10.1-2-3-功和內能、熱和內能、-熱力學第一定律-能量守恒定律

第十章熱力學定律第1節(jié)功和內能引入：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：外界對系統做功對于系統的狀態(tài)存在怎樣的定量關系呢？劃火柴結論：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能。

說明：活塞對空氣做了功，空氣內能增加，空氣溫度升高，浸過乙醚的棉花著火點很低，因此燃燒起來?，F象：棉花燃燒起來焦耳焦耳的實驗

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

（1）絕熱過程：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。焦耳的實驗需要在絕熱過程中完成。一、功和內能1、焦耳的實驗（2）焦耳的實驗：①重物下落帶動葉片攪拌水——機械能轉化為內能

②通過電流的熱效應給水加熱——機械能轉化為電能再轉化為內能重物P′重物P裝水的容器內部結構葉片葉片軸絕熱材料

實驗裝置代表實驗一：機械能轉化為內能代表實驗一：機械能轉化為內能

實驗結論：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，容器內水溫上升的數值都是相同的，即系統的狀態(tài)變化是相同的.代表實驗一：機械能轉化為內能代表實驗二：機械能轉化為電能再轉化為內能

實驗結論：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(tài)變化是相同的，即對水做功可以改變內能。現象：電流通過電熱絲使絕熱容器內的液體溫度升高。

（3）實驗結論：在各種不同的絕熱過程中，要使系統狀態(tài)發(fā)生變化，做功的數量只由始、末兩個狀態(tài)決定，與做功的方式和做功的過程無關。2、功和內能

（1）內能：任何一個熱力學系統都必定存在一個只依賴于系統自身狀態(tài)的物理量，這個物理量在兩個狀態(tài)間的差別與外界在絕熱過程中對系統所做的功相聯系。我們把這個物理量稱為系統的內能。

內能：物體內所有分子做熱運動的動能和分子勢能的總和。決定內能大小的因素：物質的量、溫度、體積。

（2）內能改變：當系統從狀態(tài)1經過絕熱過程達到狀態(tài)2時，內能的增加量為△U=U2-U1

外界對系統所做的功W，則△U=W。（3）外界對系統做功（W>0），系統內能增加；系統對外界做功（W<0），系統內能減少。有“白霧”產生2.系統指的是什么？瓶內水面上方的水蒸汽。1.觀察瓶內的變化？3.在瓶塞跳出的過程中，是外界在對系統做功還是系統對外界做功？系統對外界做功4.這個過程中內能有什么變化？內能減少5.你從什么現象推斷出它的內能發(fā)生了變化？瓶內的瓶口處的“白霧”實際上是瓶內的水蒸汽液化形成無數小液滴，水蒸汽液化過程中內能減少。如何使它溫度升高？放在火上烤一下在砂輪上磨一會放太陽下曬一下第2節(jié)熱和內能

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、熱對流、熱輻射。一、熱傳遞

1、定義：兩個溫度不同的物體相互接觸時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：熱量從系統的一部分傳到另一部分或由一個系統傳到另一系統的現象叫做熱傳導。（2）對流：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，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內能變化的量度。熱量的概念也只有在涉及能量的傳遞時才有意義。熱量是一個過程量，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。外界沒有對系統（水）做功，只對系統傳熱，同樣能改變系統的狀態(tài).

2、熱傳遞與內能改變的關系：當系統從狀態(tài)1經過單純的傳熱達到狀態(tài)2，內能的增量△U=U2-U1就等于外界向系統傳遞的熱量Q，即△U=Q。（1）在單純的熱傳遞過程中，系統從外界吸收多少熱量，系統的內能就增加多少，即Q吸=△U

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

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

3、熱傳遞具有方向性：熱量不會自發(fā)地從低溫物體傳遞到高溫物體。

5、內能與熱量的區(qū)別①內能是一個狀態(tài)量，一個物體在不同的狀態(tài)下有不同的內能。②熱量是一個過程量，它表示在熱傳遞過程中轉移的能量，即內能的改變量。③如果沒有熱傳遞，就沒有熱量可言，但此時仍有內能。1.下列現象中，哪些是通過熱傳遞的方式改變物體內能的（）A．打開電燈開關，燈絲的溫度升高，內能增加B．夏天喝冰鎮(zhèn)汽水來解暑C．冬天搓搓手，會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練BD課堂訓練2．關于熱傳遞，下列說法正確的是()A．熱傳遞的實質是溫度的傳遞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行D．物體內能發(fā)生改變，一定是吸收或放出了熱量B課堂訓練3．下列關于熱量的說法，正確的是() A．溫度高的物體含有的熱量多

