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

3.1功、热和内能的改变 选择性必修第三册&第三章 热力学定律 授课教师：杨孝波 在空气压缩引火仪底部放置少量的硝化棉，迅速压下筒中的活塞，可以观察到什么现象？你能解释这个现象吗？ 做功可以改变内能 课堂引入 冬天搓手可使双手变暖；向手吹气也可使双手变暖，是什么原因使温度发生了变化呢？ 热传递可以改变内能 做功可以改变内能 课堂引入 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。 课堂引入 一、焦耳的实验 实验一：焦耳热功当量实验装置——对系统做机械功 1.实验装置：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。 一、焦耳的实验—实验一 2.实验原理：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。 一、焦耳的实验—实验一 3.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。 4.实验结论：多次实验测量表明，尽管各次悬挂重物的质量不同，下落的高度也不一样，但只要重力所做的功相同，容器内水温上升的数值都是相同的，即系统状态的变化是相同的。 不同 m不同 WG相同 ∆T相同 系统状态变化相同 一、焦耳的实验—实验一 实验二：焦耳热功当量实验装置——对系统做电功 1.实验装置： 2.实验原理： 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。 3.实验结论：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。 一、焦耳的实验—实验二 实验1 重物下落重力做功 叶片搅拌容器中的水 水与叶片摩擦而温度上升 系统从状态1 变为状态2 T1 T2 实验2 系统从状态1 变为状态2 T1 T2 电机发电 电热丝发热 发热丝对水加热温度上升 重物下落重力做功 做功的数量只由过程始末两个状态1、2决定，而与重物的质量、做功的次数无关。 【焦耳的实验结论】 用什么物理量描述热力学中的这种状态？ 一、焦耳的实验—实验二 (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。 影响因素：【温度、体积、物质的量（状态）】 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。 影响因素：【分子热运动的激烈程度、分子间距、分子数】 3.内能：任何一个热力学系统都必然存在一个只依赖系统自身状态的物理量，这种物理量叫做内能（用字母U表示）。 一、焦耳的实验—内能 二、功与内能的改变 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 = 系统内能变化量 外界对系统所做的功W 热量交换Q = 0 U1 U2 ∆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 二、功与内能的改变 1.外界对系统做功 (压缩气体)，W > 0，则∆U > 0，系统的内能增加 如果一个热学过程的状态变化发生得极快、经历时间很短，系统与外界交换的热量就很少，即系统与外界来不及交换热量，这样的过程若不计传递的热，可以看成绝热过程。 压燃实验 二、功与内能的改变 2.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 取一个透明塑料瓶，向瓶内注入少量的水。将橡胶塞打孔，安装上气门嘴，再用橡胶塞把瓶口塞紧，并向瓶内打气，观察橡胶塞跳出时瓶内的变化。 实验现象：当橡胶塞跳出时，瓶内出现白雾 原理：气体膨胀，系统对外做功，内能↓，温度↓，液化，雾状 二、功与内能的改变 烧水的过程 烧烤的过程 这是如何改变系统内能的？ 三、热与内能的改变 1.热传递：两个温度不同的物体A、B相互接触时，温度低的物体B要升温，我们说，热量从高温物体A传到了低温物体B。这个过程称之为热传递(传热)。 太阳辐射 火附近有热空气流动 开火烧水 热传导 热对流 热辐射 3.改变内能的三种热传递方式： 三、热与内能的改变 2. 热传递的条件：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。 思考：系统在状态1、2时的内能分别为U1、U2，若系统经过单纯的传热过程从状态1变化到状态2时外界对系统传递的热量为Q，则Q与内能变化量之间存在怎样的关系？ △U= U2 — U1 =Q 4.单纯的传热过程中热量和内能的关系： 即在外界对系统不做功的情况下，外界传递给系统的热量等于系统内能的增加量。 