物理课件 单元九 热量与功

物理单元九

热量与功模块一内能热传递热量内能物体中的分子由于永不停息地作无规则的运动，而具有的动能称为分子动能。另一方面，在分子力相互作用的范围内，对应于分子间的相对位置，分子所具有的势能，称为分子势能（与体积度有关）。

物体内所有分子动能的平均值称为分子的平均动能(与温度有关)。

物体内部所有分子的热运动动能和分子势能的总和，称为物体的内能(internalenergy)，也称为热力学能(thermodynamicenergy)用“E”表示。

在常温常压下，气体分子间的间距很大，分子力很小。如果忽略了分子力的作用，就可以忽略气体之间的分子势能，这时气体的内能仅与温度有关。我们把这样的气体称为理想气体。

内能的变化

改变物体内能的两种方式：做功和热传递。方式一：做功改变物体内能例如，把浸过乙醚的一小块棉花，放入厚壁玻璃简的底部，然后迅速压下活塞，浸有乙醚的棉花就会燃烧起来。再如，所有克服摩擦阻力做功的过程，都包含着机械能转换为相互摩擦的物体的内能的过程，如车刀切削工件、钻头在钢板上钻孔，车刀和钻头都会热得烫手;气体被迅速压缩时，气体会升温。这些现象说明，外界对物体做功，使物体内部分子热运动加剧，提高了物体的内能，机械能转换为物体内部的能量，这正是机械能损耗的根本原因。物理知识应用物体之间由于激烈摩擦可生成大量的热，因而可利用高速旋转物体与固定物体之间的摩擦热，实现金属材料的焊接，摩擦压力焊就浸过乙醚是利用这种原理进行金属材料焊接的典型工艺之一。模块一内能热传递热量内能的变化

改变物体内能的两种方式：做功和热传递。方式一：做功改变物体内能另外，物体对外界做功时，物体的内能也会发生变化。例如，蒸气、燃气膨胀时，温度会降低，内能会减少，同时气体推动汽轮或活塞做了有用功。这种现象正是人们利用内能做功的主要形式，如蒸汽机、内燃机、火力发电厂等。以上所举案例说明：内能与机械能可以通过做功相互转换，而且内能在转换过程中往往要通过一定的设备或工具来实现。做功物体内能改变时，内能的改变可以用功的数值来量度。外界对物体做多少功，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。模块一内能热传递热量方式二：热传递改变物体内能我们把不通过做功而使物体的内能改变的过程称为热传递(heatpassage)。热传递有热传导、对流和热辐射三种方式。通过物体中分子、原子、电子等粒子间的相互作用而将内能从高温区向低温区传递热量的方式，称为热传导。依靠流体(液体或气体)的流动而进行热传递的过程，称为对流。凡温度高于0K的任何物体都以电磁波的形式在不断地向外辐射能量，这种过程称为热辐射。模块一内能热传递热量方式二：热传递改变物体内能如图9-3所示，当铁条一端烧热时，另一端也逐渐热起来，这种方式就是热传导。在火炉上加热水壶时，水壶中的水会上下循环传递热量，这种传热方式就是对流。手靠近火炉时，手会感到很暖，就是通过热辐射方式转移内能。模块一内能热传递热量

热量热传递时所转移内能的数量，称为热量，常用符号Q表示。在国际单位制中，内能和热量的单位都是焦耳(J)，此外，过去工程中习惯上常用的热量单位有卡(cal)、千卡(kcal)等单位。工业上常说的大卡实际上就是指千卡。

热传递的条件是物体之间必须有温度差。在热传递过程中，低温物体吸收的热量Q吸，等于高温物体放出的热量Q放，即这一公式称为热平衡方程，这一结论称为热交换定律。

模块一内能热传递热量模块二物态变化时的潜热

物质的固态、液态和气态是物质的三种状态，它们具有明显的物理特征，在一定的条件下这三种状态是可以互相转化的。我们把物质物理状态的变化，统称为物态变化。

在温度不变的情况下，物态发生变化时物质要吸收或放出一定的热量，这种热量称为潜热。

熔化与凝固

物质通过吸收热量由固态变成液态的过程，称为熔化(smelt)，相反，从液态转变为固态的过程称为凝固(solidify)。晶体与非晶体在熔化时表现出不同的特征，其原因就是由于它们存在不同的内部结构。晶体具有一定的熔化温度─—熔点（晶体开始熔化并保持温度不变时的温度称为晶体的熔点。），而非晶体则没有固定的熔点。物质在熔化时要吸收热量，在凝固时要放出热量。

熔化热单位质量的某种晶体物质，在熔点完全变成同温度的液体时所吸收的热量，称为这种晶体的熔化热(λ)。在国际单位制中，熔化热的单位是焦耳每千克(J/kg)。

如果某晶体物质的质量为m，熔化热为λ，则它完全熔化时所需要的热量为

由液体凝固为晶体的过程称为结晶。

对于非晶体，如塑料、玻璃、松香等，其微观结构与液体相似，在加热熔化过程中由于不需为破坏空间点阵结构而消耗能量，所以，其温度会不断地上升，宏观上表现出非晶体没有固定的熔点。因此，也就没有一定的熔化热。模块二物态变化时的潜热

