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物理选修物理选修3-3 3-3 第十章第十章 热力学定律热力学定律第一节第一节 功和内能功和内能知识回顾知识回顾2.什么叫内能？什么叫内能？与哪些因素有关？与哪些因素有关？3.质量、温度相同的物体，内能必定相等质量、温度相同的物体，内能必定相等 对吗？对吗？1.（机械）功的两个不可缺少的因素是什么？（机械）功的两个不可缺少的因素是什么？电流做功与哪些因素有关？电流做功与哪些因素有关？物体的内能与温度和体积的关系物体的内能与温度和体积的关系 温度变时分子动能变，体积变时分子势温度变时分子动能变，体积变时分子势能变，因此物体的内能决定于它的温度和体能变，因此物体的内能决定于它的温度和体积，但是这句话却不能作为判断两物体内能积，但是这句话却不能作为判断两物体内能大小的依据。如两物体温度和体积均相同，大小的依据。如两物体温度和体积均相同，而内能却没有确定的关系。再如，而内能却没有确定的关系。再如，0OC的冰的冰熔化成熔化成OC水体积减小，不能就此认为其势能水体积减小，不能就此认为其势能也减小，而应该从改变内能的方式上分析也减小，而应该从改变内能的方式上分析,冰冰熔化过程吸收热量，内能增加，而温度不变，熔化过程吸收热量，内能增加，而温度不变，所增加的只是分子的势能所增加的只是分子的势能 结论：结论：做功使得物体（密闭气体）温度升高做功使得物体（密闭气体）温度升高焦耳焦耳 18181818年年1212月月2424日生于英国曼彻斯日生于英国曼彻斯特特 ，起初研究电学和磁学。，起初研究电学和磁学。18401840年在英国皇家学会上宣布了电流通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律。焦耳测量了热与机械功之间的当量关系当量关系热功当量，为热力学热功当量，为热力学第一定律和能量守恒定律的建立奠第一定律和能量守恒定律的建立奠定了实验基础。定了实验基础。一、焦耳的实验 系统只由于外界对它做功而与外界交换能量它不从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，这样的过程叫外界吸热，也不向外界放热，这样的过程叫绝热过程绝热过程绝热过程：绝热过程：焦耳实验是一个需要在绝热过程中完成的实验焦耳实验是一个需要在绝热过程中完成的实验焦耳二个代表性实验：焦耳二个代表性实验：焦耳热功当量实验装置焦耳热功当量实验装置机械功机械功 实验结论：只要重力所做的功相同，容器内水温上实验结论：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。升的数值都是相同的，即系统状态的变化是相同的。焦耳二个代表性实验：焦耳二个代表性实验：焦耳热功当量实验装置焦耳热功当量实验装置电功电功 实验结论：只要所做的电功相等，则系统温度上升实验结论：只要所做的电功相等，则系统温度上升的数值是相同的，即系统的状态变化是相同的。的数值是相同的，即系统的状态变化是相同的。从焦耳的实验中可以得出什么结论？从焦耳的实验中可以得出什么结论？1.在各种不同的绝热过程中，系统状态的改变在各种不同的绝热过程中，系统状态的改变与与做功方式做功方式无关，仅与无关，仅与做功数量做功数量有关。有关。2.2.测出了热功当量（热与机械功之间的当量测出了热功当量（热与机械功之间的当量关系），为热力学第一定律和能量守恒定律关系），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。的建立奠定了实验基础。在热力学系统的绝热过程中，外界对系统所做的功在热力学系统的绝热过程中，外界对系统所做的功仅由过程的仅由过程的始末两个状态始末两个状态决定，不依赖于做功的决定，不依赖于做功的具体具体过程和方式过程和方式。