若物体吸热，Q>0，则 ΔU>0，内能增加；若物体放热，Q<0，则 ΔU<0，内能减少. 三、热与内能的改变 改变内能的两种方式 做功 热传递 △U＝W 绝 热 过 程 单 纯 传 热 △U＝Q 等 效 思考：做功与传热在改变系统内能上有什么不同？ 如果做功和传热都发生那么内能如何变化？ 三、热与内能的改变—区别 5.做功和热传递的区别 比较项目 做功 热传递 内能变化 外界对物体做功, 物体的内能增加；物体对外界做功, 物体的内能减少 . 物体吸收热量，内能增加； 物体放出热量，内能减少 . 物理实质 其他形式的能（机械能、电能等）与内能之间的转化（不同形式能量间的转化） 不同物体间或同一物体不同部分之间内能的转移（同种形式能量的转移） 相互联系 做一定量的功或传递一定量的热量在改变内能的效果上是相同的 （做功和热传递在改变物体的内能上是等效的） 三、热与内能的改变—区别 　 如图所示，一定质量的理想气体密封在绝热(即与外界不发生热交换)容器中，容器内装有一可以活动的绝热活塞。今对活塞施加一竖直向下的压力F，使活塞缓慢向下移动一段距离后，气体的体积减小。若忽略活塞与容器壁间的摩擦力，则被密封的气体(　　) A．温度升高，压强增大，内能减少 B．温度降低，压强增大，内能减少 C．温度升高，压强增大，内能增加 D．温度降低，压强减小，内能增加 C 典例应用 　1.(多选)某汽车后备箱内安装有撑起箱盖的装置，它主要由汽缸和活塞组成。开箱时，密闭于汽缸内的压缩气体膨胀，将箱盖顶起，如图所示。在此过程中，若缸内气体与外界无热交换，忽略气体分子间的相互作用，则缸内气体(　　) A．对外做正功，分子的平均动能减小 B．对外做正功，内能增大 C．对外做负功，分子的平均动能增大 D．对外做正功，内能减小 AD 典例应用 2.如图所示，活塞将汽缸分成甲、乙两气室，汽缸、活塞(连同拉杆)是绝热的，且不漏气。以E甲、E乙分别表示甲、乙两气室中气体的内能，则在将拉杆缓慢向外拉的过程中(　　) A．E甲不变，E乙减小　　 B．E甲不变，E乙增大 C．E甲增大，E乙不变 D．E甲增大，E乙减小 D 典例应用 　关于热传递，下列说法正确的是(　　) A．热传递的实质是温度的传递 B．物体间存在着温度差，才能发生热传递 C．热传递可以在任何情况下进行 D．物体内能发生改变，一定是吸收或放出了热量 B 典例应用 　3.下列关于热传递的说法，正确的是(　　) A．热量是从含热量较多的物体传给含热量较少的物体 B．热量是从温度较高的物体传给温度较低的物体 C．热量是从内能较多的物体传给内能较少的物体 D．热量是从比热容大的物体传给比热容小的物体 B 典例应用 4．关于物体内能的变化，以下说法正确的是(　　) A．物体放出热量，内能一定减少 B．物体对外做功，内能一定减少 C．物体放出热量，同时对外做功，内能可能不变 D．物体吸收热量，同时对外做功，内能可能不变 D 典例应用 功、热和内能的改变 焦耳的实验 功与内能的改变 热与内能的改变 外界对物体做功 物体对外界做功 内能增加 内能减少 吸热 放热 内能增加 内能减少 课堂总结 1．在绝热过程中，外界压缩气体做功20 J。下列说法正确的是(　　) A．气体内能一定增加20 J B．气体内能增加必定小于20 J C．气体内能增加可能小于20 J D．气体内能可能不变 解析：做功的过程是能量转化的过程，在绝热过程中，外界对物体做多少功，物体的内能就增加多少，所以选项A正确。 A 2．关于热传递，下列说法正确的是(　　) A．热传递是高温物体的温度传给低温物体 B．不接触的物体之间不会发生热传递 C．比热容相同的物体之间不会发生热传递 D．温度相同的物体之间不会发生热传递 D 3．下列各事例通过热传递改变物体内能的是(　　) A．车床上车刀切削工件后发热 B．擦火柴时火柴头温度升高 C．用肥皂水淋车刀后车刀降温 D．搓搓手就会觉得手发热 C 课堂练习 4．在下列三幅图中，有关功与内能的说法正确的是(　　) 课堂练习 A．图1中迅速下压活塞，硝化棉会燃烧起来，说明热传递可以使物体的温度升高 B．图2中重物下落带动叶片转动，由于叶片向水传递热量而使水的温度升高 C．图3中降落的重物使发电机发电，电流对水做功使水的温度升高 D．做功和热传递都可以使物体的内能增加 答案：D 课堂练习 5.(新情景题)(多选)如图是某喷水壶示意图。未喷水时阀门K闭合，压下压杆A可向壶内储气室充气。多次充气后按下按柄B打开阀门K，水会自动经导管从喷嘴喷出。储气室气体可视为理想气体，充气和喷水过程温度保持不变，则(　　) A．充气过程中，储气室内气体的内能增大 B．充气过程中，储气室内气体分子平均动能减小 C．喷水过程中，储气室内气体压强减小 D．喷水过程中，储气室内气体放热 AC 课堂练习 Lavf56.15.102 Lavf57.83.100 Lavf59.6.100 $$