功、热和内能的改变+高二下学期物理人教版（2019）选择性必修第三册

功、热和内能的改变1功、热和内能的改变1.了解焦耳的两个实验。掌握从热力学角度认识内能的概念。2.知道做功与内能改变的关系,知道传递的热量与内能变化的关系。3.知道做功和传热是改变内能的两种方式,且对改变系统内能是等效的。4.明确内能、功、热量、温度四个物理量的区别和联系。

冷热变化是最早引起人们关注的自然现象之一。春夏秋冬，温暑凉寒，何时何处不与冷热相关？人类不但掌握了精确的测温控温方法，还可以人工产生高热和深冷，在高热和深冷的“世界”里不断发现新的科学奇迹。

可以说，现代科技的每一项成功——不论是试管婴儿的诞生，还是探索原子世界的奥秘；不论是杂交水稻的培育，还是驾驶“神舟”遨游太空，都离不开“冷热”的学问。

从对一切其他的已知物理和化学过程的这类研究中可以得出这样的结论，自然界作为整体来说它蕴藏着一定数量的能量，它既不会减少，也不会增加……——亥姆霍兹

问题：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？

19世纪30年代，人们逐渐认识到，为了使系统的热力学状态发生变化，既可以向它传热，也可以对它做功。

从1840年开始，英国物理学家焦耳进行了多种多样的实验，以求精确测定外界对系统做功和传热对于系统状态的影响，以及功与热的相互关系。这项研究工作为热力学第一定律和能量守恒定律的建立奠定了坚实的实验基础焦耳

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。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。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，这样的过程叫做绝热过程。焦耳实验是一个需要在绝热过程中完成的实验

焦耳的实验焦耳二个代表性实验：焦耳热功当量实验装置—机械功

重物下落带动叶片搅拌容器中的水，引起水温上升

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。

焦耳的实验焦耳二个代表性实验：焦耳热功当量实验装置—电功

实验结论：对同一个系统，如果过程是绝热的，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。

焦耳的实验实验结论：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决定，而与做功的方式无关

热量以卡为单位时与功的单位焦耳之间的数量关系，相当于单位热量的功的数量，叫做热功当量，即1卡=4.1840焦耳

焦耳的实验二、功和内能1.系统的内能:任何一个热力学系统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。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,内能的变化量ΔU就等于外界对系统所做的功W,即ΔU=W。功与内能的改变情境探究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时,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?打气筒的温度升高了,这是怎么回事呢?要点提示做功的过程是能量转化的过程,做功使得系统的内能增加了,所以温度升高。知识归纳1.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。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,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。2.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,即ΔU=W。3.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。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,系统内能的变化量等于外界对系统所做的功。三、热和内能1.热传递:热量从高温物体传到低温物体的过程。2.实现热传递的条件:两物体间存在着温度差。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变化量ΔU等于外界向系统传递的热量Q,即ΔU=Q。4.对热量的理解: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。四、热和功的比较1.改变系统内能的方式:做功和热传递。2.做功和热传递在改变物体内能方面的区别:做功时内能与其他形式的能发生转化;而热传递只是不同物体间内能的转移。热与内能的改变情境探究“围炉夜话”是古代中国文人认为非常有生活情趣的一种生活方式。在“围炉”的过程中,人的身体并没有和炉子本身发生接触,为什么还能够感到温暖?现代取暖的方式主要是暖气,暖气和炉子在能量传递方面有什么相同点?要点提示炉子和人身体没有发生接触也可以感到温暖是因为热量可以通过热传递向外扩散,这和暖气的散热方式是相同的。知识归纳1.热传递(1)热量从高温物体传递到低温物体,或从物体的高温部分传递到低温部分,叫作热传递。(2)热传递的三种方式:热传导、热对流和热辐射。2.热传递的实质热传递实质上传递的是能量,结果是改变了系统的内能。传递能量的多少用热量来量度。3.传递的热量与内能改变的关系(1)在单纯热传递中,系统从外界吸收多少热量,系统的内能就增加多少,即Q吸=ΔU。(2)在单纯热传递中,系统向外界放出多少热量,系统的内能就减少多少,即Q放=-ΔU。课堂练习(多选)下图为焦耳实验装置图,用绝热性能良好的材料将容器包好,重物下落带动叶片搅拌容器里的水,引起水温升高。关于这个实验,下列说法正确的是(

)A.这个装置可测定重物机械能的改变与水的内能改变的比值B.做功增加了水的热量C.做功增加了水的内能D.功和热量是完全等价的,无区别AC解析:将做功过程