类比思考：哪些力做功仅由物体的起点和终点类比思考：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？两个位置决定，与物体的运动路径无关？重力重力 电场力电场力 重力做功对应重力势能重力做功对应重力势能电场力做功对应电势能（电能）电场力做功对应电势能（电能）在热力学系统的绝热过程中，外界对系统所做的功在热力学系统的绝热过程中，外界对系统所做的功仅由过程的仅由过程的始末两个状态始末两个状态决定，不依赖于做功的决定，不依赖于做功的具体具体过程和方式过程和方式。功是能量转化的量度功是能量转化的量度内能U：只依赖于系统自身状态的物理量：只依赖于系统自身状态的物理量 内能与状态参量温度、体积有关，内能与状态参量温度、体积有关，即由它的状态决定即由它的状态决定 内能的增加量内能的增加量UU2U1等于外界对系等于外界对系统所做的功统所做的功UW二、内能二、内能呈现雾状呈现雾状1.系统指的是什么？系统指的是什么？实验研究的对象是瓶中的气体与打气筒中的气体，实验研究的对象是瓶中的气体与打气筒中的气体，那么我们的系统也就是这二部分气体。那么我们的系统也就是这二部分气体。2.出现了什么现象？出现了什么现象？3.为什么会呈现雾状？为什么会呈现雾状？为什么会呈现雾状？为什么会呈现雾状？当用打气筒向瓶内打气时，外界对系统当用打气筒向瓶内打气时，外界对系统做功，使得系统的内能增加，温度升高，做功，使得系统的内能增加，温度升高，压强增大，使瓶塞从瓶口中喷出。看到雾压强增大，使瓶塞从瓶口中喷出。看到雾状物的原因在于，在塞子突然跳起时，气状物的原因在于，在塞子突然跳起时，气体绝热膨胀对外做功，内能减少，温度下体绝热膨胀对外做功，内能减少，温度下降，水蒸汽（或酒精蒸气）有一部分被液降，水蒸汽（或酒精蒸气）有一部分被液化成小液滴化成小液滴小结小结1、焦耳热功当量实验、焦耳热功当量实验2、绝热过程、绝热过程3、物体内能的宏观描述、物体内能的宏观描述4、绝热过程中作功和内能的关系、绝热过程中作功和内能的关系1.下列说法正确的是（下列说法正确的是（）A 分子的动能与分子的势能的和叫做这个分分子的动能与分子的势能的和叫做这个分子的内能子的内能B 物体的分子势能由物体的温度和体积决定物体的分子势能由物体的温度和体积决定C 物体的速度增大时，物体的内能增大物体的速度增大时，物体的内能增大D 物体的内能减小时，物体的温度可能增加物体的内能减小时，物体的温度可能增加D练习巩固练习巩固2.一个铁块沿斜面匀速滑下，关于物体的机械能一个铁块沿斜面匀速滑下，关于物体的机械能和内能的变化，下列判断中正确的是（和内能的变化，下列判断中正确的是（）A 物体的机械能和内能都不变物体的机械能和内能都不变B 物体的机械能减少，内能不变物体的机械能减少，内能不变 C 物体的机械能增加，内能增加物体的机械能增加，内能增加D 物体的机械能减少，内能增加物体的机械能减少，内能增加D 如图所示如图所示,绝热具有一定质量的活塞绝热具有一定质量的活塞,活塞的上部封闭活塞的上部封闭着气体着气体,下部为真空下部为真空,活塞与器壁的摩擦忽略不计活塞与器壁的摩擦忽略不计,置于真空中的轻置于真空中的轻弹簧的一端固定于理想气体容器的底部弹簧的一端固定于理想气体容器的底部.