3.1 功、热和内能的改变 课件-2024-2025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 02 主题二、内能 01 主题一、焦耳的实验 目录 CONTENTS 03 主题三、做功与内能的改变 第1节 功、热和内能的改变 04 主题四、热传递 新课引入：00c的冰变为00c的水，内能如何变化？ 内能增加，分子动能_____ , 分子势能____ 思考：00c的冰如何变为00c的水呢？ 让冰吸热 对冰敲打 做功 内能增加 说明做功与内能有关系 不变 增加 内能增加 吸热 在19世纪40年代，“热质说”风行一时，焦耳认为热质并不存在，热是能量的一种形式，为此他做了大量实验。1840年以后，焦耳多次发表文章，先后介绍了四种测定热功当量的方法，其中之一就是用通电金属丝放在水中加热。根据电流做的功和水获得的热量来计算当量。 1840年在英国皇家学会上宣布了电流通过导体产生热量的定律，即焦耳定律。焦耳测量了热(今天的内能)与机械功之间的当量关系——热功当量。 焦耳(1818-1889)英国物理学家，以热功当量测算震惊世界。 新课引入：00c的冰变为00c的水，内能如何变化？ 第一部分 焦耳的实验 一、焦耳的实验 绝热性能良好材料制作容器，容器中安装叶片组成的搅拌器 1.实验装置一: ②实验结论: 系统不从外界吸热，也不向外界放热的过程叫作绝热过程。 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。 ①实验原理: 重力做功相同 水温上升数值相同 系统状态变化相同 一、焦耳的实验 绝热性能良好材料制作容器，容器中安装有通电的电阻丝。 2.实验装置二: ②实验结论: 系统不从外界吸热，也不向外界放热的过程叫作绝热过程。 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。 ①实验原理: 电流做的功相同 水温上升数值相同 系统状态变化相同 ①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。 ②测出了热功当量（热与机械功之间的当量关系--１卡＝4.157焦耳），表明机械运动或电磁运动与热运动之间是可以相互转化的．它启迪人们继续发现了各种物质运动之间的相互转化关系，为能量转化和守恒定律的建立奠定了基础． 一、焦耳的实验 3.实验意义: ①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。 ②测出了热功当量（热与机械功之间的当量关系--１卡＝4.157焦耳），表明机械运动或电磁运动与热运动之间是可以相互转化的．它启迪人们继续发现了各种物质运动之间的相互转化关系，为能量转化和守恒定律的建立奠定了基础． 一、焦耳的实验 3.实验意义: 说明系统存在一个与温度有关的能量状态参量: 内能U ①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。 ②测出了热功当量（热与机械功之间的当量关系--１卡＝4.157焦耳），表明机械运动或电磁运动与热运动之间是可以相互转化的．它启迪人们继续发现了各种物质运动之间的相互转化关系，为能量转化和守恒定律的建立奠定了基础． 一、焦耳的实验 3.实验意义: 说明系统存在一个与温度有关的能量状态参量: 内能U 内能U：依赖于一个热力学系统自身状态的物理量，是热力学系统的一种能量。 第二部分 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: 依赖于一个热力学系统自身状态的物理量，是热力学系统的一种能量。 1.定义: 2.理想气体内能: 二、内能U 由温度唯一决定(U=aT) 微观定义:物体中所有分子的热运动动能和分子势能的总和，叫做物体的内能。 3.改变方式: ①做功: ②热传递: ΔU=U2-U1 =W 第三部分 做功与内能的改变 气体 汽缸、活塞都绝热 F 正功 系统内能 外界对气体做 增加 气体 F 负功 系统内能 减小 外界对气体做 真空 外界对气体做功为 零 系统内能 不变 做功的数值就等于内能的变化量 ΔU＝W 三、做功与内能的改变 ①压缩气体，外界对气体做____功， ②气体膨胀，外界对气体做____功， 正 内能_____ 负 内能_____ 正 ③当向真空中膨胀时,气体对外________, 不做功 不变 增加 减小 三、做功与内能的改变 1.