功和内能公开课.ppt

第十章热力学定律 1功和内能 在寒冷的冬天 如何让冰凉的手升温 思考 总结 做功和热传递是升温的两种方式 1 什么是绝热过程 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 这样的过程叫绝热过程 代表性实验1 重物下落带动叶片搅拌水 代表性实验2 电流的热效应给水加热 装水的容器 叶片 轴 绝热材料 实验装置 实验过程 重物下落带动叶片转动对水做功 实验现象 水由于摩擦而温度上升 尽管各次悬挂重物的重量不同 下落高度也不一样 但只要做功相同 容器内水温上升的数值都是相同的 即系统的状态变化是相同的 实验结论 代表性实验二 对系统做电功 电流热效应 现象 电流通过电热丝使绝热容器内的液体温度升高 结论 对同一系统 在绝热过程中只要所做的电功相同 系统温度上升的数值就相同 即系统的状态变化相同 即对水做功可以改变内能 焦耳实验表明 各种不同绝热过程中如果使系统从状态1变到状态2所需要外界做功的数量是相同的 结论 使系统状态的绝热过程发生变化 做功的数量只由过程始末状态决定 与做功方法与做功过程无关 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两个状态决定 不依赖于做功的具体过程和方式 重力做功 电场力做功 重力势能的变化 电势能的变化 外力对绝热系统做功 状态的变化 回顾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 内能 2 微观定义 分子动理论对内能的定义 物体中所有分子的热运动动能和分子势能的总和 叫做物体的内能 1 宏观定义 热力学对内能的定义 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一种能量 这种能量叫做系统的内能 微观 分子热运动的激烈程度 分子间距 分子数 宏观 温度 体积 物质的量 状态 3 对绝热系统做功 U W 这两种定义一致吗 为什么 4 做功与气体体积变化的关系 压缩气体 V减小 外界对气体做功 U增加 气体不自由膨胀 V增加 气体对外界做功 U减小 气体自由膨胀 V增加 气体对外界不做功 U不变 在干什么 1 要点回顾 2 微观定义 分子动理论对内能的定义 物体中所有分子的热运动动能和分子势能的总和 叫做物体的内能 1 宏观定义 热力学对内能的定义 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一种能量 这种能量叫做系统的内能 微观 分子热运动的激烈程度 分子间距 分子数 宏观 温度 体积 物质的量 状态 3 对绝热系统做功 U W 4 做功与气体体积变化的关系 压缩气体 V减小 外界对气体做功 U增加 气体不自由膨胀 V增加 气体对外界做功 U减小 气体自由膨胀 V增加 气体对外界不做功 U不变 1 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子的内能B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D物体的内能减小时 物体的温度可能增加 D 课堂小练 2 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 A 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C 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 D 课堂小练 3 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 A 外界对气体做功 气体分子的平均动能增加B 外界对气体做功 气体分子的平均动能减少C 气体对外界做功 气体分子的平均动能增加D 气体对外界做功 气体分子的平均动能减少 D 课堂小练 2热和内能 热传递 1 热对流 热辐射 热传递的三种方式 热和内能 系统吸热 U增加 系统放热 U减小 U Q 热量 在单纯的热传递过程中系统内能变化的量度 离开热传递的过程讲热量没有意义 过程量 做功和热传递的区别 1 内能改变多少的度量方式不同 2 改变内能的本质不同 3 改变内能的效果是等效的 3热力学第一定律 改变内能的两种方式 要让物体的内能增加20J 有什么方法 热力学第一定律 1 内容 物体内能的增加等于外界对物体所做的功与从外界吸收的热量之和 2 表达式 U W Q 3 符号规定 增加量 减小量 对内做功 对外做功 吸热 放热 热力学第一定律对三大气体定律的解释 能量守恒定律 1 内容 能量既不会凭空产生 也不会凭空消失 它只能从一种形式转化为另一种形式 或者从一个物体转移到别的物体 在转化或转移的过程中其总量保持不变 