汽化与液化物质从液态变成气态并吸收热量的过程，称为汽化(vaporization)，由气态转变为液态的过程称为液化(fluidify)，又称为凝结。

汽化有两种方式:蒸发和沸腾。仅仅在液体表面发生的汽化，称为蒸发(evaporate)。在一定压强下，液体的温度升高到某一温度时，在液体内部和表面同时发生的汽化，称为沸腾(secthe)。沸腾时液体的温度保持不变，这个温度称为沸点(boilingpoint)。

单位质量的液体，在一定温度下完全变成同温度蒸气时所吸收的热量，称为这种液体在该温度下的汽化热(γ)。

在国际单位制中，汽化热的单位也是焦耳每千克(J/kg)。模块二物态变化时的潜热例8-1在地球大气层上空垂直太阳光的平面上，每秒钟每平方米可接收到1.35×103J(记为I=1.35×103W/m2)的太阳能，这些能量的大部分被大气层吸收，全年平均起来大约15％到达地面。已知地球的半径约R0=6.4×106m，地面水域占全球面积的71％，平均汽化热可估计为γ=2.47×106J/kg，试估算每秒钟进入大气的平均水蒸发量m。

模块二物态变化时的潜热蒸馏如果液体中含有不同物质，先让它们汽化，然后送入一定的设备中凝结，这种过程称为蒸馏。比热容物体的温度升高（或降低）时，所吸收的热量，跟该物体的质量与升高（或降低）的温度之的比值，称为该物质的比热容。不同物质的比热容不同，比热容是物质的特性之一。假设物体的质量是m，它从外界吸收的热量是Q，它的温度从t1升高到t2时，则组成该物体的物质的比热容c是：

在国际单位制中，比热容的单位是焦耳每千克开[尔文][J/(kg·K)]，也可用焦耳每千克摄鮀瞵惊氏度[J/(kg·℃)]。模块二物态变化时的潜热模块三热力学模块一定律热力学第一定律假设系统从内能为E1的平衡态经过某一热力学过程变化到内能为E2的平衡态。在此过程中，外界对系统传热是Q，同时系统对外做功是W，根据能量转化和守恒定律，在系统状态变化过程中，系统能量的改变量等于系统与外界交换的能量，即：Q=E2-E1+W=ΔE+W其中，ΔE=E2-E1

，表示系统内能的改变量。从公式中可以看出：系统从外界所吸收的热量，一个部分转化为系统的内能增加，一部分是系统对外做功，这就是热力学第一定律。如果系统与外界不发生热交换，即Q=0，热力学第一定律的表达式可以写成0=ΔE+W或W=-ΔE，其中ΔE=E2-E1。说明：系统对外界做功是以系统自身内能的减少为代价的。人类与环境热机和制冷机既是人类物质文明的重要体现，同时也是污染人类生态环境的主要根源之一，其中最突出的是对大气的污染。因此，减少大气污染，保护环境、爱护环境已成为全球公众普题，因为我们只有一个地球！从目前国际上的发展趋势来看，为防止大气中二氧化碳等有害物质含量的提高，除保护森林植被和植树造林外，应该尽量用“核燃料”取代矿物燃料，用其他能源(如氢气、乙醇、甲烷)取代汽油和柴油，并发展电动汽车。为使大气臭氧层不再遭受破坏，必须推行无氟化制冷剂或采用新型的制冷技术。模块三热力学模块一定律能量守恒定律

任何形式的能转化为其他形式的能时，总的能量是守恒的。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别的形式，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不变，这就是能量守恒定律(lawofconservationofenergy)。

物理学的任务在于发现普遍适用的自然规律，这种规律的最简单形式之一，就是某种物理量的守恒。能量守恒定律是最基本最重要的守恒定律，它用于热现象的形式就是热力学第一定律。模块四能量守恒定律模块四能量守恒定律模块五低温技术简介低温技术的获得低温技术是指使自然界的某种物体或某空间达到低于周围环境的温度，并使之维持这个温度的技术。实际上低温技术是指低温的获得和利用技术，通常也称为“人工制冷”。

低温技术的应用自1834年美国人玻耳金斯首次研制成功用人力转动，以乙醚作为制冷剂的制冷机开始，一百多年来，随着科学技术的不断发展，低温技术已广泛地被应用于工业生产过程、医疗卫生、文化体育及日常生活等国民经济和人类生活的各个领域。

能源的开发和利用能源是指能够提供可利用能量的物质。煤、石油和天然气等称为常规能源。未来可开发和利用的其他形式的新能源有：核能、太阳能、水力资源、风能、地热能源、海洋能源（如潮汐、温差、波浪）、生物能、城市垃圾发电等。风能是地球表面大量空气流动所产生的动能。模块六能源的开发、利用和节约小结一、内能、热传递及热量(1)物体内部所有分子动能和分子势能的总和，称为物体的内能，用“E”表示。

(2)把不通过做功而使物体的内能改变的过程称为热传递。

(3)热传递时所转移的内能的多少，称为热量。

(4)做功和热传递是实现能量转移的两种不同的物理过程，功和热量则是对应的两种能量转移的不同量度。二、物态变化时的潜热

(1)在温度不变的情况下，物态发生变化时物质要吸收或放出一定的热量