当热力学系统从状态1经过绝热过程达到状态2时: ΔU=U2-U1 =W 2.在绝热过程中，外界对系统做功，系统的内能增加；系统对外界做功，系统内能减少。 内能_____。 气体对外界做____功 , 气体 F 【典例1】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 典例分析： 【典例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，横截面积为0.1 m2，处于静止状态时被封闭气体的高度为50 cm。现在活塞上方加一15 kg的物体，待稳定后，被封闭气体的高度变为40cm。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) 解：ΔU＝W外 ＝(m塞g＋m物g+p0S)Δh ＝1 030 J m塞g P0S PS m物g ＝F外L 典例分析： =PS·L 【典例3】如图所示,一定质量的理想气体封闭在绝热容器中,在变力F的作用下缓慢由A到B,已知气体的P-V图像如图所示，求外界对气体做的功? PS 0 P/Pa V/m3 2 4 6 8 6 4 2 A B 解:WAB= =(mg+P0S+F)L =20J A B P0S L P-V图线的面积表示气体对外界做的功的绝对值 F外L 若缓慢做功，则外界对气体和气体对外界做的功绝对值相等 F =PΔV 典例分析： mg ②若缓慢做功，则外界对气体和气体对外界做的功绝对值相等。 ①若活塞缓慢移动F外= 三、做功与内能的改变 3.理想气体： W外=F外ΔL 气体 F P V 0 A B ΔL PS PS A B W外=PSΔL =PΔV ③P-V图线与横轴的面积表示气体对外界做功的绝对值。 【典例4】思考并回答下列问题：在有机玻璃筒底放少量浸有乙醚的棉花，压下活塞，观察棉花的变化。 (1)你能看到什么现象？实验现象说明了什么问题？ (2)图中用力按压活塞时为什么一定要迅速？ 答：(1)棉花燃烧。压缩空气做功，使内能增大， (2)迅速按下为了减少热传递，创造一个绝热条件。 可见热传递也能改变物体的内能 典例分析： 第四部分 热传递 2.方式： _________、 _______、 ________。 热传导 热对流 热辐射 四、热传递 1.热传递：温度不同的物体接触，传递能量的过程。 传递的能量叫热量。 3.热和内能： U2-U1=ΔU ①此式只适合于单纯热传递 ②系统从外界吸热，Q为正，内能增加；反之内能减小。 ＝Q吸 4.做功与热传递 做功 热传递 绝 热过 程 单 纯传 热 等 效 思考:如果做功和传热都发生，内能如何变化？ ΔU＝W外 ΔU＝Q吸 四、热传递 ΔU＝W外+Q吸 答:(1)物体间内能的转移。 (2)ΔU＝Q。 (3)不能。热量是过程量，可以测量； 而内能是状态量，不可测量。 典例分析： 【典例5】思考并回答下列问题： (1)热传递的实质是什么？ (2)在单纯的热传递过程中，怎样计算内能的增量？ (3)根据Q＝ΔU，能否说热量就是内能？ 【典例6】判断下列说法的正误 ①物体绝热，温度一定不变( ) ②物体内能升高，温度一定增加( ) ③理想气体内能升高，温度一定增加( ) ④气体内能升高，温度一定增加( ) ⑤对气体做正功，内能一定增加( ) ⑥对绝热的气体做正功，内能一定增加( ) ⑦气体吸热，内能一定增加( ) ⑧气体单纯吸热，内能一定增加( ) 典例分析： 【典例7】太阳能热水器是一种能够将太阳的光能转化为内能的装置。这种装置可以使装置内的水温度升高，这种改变水的内能的方式是(　　) A.做功 B.热传递 C.既有做功也有热传递 D.电流的热效应 B 典例分析： 【典例8】一个气泡从恒温水槽的底部缓慢向上浮起(若不计气泡内空气分子势能的变化)，则(　　) A.气泡对外做功，内能不变，同时放热 B.气泡对外做功，内能不变，同时吸热 C.气泡内能减少，同时放热 D.