3.1功、热和内能的改变(课件36张PPT)

(共36张PPT)
第三章 热力学定律
3.1 功、热和内能的改变
人教版（2019）高中物理选择性必修第二册
CONTENTS
01
焦耳的实验
02
功与内能的改变
03
热与内能的改变
04
目录
典型例题
典例分析
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，可以观察到硝化棉燃烧的火苗。为什么筒底的硝化棉会被点燃呢？你能解释这个现象吗？
新课导入
分析：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。
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？
想一想
传热
做功
01
焦耳的实验
热力学定律
1、实验1
⑴实验装置
⑵实验原理
重物下落带动轮叶旋转，通过搅拌对绝热容器内的液体做功，使液体升温，即状态发生变化.
焦耳热功当量实验装置——对系统做机械功
2、实验2
⑴实验装置
⑵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。
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。
⑶焦耳的多次实验测量结论
焦耳热功当量实验装置——对系统做电功
3、焦耳的这些实验结论
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。
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。
02
功与内能的改变
热力学定律
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
ΔU=W
系统内能增量
外界对系统所做的功W
Q=0
U1
U2
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△U=U2-U1就等于外界对系统所做的功W，即 U=W。
说明：内能与内能变化
(1)物体的内能是指物体内所有分子热运动的动能和分子势能之和。
(2)当物体温度变化时，分子平均动能变化。物体体积变化时，分子势能发生变化，即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。
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。
1、外界对系统做功：
W>0
，ΔU>0
内能增加
压燃实验
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。
当橡胶塞跳出时，瓶内出现白雾。
实验现象
做一做
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。
2、系统对外界做功：
W<0
，ΔU<0
内能减小
热力学系统
——瓶内气体
状态变化过程
——绝热过程
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。
ΔU=W
气体膨胀，系统对外做功
内能↓，温度↓，液化，雾状
说明：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。
(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；物体对外界做多少功，就有多少内能转化为其他形式的能，物体的内能就减少多少；
物理量 符号 意义 符号 意义
W
ΔU
系统对外界做功
外界对系统做功
内能增加
内能减少
+
ΔU>0
－
ΔU<0
在绝热过程中，功是系统内能转化的量度： U=W
注意：功和内能的区别
(1)功是过程量，内能是状态量。
(2)在绝热过程中，做功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，对应着做功较多。
特别提醒
(1)外界对某一系统做功时，系统的内能不一定增加，还要看该系统有没有向外放热，以及向外放热的多少。
(2)在绝热过程中，系统内能的增加量等于外界对系统所做的功。
03
热与内能的改变
热力学定律
烤火取暖
开火烧水
太阳辐射
生活中常见的一些热现象
火钳变红
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)。
单纯地对系统传热也能改变系统的热力学状态
水壶温酒
容器中的酒
——封闭系统：与外界没有物质交换，但有能量交换。
△U＝Q
Q
T1
T2
U1
U2
ΔU=U2-U1
系统内能增量
当系统从状态1经过单纯的传热达到状态2，内能的增量△U=U2-U1就等于外界向系统传递的热量Q，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改变量。
热量（Q）：是在单纯的传热过程中系统内能变化的量度.（过程量，国际制单位焦耳）
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：物体之间或物体的不同部分之间存在温度差。
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。（即达到热平衡）
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：从高温物体传向低温物体。
经过一段时间
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
说明:
（1）像做功一样，热量的概念也只有在涉及能量的传递时才有意义.所以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.
