功、熱和內(nèi)能的改變高二下學(xué)期物理人教版（2019）選擇性必修第三冊

第三章熱力學(xué)定律冷熱變化是最早引起人們關(guān)注的自然現(xiàn)象之一。春夏秋冬，溫暑涼寒，何時(shí)何處不與冷熱相關(guān)?人類不但掌握了精確的測溫控溫方法，還可以人工產(chǎn)生高熱和深冷，在高熱和深冷的“世界”里不斷發(fā)現(xiàn)新的科學(xué)奇跡?？梢哉f，現(xiàn)代科技的每一項(xiàng)成功--不論是試管嬰兒的誕生，還是探索原子世界的奧秘；不論是雜交水稻的培育，還是駕駛“神舟”遨游太空，都離不開“冷熱”的學(xué)問。3.1功、熱和內(nèi)能的改變迅速壓下活塞，引火儀筒內(nèi)氣體被壓縮，體積變小，外界對(duì)氣體做了功，氣體內(nèi)能增加，溫度升高.當(dāng)溫度達(dá)到硝化棉的燃點(diǎn)時(shí)，硝化棉被點(diǎn)燃.19世紀(jì)30年代，人們逐漸認(rèn)識(shí)到，為了使系統(tǒng)的熱力學(xué)狀態(tài)發(fā)生變化，既可以向它傳熱，也可以對(duì)它做功。從1840年開始，英國物理學(xué)家焦耳進(jìn)行了多種多樣的實(shí)驗(yàn)以求精確測定外界對(duì)系統(tǒng)做功和傳熱對(duì)于系統(tǒng)狀態(tài)的影響，以及功與熱的相互關(guān)系。這項(xiàng)研究工作為熱力學(xué)第一定律和能量守恒定律的建立奠定了堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。?焦耳的實(shí)驗(yàn)在焦耳研究功與熱等效性的許多實(shí)驗(yàn)中，有兩個(gè)最具代表性。一個(gè)是讓重物下落帶動(dòng)葉片攪拌容器中的水，引起水溫上升；另一個(gè)是通過電流的熱效應(yīng)給水加熱。實(shí)驗(yàn)1如圖3.1-1，用絕熱性能良好的材料制作容器，容器中安裝著葉片組成的攪拌器。重物下落時(shí)帶動(dòng)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，攪拌容器中的水，水由于摩擦而溫度上升。絕熱過程系統(tǒng)只由于外界對(duì)它做功而與外界交換能量，系統(tǒng)不從外界吸熱，也不向外界放熱，這樣的過程叫作絕熱過程

(adiabaticprocess)。焦耳的多次實(shí)驗(yàn)測量表明，盡管各次懸掛重物的質(zhì)量不同，下落的高度也不一樣，但只要重力所做的功相同，容器內(nèi)水溫上升的數(shù)值都是相同的，即系統(tǒng)狀態(tài)的變化是相同的。實(shí)驗(yàn)2如圖3.1-2，讓正在下降的重物帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，電流通過浸在液體中的電阻絲，由電流的熱效應(yīng)給液體加熱，使液體溫度上升。多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于同一個(gè)系統(tǒng)，如果過程是絕熱的，那么不管通過電阻絲的電流或大或小、通電時(shí)間或長或短，只要所做的電功相等，則系統(tǒng)溫度上升的數(shù)值是相同的，即系統(tǒng)的狀態(tài)就發(fā)生了同樣的變化。焦耳的這些實(shí)驗(yàn)表明，在各種不同的絕熱過程中，如果使系統(tǒng)從狀態(tài)1變?yōu)闋顟B(tài)2，所需外界做功的數(shù)量是相同的。也就是說，要使系統(tǒng)狀態(tài)通過絕熱過程發(fā)生變化，做功的數(shù)量只由過程始末兩個(gè)狀態(tài)1、2決定，而與做功的方式無關(guān)。那么，必定存在一個(gè)描述系統(tǒng)狀態(tài)的物理量，這個(gè)物理量的變化與做功相關(guān)。例如，在力學(xué)中，重力做的功僅由物體的起點(diǎn)和終點(diǎn)兩個(gè)位置決定，而與物體的運(yùn)動(dòng)路徑無關(guān)。根據(jù)這一事實(shí)人們認(rèn)識(shí)到，物體具有重力勢能。物體在兩個(gè)位置間的重力勢能之差等于物體在這兩個(gè)位置間移動(dòng)時(shí)重力所做的功。與此類似，在熱力學(xué)系統(tǒng)的絕熱過程中，外界對(duì)系統(tǒng)做的功僅由過程的始末兩個(gè)狀態(tài)決定，不依賴于做功的具體過程和方式。這就使我們認(rèn)識(shí)到，任何一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)必定存在一個(gè)只依賴于系統(tǒng)自身狀態(tài)的物理量，這個(gè)物理量在兩個(gè)狀態(tài)間的差別與外界在絕熱過程中對(duì)系統(tǒng)做的功相聯(lián)系。鑒于功是能量變化的量度，所以這個(gè)物理量必定是系統(tǒng)的一種能量，我們把它稱為系統(tǒng)的內(nèi)能。?

