本領(lǐng)，這種熱傳遞的方式叫做熱輻射。

二、熱量

1、定義：在單純的傳熱過程中系統(tǒng)內(nèi)能變化的量度。熱量的概念也只有在涉及能量的傳遞時(shí)才有意義。熱量是一個(gè)過程量，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。外界沒有對(duì)系統(tǒng)（水）做功，只對(duì)系統(tǒng)傳熱，同樣能改變系統(tǒng)的狀態(tài).

2、熱傳遞與內(nèi)能改變的關(guān)系：當(dāng)系統(tǒng)從狀態(tài)1經(jīng)過單純的傳熱達(dá)到狀態(tài)2，內(nèi)能的增量△U=U2-U1就等于外界向系統(tǒng)傳遞的熱量Q，即△U=Q。（1）在單純的熱傳遞過程中，系統(tǒng)從外界吸收多少熱量，系統(tǒng)的內(nèi)能就增加多少，即Q吸=△U

。（2）在單純的熱傳遞過程中，系統(tǒng)向外界放出多少熱量，系統(tǒng)的內(nèi)能就減少多少，即Q放=-△U。

4、做功和熱傳遞在改變內(nèi)能上的比較（1）做功和熱傳遞在改變內(nèi)能上是等效的。（2）做功是內(nèi)能和其他形式的能發(fā)生轉(zhuǎn)化，內(nèi)能的改變就用做功的數(shù)值來量度。（3）熱傳遞是不同物體或同一物體不同部分內(nèi)能的轉(zhuǎn)移，內(nèi)能的改變用熱量來量度的。

3、熱傳遞具有方向性：熱量不會(huì)自發(fā)地從低溫物體傳遞到高溫物體。

5、內(nèi)能與熱量的區(qū)別①內(nèi)能是一個(gè)狀態(tài)量，一個(gè)物體在不同的狀態(tài)下有不同的內(nèi)能。②熱量是一個(gè)過程量，它表示在熱傳遞過程中轉(zhuǎn)移的能量，即內(nèi)能的改變量。③如果沒有熱傳遞，就沒有熱量可言，但此時(shí)仍有內(nèi)能。1.下列現(xiàn)象中，哪些是通過熱傳遞的方式改變物體內(nèi)能的（）A．打開電燈開關(guān)，燈絲的溫度升高，內(nèi)能增加B．夏天喝冰鎮(zhèn)汽水來解暑C．冬天搓搓手，會(huì)感覺到手變得暖和起來D．太陽能熱水器在陽光照射下，水的溫度逐漸升高課堂訓(xùn)練BD課堂訓(xùn)練2．關(guān)于熱傳遞，下列說法正確的是()A．熱傳遞的實(shí)質(zhì)是溫度的傳遞B．物體間存在溫度差，才能發(fā)生熱傳遞C．熱傳遞可以在任何情況下進(jìn)行D．物體內(nèi)能發(fā)生改變，一定是吸收或放出了熱量B課堂訓(xùn)練3．下列關(guān)于熱量的說法，正確的是() A．溫度高的物體含有的熱量多

B．內(nèi)能多的物體含有的熱量多

C．熱量、功和內(nèi)能的單位相同

D．熱量和功都是過程量，而內(nèi)能是一個(gè)狀態(tài)量CD改變內(nèi)能的兩種方式做功熱傳遞對(duì)內(nèi)對(duì)外吸熱放熱內(nèi)能增加內(nèi)能增加內(nèi)能減少內(nèi)能減少（外界對(duì)物體做功）（物體對(duì)外界做功）（物體從外界吸熱）（物體對(duì)外界放熱）第3節(jié)熱力學(xué)第一定律能量守恒定律絕熱過程僅傳熱過程如果物體在跟外界同時(shí)發(fā)生做功和熱傳遞的過程中，內(nèi)能的變化ΔU與熱量Q及做的功W之間又有什么關(guān)系呢？一、熱力學(xué)第一定律

1、表述：一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)能增量等于外界向它傳遞的熱量與外界對(duì)它所做的功的和。

2、意義：熱力學(xué)第一定律反映了功、熱量跟系統(tǒng)內(nèi)能改變之間的定量關(guān)系.3、

表達(dá)式：ΔU＝W+QΔU：

物體內(nèi)能的增加量W：

外界對(duì)物體做的功Q

：物體吸收的熱量定律中各量的正、負(fù)號(hào)及含義物理量符號(hào)意義符號(hào)意義W+外界對(duì)系統(tǒng)做功－系統(tǒng)對(duì)外界做功Q+系統(tǒng)吸收熱量－系統(tǒng)放出熱量ΔU+內(nèi)能增加－內(nèi)能減少4、判斷是否做功的方法

一般情況下外界對(duì)系統(tǒng)做功與否需要看物體體積是否變化。

①若系統(tǒng)體積增大，表明系統(tǒng)對(duì)外界做功，W＜0；

②若系統(tǒng)體積減小，表明外界對(duì)系統(tǒng)做功，Ｗ＞0．思考與討論解：氣體對(duì)外界做功

在熱力學(xué)第一定律中W表示外界對(duì)氣體做功，故此時(shí)W為負(fù)。W=-135J向外放熱Q=-85JΔU=W+Q

代入得ΔU=-135+（-85）

=-220J內(nèi)能變化了220J，減少例1、一定量的氣體，從外界吸收熱量2.7×105J,內(nèi)能增加4.3×105J.在這一過程中，是氣體對(duì)外做功，還是外界對(duì)氣體做功？做了多少功？Q=+2.7×105JΔU=+4.3×105J﹀ΔU＝W+Q得：