（2）物体从外界吸热，物体内能增加。物体对外界放热，物体内能减少。
物理量 符号 意义 符号 意义
Q
ΔU
系统吸收热量
系统放出热量
内能增加
内能减少
+
ΔU>0
－
ΔU<0
△U＝Q
做功使物体内能发生改变，内能的改变就用功的数值来量度。
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），从微观角度，传热是在分子相互作用下，通过分子热运动的碰撞实现内能的转移。
热传递使物体的内能发生改变，内能的改变用热量来量度。
1、
2、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）
做功和热传递的区别
高温热源
导热壁
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）
改变内能的两种方式
做功
热传递
对内
对外
吸热
放热
内能增加
内能增加
内能减少
内能减少
（外界对物体做功）
（物体对外界做功）
（物体从外界吸热）
（物体对外界放热）
内能变化的判断
对于某物体，是否其温度升高，内能就一定增加；是否向物体传递能量，物体的内能就一定增加，分别说明原因？
通常情况下，对固体或液体，由于体积变化不明显，主要是通过温度的变化来判断内能是否改变。
★★★物体的温度升高，其内能一定增加；但物体内能增加，温度不一定升高。
特殊情况：例如晶体熔化时，内能增加，温度不变。
一定质量的0℃的冰熔解成的0℃的水，虽然温度不变，但是因为吸收热量，所以其内能一定增大（分子势能增大）。
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激烈程度，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）。
问题与练习
下列事件中，物体的内能怎样改变（固体和液体的热膨胀很小，可不予考虑）？
（1）壶里的水被加热而温度升高；
（2）一条烧红的铁棒逐渐冷却下来
（1）壶里的水被加热，其他物体的内能通过传热将热量传给了壶里的水，所以水的内能增加
（2）烧红的铁棒比周围温度要高，所以要将热量传递为周围环境，而自身的内能减少
『判一判』
(1)热传递过程具有一定的方向性。 (　　)
(2)在任何情况下，公式ΔU＝Q都适用。 (　　)
(3)温度高的物体含有的热量多。 (　　)
(4)热量一定从内能多的物体传递给内能少的物体。 (　　)
(5)做功和热传递都能改变物体的内能。 (　　)
(6)热传递改变内能的实质是能量的转移。 (　　)
√
×
×
×
√
√
04
典例分析
热力学定律
【例题1】如果一个系统达到了平衡态，那么这个系统各处的（ ）
A.温度、压强、体积都必须达到稳定的状态不再变化
B.温度一定达到了某一稳定值，但压强和体积仍是可以变化的
C.温度一定达到了某一稳定值，并且分子不再运动，达到了“凝固”状态
D.温度、压强稳定，但体积仍可变化
解析：
如果一个系统达到了平衡态，系统内各部分的状态参量如温度、压强和体积等不再随时间发生变化。温度达到稳定值，分子仍然是运动的，不可能达到所谓的“凝固”状态。
A
【例题2】下列说法正确的是（ ）
A.放在腋下足够长时间的水银体温计中的水银与人体达到热平衡
B.温度相同的棉花和石头相接触，需要经过一段时间才能达到热平衡
C.若a与b、c分别达到热平衡，则b、c之间也达到了热平衡
D.两物体温度相同，可以说两物体达到了热平衡
解析：
当温度计的液泡与被测物体紧密接触时，如果两者的温度有差异，它们之间就会发生热传递，高温物体将向低温物体传热，最终使二者的温度达到相等，即达到热平衡，故A、D正确；两个物体的温度相同时，不会发生热传递，已经达到热平衡，故B错误；若a与b、c分别达到热平衡，三者温度一定相等，所以b、c之间也达到了热平衡，故C正确。
ACD
【例题3】关于温度与温标，下列说法正确的是( )
A.用摄氏温标和热力学温标表示温度是两种不同的表示方法
B.水的沸点为100 ℃，用热力学温度表示即为373.15 K
C.水从0 ℃升高到100 ℃，用热力学温度表示即为从273.15 K升高到373.15 K
D.温度由摄氏温度t升至2t，对应的热力学温度由T升到2T
解析：
温标是温度数值的表示方法，常用的温标有摄氏温标和热力学温标，选项A正确；根据T＝t＋273.15 K可知，100 ℃相当于热力学温度373.15 K，水从0 ℃升高到100 ℃，即从273.15 K升高到373.15 K；温度由摄氏温度t升高到2t，对应的热力学温度从T＝t＋273.15 K升高到2t＋273.15 K，选项B、C正确，D错误。
ABC
1、下列关于热量的说法，正确的是 （ ）
A.温度高的物体含有的热量多
B.内能多的物体含有的热量多
C.热量、功和内能的单位相同
D.热量和功都是过程量，而内能是一个状态量
热量和功都是过程量，而内能是一个状态量，所以不能说温度高的物体含有的热量多，内能多的物体含有的热量多；热量、功和内能的单位相同都是焦耳。
CD
解析：
小试牛刀
2、关于物体的内能，下列说法正确的是（　 ）
A.相同质量的两种物体，升高相同的温度，内能增量一定相同
B.一定量0℃的水结成0℃的冰，内能一定减少
C.一定量气体体积增大，但既不吸热也不放热，内能一定减少
D.一定量气体吸收热量而保持体积不变，内能一定减少
内能是物体内所有分子的动能和相互作用的势能之和。相同质量的两种物体，分子数不同，初始温度及分子间相互作用都不尽相同，升高相同的温度时，内能增量不一定相同，项A错误；0℃的水结成0℃的冰，既放出热量，又增大体积对外做功，因此，其内能一定减少，B项正确；一定量气体经历绝热膨胀过程，对外做功，气体的内能一定减少，选项C正确；一定量气体吸收热量而体积不变，气体不对外做功，内能一定增加而不可能减少，D项错误。
BC
小试牛刀
3 、如果铁丝的温度升高了，则（ ）
A.铁丝一定吸收了热量 B.铁丝一定放出了热量
C.外界可能对铁丝做功 D.外界一定对铁丝做功
C
4. 下列关于热量的说法，正确的是 （ ）
A.温度高的物体含有的热量多
B.内能多的物体含有的热量多
C.热量、功和内能的单位相同
D.热量和功都是过程量，而内能是一个状态量
CD
小试牛刀