另一端固定在活塞上另一端固定在活塞上,弹弹簧被压缩后用绳扎紧簧被压缩后用绳扎紧,此时弹簧的弹性势能为此时弹簧的弹性势能为E EP P(弹簧处于自然长弹簧处于自然长度时的弹性势能为零度时的弹性势能为零),),现绳突然断开现绳突然断开,弹簧推动活塞向上运动弹簧推动活塞向上运动,经经过多次往复运动后活塞静止过多次往复运动后活塞静止,气体达到平衡态气体达到平衡态,经过此过程经过此过程（）A AE EP P全部转换为气体的内能全部转换为气体的内能B.EB.EP P一部分转换成活塞的重力势能一部分转换成活塞的重力势能,其余部分仍其余部分仍 为弹簧的弹性势能为弹簧的弹性势能C CE EP P全部转换成活塞的重力势能和气体的内能全部转换成活塞的重力势能和气体的内能D DE EP P一部分转换成活塞的重力势能一部分转换成活塞的重力势能,一部分转换一部分转换 为气体的内能为气体的内能,其余部分仍为弹簧的弹性势能其余部分仍为弹簧的弹性势能04年全国理综年全国理综17理想理想气体气体 D05年全国卷年全国卷19.一定质量的气体经历一缓慢的绝热膨胀过程。一定质量的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，则在此过程中设气体分子间的势能可忽略，则在此过程中（）A A外界对气体做功，气体分子的平均动能增加外界对气体做功，气体分子的平均动能增加B B外界对气体做功，气体分子的平均动能减少外界对气体做功，气体分子的平均动能减少C C气体对外界做功，气体分子的平均动能增加气体对外界做功，气体分子的平均动能增加D D气体对外界做功，气体分子的平均动能减少气体对外界做功，气体分子的平均动能减少D问题与练习问题与练习 1.分子动理论对内能的微观定义是：分子动理论对内能的微观定义是：-本节热力学对内能的定义是：本节热力学对内能的定义是：-当系统状态改变时，按照热力学对内能的定义，当系统状态改变时，按照热力学对内能的定义，则物体的内能改变；而按分子动理论，系统状态则物体的内能改变；而按分子动理论，系统状态改变时，描述系统状态的参量发生了变化，例如改变时，描述系统状态的参量发生了变化，例如温度和体积改变，而分子的平均动能与温度有关，温度和体积改变，而分子的平均动能与温度有关，分子的势能与体积有关，所以系统的内能就要改分子的势能与体积有关，所以系统的内能就要改变。因此内能年的两种定义是一致的。变。因此内能年的两种定义是一致的。问题与练习问题与练习 2.（从功是能量转化的量度角度出发思考）（从功是能量转化的量度角度出发思考）例例1：汽车刹车：汽车刹车 例例2：双手摩擦：双手摩擦 例例3：电磁感应中，阻尼振动中的能量变化：电磁感应中，阻尼振动中的能量变化 3.10.1-2重物的重力势能转化为水的内能；重物的重力势能转化为水的内能；10.1.3重物的机械能转化为电能，电能再重物的机械能转化为电能，电能再转化为液体的内能转化为液体的内能问题与练习问题与练习 4.（1）气体在真空中绝热膨胀）气体在真空中绝热膨胀 的过程中，不受阻力，所以气体的过程中，不受阻力，所以气体 不做功。不做功。需要特别注意的是，当气体向真空中膨需要特别注意的是，当气体向真空中膨胀时，气体不做功，这样的膨胀通常称为自由膨胀时，气体不做功，这样的膨胀通常称为自由膨胀胀 （2）气体在大气中绝热膨胀的过程中，气体对）气体在大气中绝热膨胀的过程中，气体对外做功，所需要的能量来自于外做功，所需要的能量来自于 气体的内能，因此在此过程中，气体的内能，因此在此过程中，气体的内能要减少。气体的内能要减少。K10-1-1abcd气体A真空BK10-1-2abcd气体A气体C拓展 对于气体在膨胀或压缩的情况下，气对于气体在膨胀或压缩的情况下，气体做功有如下结论：膨胀时气体对外界做体做功有如下结论：膨胀时气体对外界做功；压缩时外界对气体做功也即气体体功；压缩时外界对气体做功也即气体体积增大，则气体对外界做功；气体体积减积增大，则气体对外界做功；气体体积减小，则外界对气体做功若在绝热的情况小，则外界对气体做功若在绝热的情况下，气体对外界做功其内能减少；外界对下，气体对外界做功其内能减少；外界对气体做功其内能增加气体做功其内能增加
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