第十章热力学定律第1、2节功和内能、热和内能

第十章热力学定律第1、2节功和内能、热和内能学习目标1.了解焦耳的两个实验的原理,通过焦耳实验的探究,培养科学探索的精神;理解内能的概念,掌握绝热过程中做功与内能变化的关系；2.知道什么是热传递,会区分热量与内能的概念;掌握单纯的传热过程中热量与内能变化的关系;知道做功和热传递是改变系统内能的两种方式,并且在改变系统内能上是等效的,知道这两种方式在改变系统内能上的区别。复习回顾一、玻意耳定律p1V1=p2V2或pV=C（m、T一定）pTO等容线二、查理定律1212ppTTpCT或（m、V一定）p1/VO等温线VTO等压线三、盖·吕萨克定律1212VVTTVCT或（m、P一定）复习回顾四、理想气体状态方程112212pVpVpVCCTTT（为常量）或121122ppTT五、气体热现象的微观意义气体分子运动的特点：自由性无序性规律性气体压强的微观意义：1.产生原因：大量气体分子频繁、持续地碰撞器壁而产生的。2.决定因素：气体分子的平均动能（温度）气体分子的密集程度（体积）C只与物质的量有关引入新课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？新课展开实验现象：压缩空气引起易燃物燃烧。实验结论：做功可以改变物体的内能。新课展开一、焦耳的实验1818年12月24日生于英国曼彻斯特，起初研究电学和磁学。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。焦耳测量了热与机械功之间的当量关系——热功当量，为热力学第一定律和能量守恒定律的建立奠定了实验基础。1.实验条件:绝热过程:系统只通过对外界做功或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。新课展开2.代表性实验:(1)让重物下落带动叶片搅拌容器中的水,引起水温上升。结论：只要重力所做的功相同，容器内水温上升的数值就相同，即系统状态的变化是相同的。新课展开(2)通过电流的热效应给水加热。结论：对同一系统，在绝热过程中只要所做的电功相同，系统温度上升的数值就相同，即系统的状态变化相同。新课展开3.实验结论:在各种不同的绝热过程中,如果使系统从状态1变为状态2,所需外界做功的数量是相同的。即:要使系统状态通过绝热过程发生变化,做功的数量只由过程始末两个状态1、2决定,而与做功的方式无关。二、功和内能1.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物理量,这个物理量在两个状态间的差别与外界在绝热过程中对系统做的功相联系,是系统的一种能量,我们把它称为系统的内能。回顾：哪些力做功仅由物体的起点和终点两个位置决定与物体的运动路径无关？新课展开2.绝热过程中做功与系统内能变化的关系：当系统从某一状态经过绝热过程达到另一状态时,内能的增加量ΔU就等于外界对系统所做的功W,即:ΔU=W。思考：打气筒是日常生活中的一种工具,当我们用打气筒给自行车打气的时候,就是在克服气体压力和摩擦力做功。打气的过程中你有没有试着去摸一下打气筒的外壳,有什么感觉?这是怎么回事?打气筒的温度升高了,这是由于给自行车打气时,压缩空气做功使得系统的内能增加,故温度升高。新课展开做一做：如图所示,大口玻璃瓶内有一些水,水的上方有水蒸气,向瓶内打气,在瓶塞跳出的过程中,会观察到什么现象?这个过程是外界对系统做功还是系统对外界做功?该过程系统的内能如何变化?当瓶塞跳出时,我们会发现瓶内的瓶口处有“白雾”产生。我们所选的研究对象是瓶内水面上方的水蒸气,在瓶塞跳出的过程中,是系统膨胀对外界做功,在这个过程中系统的内能减少,温度降低。瓶内和瓶口处的“白雾”实际上是瓶内的水蒸气遇冷液化形成的小液滴。新课展开3.内能与内能的变化：(1)物体的内能是指物体内所有分子的动能和势能之和。因此物体的内能是一个状态量。(2)当物体温度变化时,分子的平均动能变化;物体的体积变化时,分子势能发生变化,因此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。4.做功与内能变化的关系(1)做功改变物体内能的过程是其他形式的能(如机械能)与内能相互转化的过程。新课展开(2)在绝热过程中,外界对物体做多少功,就有多少其他形式的能转化为内能,物体的内能就增加多少,即:ΔU=W。5.功和内能的区别(1)功是能量转化的量度,是过程量,而内能是状态量。(2)做功过程中,能量一定会发生转化,而内能不一定变化,只有在绝热过程中,做功才一定能引起内能的变化。