3.1 功、热和内能的改变 课件-2023-2024学年高二下学期物理人教版（2019）选择性必修第三册

第三章 热力学定律 第1节 功、热和内能的改变 知识回顾 1、什么是内能？内能大小的影响因素是什么？ 物体内所有分子热运动的动能和分子势能的总和，叫做物体的内能。 内能与物体的摩尔数、温度、体积有关。 2、质量、温度相同的物体，内能必定相等对吗？ 不一定。比如0°C的冰和水。 3、回顾初中所学知识，改变物体内能有哪些方法？ 改变物体内能方法有:做功和热传递。 为什么棉花会被点燃，为什么试管中的水会沸腾？你能否解释这一现象？ 观察实验并思考 做功使得密闭气体内能增大，温度升高 热传递使得水的内能增大，温度升高 19世纪30年代，人们逐渐认识到，改变系统的热力学状态的方法：做功和传热（热传递） 从1840年开始，英国物理学家焦耳进行了多种多样的实验，以求精确测定外界对系统做功和传热对于系统状态的影响，以及功与热的相互关系（热功当量）。这项研究工作为热力学第一定律和能量守恒定律的建立奠定了坚实的实验基础。 一、焦耳的实验 实验1. 重物下落带动叶片搅拌容器中的水 用绝热性能良好的材料制作容器，容器中安装着叶片组成的搅拌器。重物下落时带动叶片转动，搅拌容器中的水，水由于摩擦而温度上升。 焦耳通过实验发现：绝热条件下，只要重力所做的功相同，容器中水温上升的数值就是相同的，即系统的状态变化是相同的。 实验2. 通过电流的热效应给水加热 让正在下降的重物带动发电机发电，电流通过浸在液体中的电阻丝，由电流的热效应给液体加热，使液体温度上升。 焦耳通过实验发现：对于同一个系统，如果过程是绝热的，那么不管通过电阻丝的电流或大或小、通电时间或长或短，只要所做的电功相等，则系统温度上升的数值是相同的，即系统的状态就发生了同样的变化。 在各种不同的绝热过程中，系统状态的改变与做功方式无关，仅与做功数量有关。 【焦耳的实验结论】 绝热过程：系统只由于外界对它做功而与外界交换能量，它不从外界吸热，也不向外界放热，这样的过程叫做绝热过程。 系统状态：实质就是物体的内能U。 (1)内能的宏观定义： （热力学对内能的定义）任何一个热力学系统都必定存在一个只依赖于系统自身状态的一种能量，这种能量叫做系统的内能。 ⑵内能的微观定义（分子动理论对内能的定义）：物体中所有分子热运动的动能和分子势能的总和，叫做物体的内能。 在热力学系统的绝热过程中，当系统从状态1经过绝热过程达到状态2时 ΔU=U2-U1 = 系统内能增量 外界对系统所做的功W 热量交换Q = 0 U1 U2 二、功与内能的改变 内能变化和做功的关系 : 绝热过程中，内能的变化等于外力对系统所做的功。 ∆U = U2 - U1 = W 若外界对系统做功 (压缩气体)，W > 0，则∆U > 0，系统的内能增加 若系统对外界做功 (气体不自由膨胀)，W < 0，则 ∆U < 0，系统的内能减少 压杆快速压缩空气，筒底的易燃棉花会被点燃的原因： 在绝热过程中，外界对气体做功，气体内能增加 压杆快速压缩空气，对空气做功，空气内能迅速增加，由于来不及散热，温度短时间内急剧升高，从而点燃棉花。 在绝热过程中，气体对外界所做功，气体的内能减少 例1. 如图为某种椅子与其升降部分的结构示意图。M、N两筒间密闭了一定质量的气体，M可沿N的内壁上下滑动，设筒内气体不与外界发生热交换，在M向下滑动的过程中（ A ） A.外界对气体做功，气体内能增大 B.外界对气体做功，气体内能减小 C.气体对外界做功，气体内能增大 D.气体对外界做功，气体内能减小 例2 如图所示，一个质量为20 kg的绝热汽缸竖直放置，绝热活塞的质量为5 kg，面积为0.1 m2，处于静止状态时被封闭气体的高度为50 cm，现在活塞上方加一质量为15 kg的物体，待稳定后，被封闭气体的 高度变为40 cm。求在这一过程中气体的内能 增加了多少？(p0＝1.01×105 Pa，g取10 m/s2) 由于汽缸及活塞均绝热，故外界对气体所做的功全部转化为气体的内能，即ΔU＝W外＝(m活塞＋m物体)gΔh＋p0SΔh ＝(5＋15)×10×0.1 J＋1.01×105×0.1×0.1 J＝1 030 J。 1. 热传递：两个温度不同的物体互相接触时，温度高的物体要降温，温度低的物体要升温，并将持续到系统间达到热平衡即温度相等为止，这个过程称之为热传递。 2. 热传递的三种方式：热传导、热对流、热辐射。 4. 热传递具有方向性：热量从高温物体传递到低温物体，或从物体的高温部分传递到低温部分，不会自发地从低温物体传递到高温物体或从物体的低温部分传递到高温部分。 3. 单纯的热传递过程中系统内能变化的量