是一个普遍适用的定律 2 能量守恒定律的重要性 将各种现象联系在一起 指导着人们的生产 科研 泡利和费米利用能量守恒预言了中微子的存在 19世纪自然科学三大发现之一 宣告了第一类永动机造不成 制造永动机的千万次努力都以失败而告终 违背了能量守恒定律 第一类永动机 1 不消耗任何能量 却可以源源不断地对外做功 这种机器叫永动机 人们把这种不消耗能量的永动机叫第一类永动机 不吃草的马 例1 如图所示的容器 A B中各有一个可自由移动的活塞 活塞下面是水上面是大气 大气压恒定 A B间带有阀门K的管道相连 整个装置与外界绝热 开始时A的水面比B高 开启K A中的水逐渐向B中流 最后达到平衡 在这个过程中 A 大气压力对水作功 水的内能增加B 水克服大气压力作功 水的内能减少C 大气压力对水不作功 水的内能不变D 大气压力对水不作功 水的内能增加 D 例2 一定质量的理想气体由状态 p1 V1 T1 被压缩至状态 p2 V2 T2 已知T2 T1 则该过程中 A 气体的内能一定是增加的B 气体可能向外界放热C 气体一定从外界吸收热量D 气体对外界做正功 AB 例3 如图所示 固定在水平面上的汽缸内 用活塞封闭一定质量的理想气体 活塞与汽缸间无摩擦且和周围环境没有热交换 当用一个水平恒力F向外拉动活塞时 下列叙述正确的是 A 由于没有热交换 汽缸内气体的温度不变B 由于拉力对活塞做正功 气体的温度升高C 由于气体体积变大 所以气体内能变大D 由于气体膨胀对外做功 所以气体内能减小 D 例4 如图所示 绝热隔板K把绝热的气缸分隔成体积相等的两部分 K与气缸壁的接触是光滑的 两部分中分别盛有相同质量 相同温度的同种气体a和b 气体分子之间相互作用势能可忽略 现通过电热丝对气体a加热一段时间后 a b各自达到新的平衡 则 A a的体积增大了 压强变小了B b的温度升高了C 加热后a的分子热运动比b的分子热运动更激烈D a增加的内能大于b增加的内能 BCD 例5 如图所示 固定容器及可动活塞P都是绝热的 中间有一导热的固定隔板B B的两边分别盛有气体甲和乙 现将活塞P缓慢地向B移动一段距离 已知气体的温度随其内能的增加而升高 则在移动P的过程中 A 外力对乙做功 甲的内能不变B 外力对乙做功 乙的内能不变C 乙传递热量给甲 乙的内能增加D 乙的内能增加 甲的内能不变 C 例6 如图所示 导热气缸开口向下 内有理想气体 缸内活塞可自由滑动且不漏气 活塞下挂一个砂桶 砂桶装满砂子时 活塞恰好静止 现在把砂桶底部钻一小洞 细砂慢慢流出 并缓慢降低气缸外部环境的温度 则 A 气体压强增大 内能一定增大B 外界对气体做功 气体温度可能降低C 气体体积减小 压强增大 内能一定减小D 外界对气体做功 气体内能一定增大 C 例7 如图所示 绝热具有一定质量的活塞 活塞的上部封闭着气体 下部为真空 活塞与器壁的摩擦忽略不计 置于真空中的轻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 弹簧被压缩后用绳扎紧 此时弹簧的弹性势能为EP 弹簧处于自然长度时的弹性势能为零 现绳突然断开 弹簧推动活塞向上运动 经过多次往复运动后活塞静止 气体达到平衡态 经过此过程 A EP全部转换为气体的内能B EP一部分转换成活塞的重力势能 其余部分仍为弹簧的弹性势能C EP全部转换成活塞的重力势能和气体的内能D EP一部分转换成活塞的重力势能 一部分转换为气体的内能 其余部分仍为弹簧的弹性势能 D 4热力学第二定律 热现象的方向性 1 热传递的方向性 2 扩散现象的方向性 3 其它形式的能和内能相互转化的方向性 1 热机 汽油机 柴油机 蒸汽机 蒸汽轮机 喷气发动机 1 热机 把热 内 能转换成机械能的装置 需要一定工作物质 需要两个热源 热源 热机 W Q1 第二类永动机 1 第二类永动机 人们把想象中能够从单一热源吸收热量 全部用来做功而不引起其他变化的热机叫做第二类永动机 2 第二类永动机不可能制成 热力学第二定律 1 两种表述 1 按热传递的方向性来表述 不可能使热量从低温物体传到高温物体 而不引起其他变化 克劳修斯表述 2 按机械能与内能转化过程的方向性来表述 不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功 而不引起其他变化 开尔文表述 2 两种表述是等价的 可以从一种表述导出另一种表述 两种表述都称为热力学第二定律3 热力学第二定律的意义 提示了有大量分子参与的宏观过程的方向性 是独立于热力学第一定律的一个重要自然规律 对生活实践的指导作用 5热力学第二定律的微观解释 有序和无序宏观态和微观态 不可逆过程的统计性质 一切自然过程总是沿着无序性增大的方向进行 热力学第二定律的微观意义 熵 熵增加原理 在任何自然过程中 一个孤立系统的总熵不会减小 对整个宇宙不适用 如布朗运动 平衡态相应于一定宏观条