3.1 功、热和内能的改变 课件-2025-2026学年高二下学期物理人教版选择性必修第三册

第三章 热力学定律 第1节 功、热和内能的改变 用空气点燃棉花 冬天搓手可使双手变暖； 向手吹气也可使双手变暖 情境与思考 用活塞压缩空气对空气做功，空气内能增大，温度升高，达到燃点棉花燃烧。 2 做功引起内能的变化 传热引起内能的变化 ★改变系统热力学状态的方式： 1818年12月24日生于英国曼彻斯特，起初研究电学和磁学。 焦耳实验是一个需要在绝热过程中完成的实验 焦耳在做热功当量实验 W=JQ ，比例系数J表示产生1卡热量所需作的功， 称热功当量。 焦耳从1840年起，做了大量实验，以求精确测定 外界对系统做功和热传递对于系统状态的影响以及功 与热的相互关系。他得出结论：热功当量是一个普适 常数，同做功方式无关。从而证明了机械能(功)和电能 (功)同热量之间的转换关系，为确认能量守恒和转换定 律的正确性打下了坚实的实验基础。 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。 在19世纪40年代，“热质说”风行一时，焦耳认为热质并不存在，他认为热是能的一种形式，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。 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，这样的过程叫绝热过程。 4 实验1：焦耳热功当量实验装置——对系统做机械功 (5)实验结论：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。 焦耳的实验 (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。 (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。 (3)研究对象——热力学系统： 容器中的水 ——封闭系统：与外界没有 物质交换，但有能量交换。 (4)状态变化过程： 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。 5 实验2：焦耳热功当量实验装置——对系统做电功 焦耳的实验 (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， 由电流的热效应给水加热，使水温度上升。 (4)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。 (3)研究对象——热力学系统： 容器中的水 实验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 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 T1 T2 焦耳的实验 焦耳的这些实验结论： 系统从状态1 变为状态2 系统从状态1 变为状态2 要使系统状态通过绝热过程发生变化，做功的数量只由初末两个状态1、2决定，而与重物的质量、做功的次数无关。 系统状态通过绝热过程发生变化，做功的数量只由初末两个状态1、2决定，而与做功的方式无关。 始末状态，是不是似曾相识？？ 7 内能 2. 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，这个 物理量在初末两个状态间的差别与外界在绝热过程中对系统所做的功相联系， 这种能量叫做系统的内能。 微观：分子热运动的剧烈程度、分子间距、分子数。 系统的内能U 宏观：温度、体积、物质的量。 1. 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。 功与内能的改变 1. 对绝热系统做功：当系统从状态1经过绝热过程达到状态2时，内能的增加量 ΔU=U2-U1就等于外界对系统所做的功W，即∆U=W。 （功是系统内能转化的量度） 2. ΔU的含义：物体的内能是由它的状态决定的，且物体的内能变化只由初、末 状态决定，与中间过程及方式无关。 在热力学系统的绝热过程中，系统从状态1经过绝热过程达到状态2。 ΔU=U2-U1 系统内能增量 外界对系统所做的功W Q=0 U1 U2 新课讲授 功与内能的改变 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。 W > 0 ，ΔU > 0 内能增加 压燃实验 3. 外界对系统做功： 实验：取一个透明玻璃瓶，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。 ΔU = W 压燃实验中外界对系统做功，使系统内能增大，温度升高，棉花达到燃点就点燃了。 为什么会出现白雾？ 10 功与内能的改变 实验现象产生的原因：以瓶内气体为研究对象，橡胶塞跳出后，瓶内的气体迅速膨胀，系统对外做功，因此，气体的内能迅速减少，瓶内气体温度迅速下降，瓶内水蒸气液化，就会出现大量的雾状小水滴。 W < 0 ，ΔU< 0 内能减小 ΔU = W 4. 系统对外界做功： 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。 状态变化过程? ——绝热过程 11 5. 理想气体做功与体积变化的关系： 压缩气体 外界对气体做功 绝热 U增加 气体不自由膨胀 气体对外界做功 绝热 U减小 气体自由膨胀 气体对外界不做功 绝热 U不变 K 气体A 真空B K 气体A 功与内能的改变 K 气体A 非真空B 12 烤火取暖 火烧开水 太阳辐射 火钳变红 思考：以下是生活中常见的一些热现象，那热与内能有什么关系呢？ 温度低的物体为什么会升温呢？其实是因为发生了热传递。 13 1. 热传递(传热)：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。 单纯地对系统传热也能改变系统的热力学状态。 水壶烧水 水壶里的水 ——封闭系统 Q U1 U2 ΔU=U2-U1 系统内能增量： T1 T2 热量(Q)：是在单纯的传 热过程中系统内能变化的 量度，是过程量，国际制 单位焦耳。 热与内能的改变 ＝Q 封闭系统：与外界没有物质交换，但有能量交换。 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改变量。 14 热与内能的改变 1. 定义：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，我们说热量从高温物体传到了低温物体，这个过程称之为热传递(传热)。 2. 发生条件： 4. 最终结果： 5. 实质： 6. 注意： 两物体或物体的各个部分温度相同，达到热平衡。 能量的转移，改变系统的内能。 热传递传递的是热量，而不是温度。 3. 传递规律： 经过一段时间 物体之间或物体的不同部分之间存在温度差。 从高温物体传向低温物体。 7. 热传递有三种方式：热传导、热对流、热辐射。 热对流 热传导 热辐射 热传导——热沿着物体传递的热传递方式，不同物质传导热的能力各不相同，容易传导热的物体称之为热的良导体，所有金属都是热的良导体，不容易传导热的物体称之为热的不良导体，如空气、橡胶、绒毛、棉纱、木头、水、油等 热对流——靠液体或气体的流动来传递热的方式，热对流是液体和气体所特有的热传递方式 热辐射——热从高温物体向周围以电磁波的形式沿直线射出去的方式，热辐射不依赖媒介质，可在真空中进行，温差越大，表面颜色越深，物体向外的热辐射能力越强 15 从宏观看，温度表示的是物体的冷热程度；从微观看，温度反映了分子热运动的剧烈程度，是分子平均动能的标志。 物体的温度升高，其内能一定增加。但向物体传递热量，物体的内能却不一定增加(可能同时对外做功)。 内能与温度： 热量与温度： 热量是系统的内能变化的量度，而温度是系统内大量分子做无规则运动剧烈程度的标志。 热传递的前提条件是两个系统之间要有温度差，传递的是热量而不是温度，与原来物体内能的多少无关。热传递过程能量可以由内能大的物体传到内能小的物体上；也可以由内能小的物体传到内能大的物体上。 ★热功当量：做功和热传递对改变物体的内能是等效的。 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） ★做功和热传递改变内能的两种方式，它们的区别： 17 同学们，下课！ Lavf58.29.100 Packed by Bilibili XCoder v2.0.2 Lavf59.6.100 Lavf59.6.100 Lavf59.6.100 Lavf59.6.100 $