W=1.6×105J

＞0即外界對(duì)氣體做功5、解題的一般步驟(1)根據(jù)符號(hào)法則寫出各已知量(W、Q、ΔU)的正、負(fù)．(3)再根據(jù)未知量結(jié)果的正、負(fù)來確定吸熱、放熱情況或做功情況．(2)根據(jù)方程ΔU＝W＋Q求出未知量．(1)若過程是絕熱的，即Q＝0，則ΔU＝W，系統(tǒng)內(nèi)能的增加量等于外界對(duì)物體做的功。(2)若過程中不做功，即W＝0，則ΔU＝Q，系統(tǒng)內(nèi)能的增加量等于物體從外界吸收的熱量。(3)若過程的始末狀態(tài)系統(tǒng)的內(nèi)能不變，即ΔU＝0，則W＝－Q(或Q＝－W)，外界對(duì)系統(tǒng)做的功等于系統(tǒng)放出的熱量(或系統(tǒng)吸收的熱量等于系統(tǒng)對(duì)外界做的功)。(4)對(duì)于理想氣體，溫度變化，內(nèi)能一定變化，等溫過程ΔU＝0。6、幾種特殊情況:不同形式的能量之間可以相互轉(zhuǎn)化

摩擦可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能

風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能

在必修二的時(shí)候已經(jīng)學(xué)過能量守恒定律?，F(xiàn)在我們重新沿著科學(xué)家們的思路再來認(rèn)識(shí)它。

從18世紀(jì)末到19世紀(jì)40代，不同領(lǐng)域的科學(xué)家從不同角度都提出了能量守恒的思想。人類對(duì)于能量守恒的認(rèn)識(shí)經(jīng)歷了一個(gè)由淺入深的過程……

任何一個(gè)化學(xué)反應(yīng)，不論是一步完成，還是分幾步完成，放出的總熱量相同。這表明一個(gè)系統(tǒng)(即參加化學(xué)反應(yīng)的幾種物質(zhì))存在著一個(gè)與熱量相關(guān)的物理量，在一個(gè)確定的化學(xué)反應(yīng)中這個(gè)量是不變的。這一發(fā)現(xiàn)被認(rèn)為是能量守恒定的先驅(qū)。俄國(guó)化學(xué)家蓋斯

德國(guó)醫(yī)生J.R.邁爾任船醫(yī)時(shí)，認(rèn)為在熱帶時(shí)人體會(huì)從外界獲得一些熱量(或說人體向界散發(fā)的熱量較少)，因而機(jī)體需要從食物獲得的熱量較少，食物氧化過程減弱，靜脈中留下較多的氧，顯紅色。他由此想到食物中化學(xué)能與熱能的等效性。

提出了“張力（勢(shì)能)與“活力”(即動(dòng)能)的轉(zhuǎn)換。他還分析了在電磁現(xiàn)象和生物機(jī)體中能的守恒問題。

此外，還有好幾位科學(xué)家對(duì)這條定律做出了貢獻(xiàn)。.......二、能量守恒定律1、內(nèi)容：能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生，也不會(huì)憑空消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或者從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到別的物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程中其總量保持不變。2、物理意義：首先是各種形式能量間的轉(zhuǎn)化，其次是轉(zhuǎn)化中的守恒。3、與熱力學(xué)第一定律的關(guān)系：熱力學(xué)第一定律是只研究?jī)?nèi)能與其它形式的能發(fā)生轉(zhuǎn)化時(shí)的能量守恒關(guān)系。

永動(dòng)機(jī)：不需要任何動(dòng)力或燃料，卻能不斷地對(duì)外做功，這種機(jī)器叫永動(dòng)機(jī).人們把這種不消耗能量的永動(dòng)機(jī)叫第一類永動(dòng)機(jī)。（不吃草的馬）

根據(jù)能量守恒定律，任何一部機(jī)器，只能使能量從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，而不能無中生有地制造能量，因此第一類永動(dòng)機(jī)是不可能制成的.三、永動(dòng)機(jī)不可能制成1、第一類永動(dòng)機(jī)（1）概念：不需要任何動(dòng)力或燃料，卻能源源不斷地對(duì)外做功。（2）結(jié)果：無一例外地歸于失敗.（3）原因：違背了能量守恒定律.2、永動(dòng)機(jī)給我們的啟示人類利用和改造自然時(shí)，必須遵循自然規(guī)律.3、熱力學(xué)第一定律的另一種表達(dá)：第一類永動(dòng)機(jī)是不可能造成的。課堂訓(xùn)練1．第一類永動(dòng)機(jī)違反了什么而不能制成()A．違反了熱力學(xué)第一定律B．違反了機(jī)械能守恒定律C．違反了能量守恒定律D．以上說法都不對(duì)2、一定質(zhì)量的理想氣體由狀態(tài)Ⅰ(p1，V1，T1)被壓縮至狀態(tài)Ⅱ(p2，V2，T2)，已知T2＞T1，則該