(3)物体的内能大,并不意味着做功多。在绝热过程中,只有内能变化较大时,才对应着做功较多。新课展开6.判断绝热过程中内能变化的方法判断气体绝热过程的内能变化一般情况下只需看气体体积变化就可决定:若体积增大,气体对外界做功,W0,即ΔU0,即内能减小;若体积缩小,外界对气体做功,W0,即ΔU0,即内能增加。注意：气体自由膨胀时,气体与外界相互不做功,因此这种情况下气体体积增大没有外界阻力,也就不需要对外界做功。课堂练习【例题1】一定质量的理想气体经历一缓慢的绝热膨胀过程。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注意：在应用ΔU=W判断系统内能的变化情况时,应先判断系统是否处于绝热过程,若处于绝热过程,再依据系统对外界做功还是外界对系统做功来判断系统内能的变化情况。D新课展开三、热和内能两个温度不同的物体相互接触时(或一个物体的两部分存在温度差)，温度高的物体（部分）要降温，温度低物体（部分）要升温，热量从高温物体传到了低温物体(或从物体的高温部分传到低温部分)——热传递新课展开思考：热传递的条件是什么?能否发生热传递与物体内能的多少是否有关?热传递的条件是两个物体(或一个物体的两部分)间存在温度差,与物体内能的多少无关。只要它们存在温度差,热量就会从高温物体传到低温物体(或从物体的高温部分传到低温部分),与原来物体内能的多少无关。热传递过程中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。新课展开新课展开1.热传递(1)热传递的条件:不同物体(或一个物体的不同部分)存在温度差。(2)热传递的方向:热量从高温物体传向低温物体。(3)热传递的结果:最终温度相同。(4)热传递的实质:不同物体(或一个物体的不同部分)之间内能的转移。(5)热传递的三种方式:热传导、热对流和热辐射。新课展开2.热量是用来衡量热传递过程中内能变化多少的一个物理量,是一个过程量,不能说物体具有多少热量,只能说物体吸收或放出了多少热量。思考：在单纯的热传递过程中,怎样计算内能的增量?当系统从状态1经过单纯的热传递达到状态2时,内能的增加量ΔU=U2-U1等于外界对系统传递的热量Q,即ΔU=Q。新课展开3.热传递与系统内能变化的关系系统在单纯的传热过程中内能的增量ΔU等于外界向系统传递的热量Q,即：ΔU=Q。思考：物体内能增加是否一定是从外界吸收了热量?不一定,这是因为做功和热传递都可以改变物体的内能。新课展开想一想：做功和热传递都能改变物体的内能。做功和热传递在改变物体内能上的本质是否相同?不相同！热传递是物体间内能的转移,即内能从物体一部分传到另一部分,或从一个物体传递给另一物体。做功是物体的内能与其他形式能量的转化,如内能与机械能、内能与电能间的转化等。新课展开四、做功和热传递与内能变化的关系1、做功使物体内能发生改变的时候：内能的改变就用功数值来量度。外界对物体做多少功，物体的内能就增加多少；物体对外界做多少功，物体的内能就减少多少，即：ΔU=W热传递使物体的内能发生改变的时候：内能的改变用热量来量度的。物体吸收多少热量，物体的内能就增加多少；物体放出多少热量，物体的内能就减少多少，即：ΔU=Q新课展开2．做功和热传递在改变物体的内能上是等效的。3．做功和热传递在本质上是不同的：做功使物体的内能改变，是其他形式的能量和内能之间的转化（不同形式能量间的转化）热传递使物体的内能改变，是物体间内能的转移（同种形式能量的转移）课堂练习【例题2】关于温度、热量、内能,以下说法中正确的是()A.一个铁块的温度升高,其内能增大B.物体吸收热量,其温度一定升高C.温度高的物体比温度低的物体含有的热量多D.温度总是从物体热的部分传递至冷的部分注意：温度、热量、内能都是热学部分的重要概念。弄清这几个量之间的联系与区别是处理这类问题的关键。A新课展开概念区别联系温度表示物体的冷热程度,其实质是:反映了物体内部大量分子无规则运动的激烈程度①温度、内能:温度是影响内能的因素之一,温度升高,内能增加;温度降低,内能减少②内能、热量:热量是用来衡量热传递过程中内能变化多少的③温度、热量:热量与温度的变化有关,在不发生物态变化时,物体吸收热量,内能增加,温度升高;物体放出热量,内能减少,温度降低内能物体内部所有分子的动能和分子势能的总和。一切物体都具有内能热量在热传递过程中,传递内能的多少。与物质的种类(比热容)、质量和温度的变化量有关注意:温度不能“传”,热量不能“含”；吸热不一定升温(如:晶体的熔化、水的沸腾)；升温不一定吸热(也可以通过做功实现)