功與內(nèi)能的改變內(nèi)能任何一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)都必定存在一個(gè)只依賴于系統(tǒng)自身狀態(tài)的物理量，這個(gè)物理量在兩個(gè)狀態(tài)間的差別與外界在絕熱過程中對(duì)系統(tǒng)所做的功相聯(lián)系。我們把這個(gè)物理量稱為系統(tǒng)的內(nèi)能。功與內(nèi)能的改變在熱力學(xué)系統(tǒng)的絕熱過程中，當(dāng)系統(tǒng)從狀態(tài)1經(jīng)過絕熱過程達(dá)到狀態(tài)2時(shí)(圖3.1-3)，內(nèi)能的變化量?U＝U2－U1它就等于外界對(duì)系統(tǒng)所做的功W，即?U＝W在絕熱過程中，外界對(duì)系統(tǒng)做功，系統(tǒng)的內(nèi)能增加；系統(tǒng)對(duì)外做功，系統(tǒng)的內(nèi)能減少。在絕熱過程中，系統(tǒng)對(duì)外界做多少功，內(nèi)能就減少多少，即W＝?U。在絕熱過程中，內(nèi)能的增量就等于外界對(duì)系統(tǒng)做的功。即?U＝U2－U1＝W。一般來說，如果一個(gè)熱學(xué)過程的狀態(tài)變化發(fā)生得極快經(jīng)歷時(shí)間很短，系統(tǒng)與外界交換的熱量就很少，即系統(tǒng)與外界來不及交換熱量，這樣的過程若不計(jì)傳遞的熱，可以看成絕熱過程。本節(jié)“問題”欄目中的實(shí)驗(yàn)就是這樣的過程：迅速壓下活塞，引火儀筒內(nèi)氣體被壓縮，體積變小外界對(duì)氣體做了功，內(nèi)能增加，溫度升高。當(dāng)溫度達(dá)到易燃物的燃點(diǎn)時(shí)，易燃物發(fā)生自燃。下面讓我們再通過一個(gè)實(shí)驗(yàn)，認(rèn)識(shí)功與內(nèi)能的變化之間的關(guān)系。當(dāng)橡膠塞跳出時(shí)，瓶內(nèi)出現(xiàn)白霧。以瓶內(nèi)氣體為研究對(duì)象，橡膠塞跳出后，瓶內(nèi)的氣體迅速膨脹，系統(tǒng)對(duì)外做功，因此，氣體的內(nèi)能迅速減少，瓶內(nèi)氣體溫度迅速下降，瓶內(nèi)水蒸氣液化，就會(huì)出現(xiàn)大量的霧狀小水滴。典例探究例題1：下圖為某種椅子與其升降部分的結(jié)構(gòu)示意圖，M、N兩筒間密閉了一定質(zhì)量的氣體，M可沿N的內(nèi)壁上下滑動(dòng)，設(shè)筒內(nèi)氣體不與外界發(fā)生熱交換，在M向下滑動(dòng)的過程中(

)A．外界對(duì)氣體做功，氣體內(nèi)能增大B．外界對(duì)氣體做功，氣體內(nèi)能減小C．氣體對(duì)外界做功，氣體內(nèi)能增大D．氣體對(duì)外界做功，氣體內(nèi)能減小A例題2：地面附近有一正在上升的空氣團(tuán)，它與外界的熱交換忽略不計(jì)。已知大氣壓強(qiáng)隨高度增加而降低，則該空氣團(tuán)在上升過程中(不計(jì)氣團(tuán)內(nèi)分子間的勢能)(

)A．體積減小，溫度降低B．體積減小，溫度不變C．體積增大，溫度降低D．體積減小，溫度不變C?

熱與內(nèi)能的改變熱傳遞兩個(gè)溫度不同的物體互相接觸時(shí)溫度高的物體要降溫，溫度低的物體要升溫，并將持續(xù)到系統(tǒng)間達(dá)到熱平衡即溫度相等為止，這個(gè)過程稱之為熱傳遞。兩個(gè)溫度不同的物體A、B相互接觸時(shí)，溫度高的物體A要降溫，溫度低的物體B要升溫，我們說，熱從高溫物體A傳到了低溫物體B。熱傳遞的三種方式熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射。熱傳導(dǎo)：熱沿著物體傳遞的熱傳遞方式，不同物質(zhì)傳到熱的能力各不相同，容易傳到熱的物體稱之為熱的良導(dǎo)體，所有金屬都是熱的良導(dǎo)體，不容易傳導(dǎo)熱的物體稱之為熱的不良導(dǎo)體，如空氣、橡膠、絨毛、棉紗、木頭、水、油等。熱對(duì)流：靠液體或氣體的流動(dòng)來傳遞熱的方式，熱對(duì)流是液體和氣體所特有的熱傳遞方式。熱輻射：熱從高溫物體向周圍以電磁波的形式沿直線射出去的方式，熱輻射不依賴媒介質(zhì)，可在真空中進(jìn)行，溫差越大，表面顏色越深，物體向外的熱輻射能力越強(qiáng)。發(fā)生熱傳遞的條件當(dāng)物體之間或物體的不同部分之間存在溫度差時(shí)才能發(fā)生熱傳遞。典例探究例題3：關(guān)于熱傳遞，下列說法正確的是(