气泡内能不变，不吸热也不放热 B 典例分析： 课堂小结 焦耳实验 非4 人 内能 非4 人 热传递 做功与内能的改变 改变方式: ①做功: ②热传递: ΔU=U2-U1=W外 在绝热过程中，外界对系统做功，系统的内能增加；系统对外做功，系统的内能减少。 ΔU=U2-U1 =Q吸 气体:W外=F外ΔL 缓慢:W外=PΔV 在纯热传递中，外界对系统传热，系统的内能增加；反之内能减少。 【练习1】如图是研究内能改变与功之间关系的两个典型实验，那么从这两个实验中可得出的结论是 (　　) A.能量守恒定律 B.机械能守恒定律 C.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 D.在各种不同的绝热过程中，系统状态的改变不仅与做功方式有关，还与做功数量有关 C 课堂练习 【练习2】一定质量的理想气体经历一绝热膨胀过程，设气体分子间的势能可忽略，则在此过程中 (　　) A.外界对气体做功，气体分子的平均动能增大 B.外界对气体做功，气体分子的平均动能减小 C.气体对外界做功，气体分子的平均动能增大 D.气体对外界做功，气体分子的平均动能减小 D 课堂练习 【练习3】如图所示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.外界对气体做功，气体内能增加 B.外界对气体做功，气体内能减少 C.气体对外界做功，气体内能增加 D.气体对外界做功，气体内能减少 A 课堂练习 【练习4】(多选)下列说法中正确的是 (　　) A.做功和传热是改变物体内能的两种本质不同的物理过程，做功是其他形式的能和内能之间的转化，传热是物体内能的转移 B.外界对物体做功，物体的内能一定增大 C.物体向外界放热，物体的内能一定增大 D.物体内能发生了改变，可能是做功引起的，也可能是传热引起的，还可能是两者共同引起的 AD 课堂练习 【练习5】关于温度、热量、功和内能，以下说法正确的是 (　　) A.同一物体温度高时，含有的热量多 B.物体的内能越大，含有的热量就越多，温度也越高 C.外界对系统做功，内能必定增加 D.发生传热的条件是两物体之间存在温度差 D 课堂练习 【练习6】以下所述现象中，属于通过传热改变了物体内能的是 (　　) A.将一段铁丝反复弯折，弯折处会发热 B.放在空气中的一杯热水会冷却 C.在转动的砂轮上磨车刀，车刀发热 D.电流通过电阻丝 B 课堂练习 【练习7】如图所示，厚壁容器的一端通 过胶塞插进一支灵敏温度计和一根气针， 另一端有个用卡子卡住的可移动胶塞。用 打气筒慢慢向容器内打气，使容器内的压 强增大到一定程度，这时读出温度计示数。打开卡子，胶塞冲出容器口后 (　　) A.温度计示数变大，实验表明气体对外界做功，内能减少 B.温度计示数变大，实验表明外界对气体做功，内能增加 C.温度计示数变小，实验表明气体对外界做功，内能减少 D.温度计示数变小，实验表明外界对气体做功，内能增加 课堂练习 C 【练习8】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 课堂练习 【练习9】(多选)某同学用废圆珠笔芯做一种玩具，铁丝的一端缠绕棉花，用水打湿后从一端塞入笔芯内，将笔芯的另一端用力在马铃薯上戳一下拔出来，然后用力推铁丝，马铃薯小块高速飞出，能打出十几米远。下列说法正确的是 (　　) A.在推铁丝而马铃薯小块未飞出的过 程中，笔芯内密封的气体的温度升高 B.在推铁丝而马铃薯小块未飞出的过程中，气体对外做功 C.马铃薯小块高速飞出的动能来自气体内能 D.马铃薯小块高速飞出时外界对笔芯内气体做功 课堂练习 AC 【练习10】(多选)如图所示，绝热的汽缸与绝热的活塞A、B密封一定质量的理想气体后水平放置在光滑地面上，不计活塞与汽缸壁的摩擦，现用电热丝给汽缸内的气体加热，在加热过程中，下列说法正确的是 (　　) A.汽缸仍保持静止 B.活塞A、B均向左移动 C.密封气体的内能一定增加 D.汽缸中单位时间内作用在活塞A和 活塞B上的分子个数相同 AC 课堂练习 【练习9】解析：对汽缸整体分析，外部各个方向上受到的压力平衡，所以汽缸保持静止，故A正确；用电热丝给汽缸内的气体加热后，汽缸内的气体温度升高，内能增大，压强变大，活塞A、B均向外运动，故B错误，C正确；活塞A的面积大于活塞B的面积，单位时间内作用在活塞A和活塞B上的分子个数不同，故D错误。 课堂练习 谢 谢 观 看 $$