B．內能多的物體含有的熱量多

C．熱量、功和內能的單位相同

D．熱量和功都是過程量，而內能是一個狀態(tài)量CD改變內能的兩種方式做功熱傳遞對內對外吸熱放熱內能增加內能增加內能減少內能減少（外界對物體做功）（物體對外界做功）（物體從外界吸熱）（物體對外界放熱）第3節(jié)熱力學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發(fā)生做功和熱傳遞的過程中，內能的變化ΔU與熱量Q及做的功W之間又有什么關系呢？一、熱力學第一定律

1、表述：一個熱力學系統的內能增量等于外界向它傳遞的熱量與外界對它所做的功的和。

2、意義：熱力學第一定律反映了功、熱量跟系統內能改變之間的定量關系.3、

表達式：ΔU＝W+QΔU：

物體內能的增加量W：

外界對物體做的功Q

：物體吸收的熱量定律中各量的正、負號及含義物理量符號意義符號意義W+外界對系統做功－系統對外界做功Q+系統吸收熱量－系統放出熱量ΔU+內能增加－內能減少4、判斷是否做功的方法

一般情況下外界對系統做功與否需要看物體體積是否變化。

①若系統體積增大，表明系統對外界做功，W＜0；

②若系統體積減小，表明外界對系統做功，Ｗ＞0．思考與討論解：氣體對外界做功

在熱力學第一定律中W表示外界對氣體做功，故此時W為負。W=-135J向外放熱Q=-85JΔU=W+Q

代入得ΔU=-135+（-85）

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

W=1.6×105J

＞0即外界對氣體做功5、解題的一般步驟(1)根據符號法則寫出各已知量(W、Q、ΔU)的正、負．(3)再根據未知量結果的正、負來確定吸熱、放熱情況或做功情況．(2)根據方程ΔU＝W＋Q求出未知量．(1)若過程是絕熱的，即Q＝0，則ΔU＝W，系統內能的增加量等于外界對物體做的功。(2)若過程中不做功，即W＝0，則ΔU＝Q，系統內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)系統的內能不變，即ΔU＝0，則W＝－Q(或Q＝－W)，外界對系統做的功等于系統放出的熱量(或系統吸收的熱量等于系統對外界做的功)。(4)對于理想氣體，溫度變化，內能一定變化，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化

摩擦可以將機械能轉化為內能

風能轉化為機械能

在必修二的時候已經學過能量守恒定律。現在我們重新沿著科學家們的思路再來認識它。

從18世紀末到19世紀40代，不同領域的科學家從不同角度都提出了能量守恒的思想。人類對于能量守恒的認識經歷了一個由淺入深的過程……

任何一個化學反應，不論是一步完成，還是分幾步完成，放出的總熱量相同。這表明一個系統(即參加化學反應的幾種物質)存在著一個與熱量相關的物理量，在一個確定的化學反應中這個量是不變的。這一發(fā)現被認為是能量守恒定的先驅。俄國化學家蓋斯

德國醫(yī)生J.R.邁爾任船醫(yī)時，認為在熱帶時人體會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能與熱能的等效性。

提出了“張力（勢能)與“活力”(即動能)的轉換。他還分析了在電磁現象和生物機體中能的守恒問題。

此外，還有好幾位科學家對這條定律做出了貢獻。.......二、能量守恒定律1、內容：能量既不會憑空產生，也不會憑空消失，它只能從一種形式轉化為另一種形式，或者從一個物體轉移到別的物體，在轉化或轉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化，其次是轉化中的守恒。3、與熱力學第一定律的關系：熱力學第一定律是只研究內能與其它形式的能發(fā)生轉化時的能量守恒關系。

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

根據能量守恒定律，任何一部機器，只能使能量從一種形式轉化為另一種形式，而不能無中生有地制造能量，因此第一類永動機是不可能制成的.三、永動機不可能制成1、第一類永動機（1）概念：不需要任何動力或燃料，卻能源源不斷地對外做功。（2）結果：無一例外地歸于失敗.（3）原因：違背了能量守恒定律.2、永動機給我們的啟示人類利用和改造自然時，必須遵循自然規(guī)律.3、熱力學第一定律的另一種表達：第一類永動機是不可能造成的。課堂訓練1．第一類永動機違反了什么而不能制成()A．違反了熱力學第一定律B．違反了機械能守恒定律C．違反了能量守恒定律D．以上說法都不對2、一定質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