高中物理 第10章 第1节 功和内能同步辅导与检测课件 新人教版选修33.ppt

第1节功和内能 热力学定律 打气筒在使用时为什么会变热用打气筒给球或单车轮胎打气时 用了一会儿就会发现筒身发热 这是因为打气的动作既有力f 又有位移s 是一个对筒内空气做功 w fs 的过程 如右图所示 根据能量守恒定律 我们对空气做功 身体就会消耗一些化学能 这些化学能就转变为筒内和筒内空气的内能 故空气和筒身的温度就升高了 柴油内燃机就是利用这个原理 利用活塞把气缸内的空气压缩至高温 把喷进去的柴油燃烧 与上述相反 如果气体急速膨胀 就等于气体对外界做功 于是 它的内能就要减少 温度就会降低 1 绝热过程是指在这个过程中 系统只由于外界对它 而与外界交换能量 它不从外界 也不向外界 2 焦耳的实验表明 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 是相同的 而与做功的 无关 3 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 即 1 做功吸热放热2 数量方式3 所做的功w u w 焦耳的实验 1 热功当量实验 焦耳实验 1 方法 在水中放置叶片 叶片上缠绕两条绳子 每条绳子各跨过一滑轮 且分别悬挂一个重物 盛水的容器用绝热性能良好的材料包好 如下图所示 当重物下落时便带动叶片转动 容器中的水受叶片的搅动 水由于摩擦而温度上升 2 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 即系统的状态变化相同 注 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 这样的过程叫做绝热过程 adiabaticprocess 在绝热过程中 不论悬挂重物的质量 下落的高度如何不同 只要重力所做的功相同 系统状态变化就相同 2 利用电流的热效应给水加热的实验重物使发电机发电 电流通过电阻使液体升温 1 方法 如上图所示 利用降落的重物使发电机发电 电流通过浸在液体中的电阻丝 引起液体温度上升 2 结论 对同一个系统 在绝热过程中 只要所做的电功相等 系统温度上升的数值就相同 即系统的状态变化相同 注 在各种不同的绝热过程中 要使系统的状态发生变化 做功的数量只由过程的始末两个状态决定 而与做功的方式无关 例如 使一定质量的铁棒温度升高 可以采用摩擦做功的方式 也可以使电流通过铁棒 利用电流做功来加热 但不论采取哪种方式 只要是绝热过程使铁棒升温相同 做功的多少就一定相同 金属制成的汽缸中装有柴油与空气的混合物 有可能使汽缸中柴油达到燃点的过程是 a 迅速向里推活塞b 迅速向外拉活塞c 缓慢向里推活塞d 缓慢向外拉活塞 解析 气体被压缩或膨胀时做功 气体的内能就发生变化 如果将装有柴油与空气混合物的汽缸中的活塞迅速向里推 一方面柴油气体来不及与外界发生热交换 另一方面由于外界通过活塞对气体做功 使柴油气体的内能增加 温度升高 从而使柴油达到燃点 故正确选项为a 答案 a点评 在绝热过程中 外界对系统做功 系统内能增加 温度升高 做功越快 内能增加得也越快 做功和热传递对改变内能是等效的 变式迁移 1 采用绝热 即不与外界交换热量 的方式使一定量的气体由初状态a变化至终状态b 对于不同的绝热方式 下面说法正确的是 a 对气体所做的功不同b 对气体所做的功相同c 对气体不需做功 因为没有能量的传递d 以上三种说法都不对 解析 对于一定质量的气体 不管采用任何一种绝热方式由状态a变化到状态b 都是绝热过程 在这一过程中 气体在初状态a有一确定的内能ua 在状态b有另一确定的内能ub 由绝热过程中 u ub ua w知 w为恒量 所以选项b正确 答案 b点评 在绝热过程中 内能和其他形式的能一样也是状态量 气体的初 末状态确定了 即在初 末状态的内能也相应地确定了 故内能的变化 u也确定了 而功是能量转化的量度 所以 u w 即w为恒量 这就是我们判断绝热过程的方法 内能 1 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注 在第七章中我们曾把系统中所有分子热运动的动能和分子间的相互作用势能的总和叫做系统的内能 而且已经认识到 当系统的状态改变时 例如温度或体积改变时 系统的内能会改变 也就是说 系统的内能是由它的状态所决定的 由此可见 第七章谈到的内能与这里的内能是一致的 前者为后者提供了微观解释 2 功和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 内能的改变量 u就等于外界对系统所做的功w 用式子表示为 u u2 u1 w 注 1 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始末状态决定 不依赖于做功的具体过程和方式 这一点与在力学中 重力所做的功仅由物体的起点和终点的两个位置决定 而与物体的运动路径无关相类似 2 在绝热过程中 外界对系统做功 系统的内能增加 外界对系统做多少功 系统的内能就增加多少 系统对外界做功 系统的内能减少 系统对外界做多少功 系统的内能就减少多少 3 做功与内能的变化做功改变物体内能的过程是将其他形式的能 如机械能 与内能相互转化的过程 做功使物体内能发生变化时 内能改变了多少用做功的数值来度量 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 压缩气体 外界对气体做了功 气体的内能增加 气体内能的增加量等于外界对气体所做的功 气体膨胀 是气体对外界做功 气体内能减小 气体内能的减少量等于气体膨胀对外界做的功 实质上对气体我们还能从另一个方面来判断 那就是看气体的体积 被研究的气体体积增 大就一定对外做功 气体的体积减小 外界就一定对气体做功 在绝热过程中 末态内能大于初态内能时 u为正 w为正 外界对系统做功 末态内能小于初态内能时 u为负 w为负 系统对外界做功 内能和其他形式的能一样 是状态量 物体的状态一定时 它的内能也一定 和讨论重力势能一样 我们能确定的只是内能的变化 因为任何状态的内能 只有在标准参考态的值确定后 才可能作出相应的确定值 由此可知 要测得物体某一状态内能的绝对值 是不可能的 如果气体膨胀时与外界没有热交换 这样的膨胀叫做绝热膨胀 分别讨论气体在真空中和在大气中做绝热膨胀时是否做功 如果做功 所需的能量从何而来 解析 气体在真空中膨胀时 不会受到来自外界的压力 属于自由膨胀 气体不需要做功 而在大气中做绝热膨胀时 气体会受到外界大气的压力作用 需克服外界大气的压力而对外做功 所需的能量来自气体自身的内能 变式迁移 2 要探究一个规律我们可以用实验法 如右图所示 在一个有机玻璃筒底放置少量易燃物 如硝化棉或浸过乙醚的棉花等 迅速压下筒中的活塞 我们会发现筒底的物品燃烧起来 试解释这一现象 解析 产生这一现象的原因是在活塞压下来的过程中 由于压缩气体做功 使气体的内能增加 温度升高达到了易燃物硝化棉或乙醚的燃点而导致的结果 答案 见解析 基础巩固 1 下列过程中 由于做功而使系统内能增加的是 a 把铁丝反复弯曲 弯曲处温度升高b 烧开水时 蒸气将壶盖顶起c 铁块在火炉中被加热d 铁球从空中自由下落 不计空气阻力 解析 选项b是系统对外界做功 内能减小 选项c是吸热使内能增加 而选项d内能不变 故选a 答案 a 7 如图所示 瓶内装有少量的水 瓶口已塞紧 水上方空气中有水蒸气 用打气筒向瓶内打气 当塞子从瓶口跳出时 瓶内出现 白