)A．熱傳遞的實(shí)質(zhì)是溫度的傳遞B．物體間存在溫度差，才能發(fā)生熱傳遞C．熱傳遞可以在任何情況下進(jìn)行D．物體內(nèi)能發(fā)生改變，一定是吸收或放出了熱量B外界對(duì)系統(tǒng)做功可以改變系統(tǒng)的熱力學(xué)狀態(tài)，而單純地對(duì)系統(tǒng)傳熱也能改變系統(tǒng)的熱力學(xué)狀態(tài)。所以，熱量是在單純的傳熱過程中系統(tǒng)內(nèi)能變化的量度。當(dāng)系統(tǒng)從狀態(tài)1經(jīng)過單純的傳熱達(dá)到狀態(tài)2時(shí)，內(nèi)能的變化量?U＝U2－U1它就等于外界向系統(tǒng)傳遞的熱量Q，即?U＝Q熱與內(nèi)能的改變雖然做功和傳熱都能引起系統(tǒng)內(nèi)能的改變，但是它們還是有區(qū)別的。做功時(shí)，內(nèi)能與其他形式的能(如內(nèi)能與機(jī)械能、內(nèi)能與電能等)發(fā)生轉(zhuǎn)化，而傳熱只是不同物體(或一個(gè)物體的不同部分)之間內(nèi)能的轉(zhuǎn)移。內(nèi)能與熱量的區(qū)別做功和熱傳遞的區(qū)別

1.做功使物體內(nèi)能發(fā)生改變的時(shí)候，內(nèi)能的改變就用功數(shù)值來量度。

外界對(duì)物體做多少功，物體的內(nèi)能就增加多少；

物體對(duì)外界做多少功，物體的內(nèi)能就減少多少。熱傳遞使物體的內(nèi)能發(fā)生改變的時(shí)候，內(nèi)能的改變用熱量來量度的。物體吸收多少熱量，物體的內(nèi)能就增加多少；物體放出多少熱量，物體的內(nèi)能就減少多少。2.做功和熱傳遞在本質(zhì)上是不同的：做功使物體的內(nèi)能改變，是其他形式的能量和內(nèi)能之間的轉(zhuǎn)化(不同形式能量間的轉(zhuǎn)化)。熱傳遞使物體的內(nèi)能改變，是物體間內(nèi)能的轉(zhuǎn)移(同種形式能量的轉(zhuǎn)移)。改變內(nèi)能的兩種方式做功熱傳遞對(duì)內(nèi)對(duì)外（外界對(duì)物體做功）（物體對(duì)外界做功）（物體從外界吸熱）（物體對(duì)外界放熱）吸熱放熱內(nèi)能減少內(nèi)能增加內(nèi)能減少內(nèi)能增加練習(xí)與應(yīng)用1.在圖3.1-1和圖3.1-2所示焦耳的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)中，各是什么形式的能轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)的內(nèi)能?解：在教材圖3.1-1的實(shí)驗(yàn)中，重物P

和重物P′的重力勢能轉(zhuǎn)化為水的內(nèi)能；在教材圖3.1-2的實(shí)驗(yàn)中，重物的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，電能再轉(zhuǎn)化為液體的內(nèi)能.2.下列事件中，物體的內(nèi)能怎樣改變?(固體和液體的熱膨脹很小，可不子考慮)(1)壺里的水被加熱而溫度升高。(2)一條燒紅的鐵棒逐漸冷卻下來。解：(1)壺里的水的內(nèi)能增加了.(2)鐵棒的內(nèi)能減少了.3.氣體在絕熱膨脹時(shí)它的溫度會(huì)怎樣變化?氣體在絕熱壓縮時(shí)它的溫度會(huì)怎樣變化?為什么會(huì)發(fā)生這樣的變化?請(qǐng)分別舉一個(gè)絕熱膨脹和絕熱壓縮時(shí)溫度變化的實(shí)例。解：根據(jù)功與內(nèi)能的改變關(guān)系，在沒有熱交換或時(shí)間極短，系統(tǒng)來不及跟外界進(jìn)行熱交換的情況下，氣體對(duì)外界做功(即絕熱膨脹)氣體的內(nèi)能減少，溫度降低；外界對(duì)氣體做功(即絕熱壓縮)，氣體的內(nèi)能增加，溫度升高.在本節(jié)“做一做”欄目中，橡膠塞跳出瞬間，瓶內(nèi)氣體可看作絕熱膨脹，以瓶內(nèi)氣體為研究對(duì)象，當(dāng)橡膠塞跳出時(shí)，瓶內(nèi)氣體迅速膨脹，氣體對(duì)外做功，因此，氣體的內(nèi)能迅速減