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1、第三章第三章 热力学定律热力学定律学习目标学习目标1.通过对焦耳的实验的研究和分析通过对焦耳的实验的研究和分析,理解做功和传热在改变物体的内能理解做功和传热在改变物体的内能上是等效的上是等效的,培养推理能力和思维能力培养推理能力和思维能力,逐步掌握研究物理问题的科学逐步掌握研究物理问题的科学方法方法.2.结合已学知识和生活经验结合已学知识和生活经验,知道做功和传热是改变内能的两种方式知道做功和传热是改变内能的两种方式,会会判断是通过哪种方式改变系统内能的判断是通过哪种方式改变系统内能的,理解两种方式的区别理解两种方式的区别,知道内能、知道内能、功、热量、温度四个物理量的区别和联系功、热量、温度
2、四个物理量的区别和联系,培养应用物理知识解决实际培养应用物理知识解决实际问题的能力问题的能力.1功、热和内能的改变功、热和内能的改变知识点一知识点一 焦耳的实验焦耳的实验1.如图所示如图所示,在空气压缩引火仪底部放置少量的在空气压缩引火仪底部放置少量的硝化棉硝化棉,迅速压下筒中的活塞迅速压下筒中的活塞,可以观察到硝化棉可以观察到硝化棉燃烧的火苗燃烧的火苗.缓慢压下筒中的活塞能看到硝化棉缓慢压下筒中的活塞能看到硝化棉燃烧的火苗吗燃烧的火苗吗?该实验说明了什么问题该实验说明了什么问题?答案答案:尽管缓慢下压活塞同样对空气做功尽管缓慢下压活塞同样对空气做功,但此过程中空气有足但此过程中空气有足够的时
3、间向外界放出热量够的时间向外界放出热量,所以缓慢压下筒中的活塞不能看到所以缓慢压下筒中的活塞不能看到硝化棉燃烧的火苗硝化棉燃烧的火苗;该实验说明做功可以改变物体的内能该实验说明做功可以改变物体的内能.2.简述什么是绝热过程简述什么是绝热过程.答案答案:绝热过程是系统不从外界吸热绝热过程是系统不从外界吸热,也不向外界放热的过程也不向外界放热的过程.3.回顾已学知识回顾已学知识,完成下列问题完成下列问题.(1)内能的概念内能的概念:内能是物体中所有分子的热运动的内能是物体中所有分子的热运动的 和和 的总和的总和.(2)内能大小的决定因素内能大小的决定因素:分子平均动能与分子平均动能与温度温度有关有
4、关,分子势能分子势能与与 有关有关,内能与物体的内能与物体的 、有关有关.(3)内能与机械能内能与机械能:机械能是描述物体机械运动状态的量机械能是描述物体机械运动状态的量,内能内能是描述物体热学状态的量是描述物体热学状态的量;机械能是机械能是 的的,内能是内能是 的的,所有物质都具有内能所有物质都具有内能.(均选填均选填“相对相对”或或“绝对绝对”)动能动能分子势能分子势能体积体积物质的量物质的量温度温度体积体积相对相对绝对绝对4.教材中焦耳的第一个实验教材中焦耳的第一个实验:让重物下落带动叶片搅拌容器中让重物下落带动叶片搅拌容器中的水的水,引起水温上升引起水温上升.忽略水的体积变化忽略水的体
5、积变化,从分子动理论的角度从分子动理论的角度分析水的内能如何变化分析水的内能如何变化.内能的变化是如何实现的内能的变化是如何实现的?答案答案:水温上升水温上升,分子的平均动能增大分子的平均动能增大,内能增加内能增加;内能的增加是内能的增加是通过做功的方式实现的通过做功的方式实现的,在此过程中机械能向内能转化在此过程中机械能向内能转化.5.教材中焦耳的另一个实验是通过电流的热效应给液体加热教材中焦耳的另一个实验是通过电流的热效应给液体加热,使液体的温度升高的使液体的温度升高的.液体的内能变化是如何实现的液体的内能变化是如何实现的?答案答案:通过电流的热效应给液体加热是通过电流做功的方式实通过电流
6、的热效应给液体加热是通过电流做功的方式实现内能的变化的现内能的变化的.知识点二功与内能的改变知识点二功与内能的改变1.绝热过程中绝热过程中,外界对系统所做的功为外界对系统所做的功为W,内能的变化量为内能的变化量为U,二二者之间有什么关系者之间有什么关系?答案答案:内能的变化量内能的变化量U与外界对系统所做的功与外界对系统所做的功W相等相等,即即U=W.2.在绝热过程中在绝热过程中,外界对系统做功外界对系统做功,系统的内能系统的内能 ;系统对外做系统对外做功功,系统的内能系统的内能 .增加增加减少减少知识点三热与内能的改变知识点三热与内能的改变1.外界单纯地向系统传递的热量为外界单纯地向系统传递
7、的热量为Q,Q与系统内能的变化量与系统内能的变化量U有什么关系有什么关系?答案答案:内能的变化量内能的变化量U等于外界向系统传递的热量等于外界向系统传递的热量Q,即即U=Q.2.在单纯的传热过程中在单纯的传热过程中,当外界向系统传递热量时当外界向系统传递热量时,系统的内系统的内能能 ;当系统向外界传递热量时当系统向外界传递热量时,系统的内能系统的内能 .3.内能是内能是 ,热量是热量是 .(均选填均选填“状态量状态量”或或“过过程量程量”)增加增加减少减少状态量状态量过程量过程量4.做功和传热都可以改变物体的内能做功和传热都可以改变物体的内能,两种方式有什么不同两种方式有什么不同点点?答案答案
8、:做功时做功时,内能与其他形式的能发生转化内能与其他形式的能发生转化;传热是不同物传热是不同物体体(或同一物体的不同部分或同一物体的不同部分)之间内能的转移之间内能的转移.小试身手小试身手判断下列说法的正误并和同学交流判断下列说法的正误并和同学交流(正确的打正确的打“”,错误的错误的打打“”).).1.在绝热过程中在绝热过程中,做功过程和方式不同会直接影响系统状态变化做功过程和方式不同会直接影响系统状态变化的最终结果的最终结果.()2.做功和传热在改变物体内能上是等效的做功和传热在改变物体内能上是等效的.()3.做功和传热的实质是相同的做功和传热的实质是相同的.()4.做功和传热是对同一过程的
9、两种说法做功和传热是对同一过程的两种说法.()5.在任何情况下在任何情况下,公式公式U=Q都适用都适用.()6.在绝热过程中在绝热过程中,外界对系统做的功小于系统内能的增加外界对系统做的功小于系统内能的增加量量.()7.功和内能都是能量变化的量度功和内能都是能量变化的量度.()探究一探究一焦耳的实验与内能焦耳的实验与内能问题情境问题情境实验实验1:如图所示如图所示,用绝热性能良好的材料制作容器用绝热性能良好的材料制作容器,容器中安装容器中安装着叶片组成的搅拌器着叶片组成的搅拌器.重物下落时带动叶片转动重物下落时带动叶片转动,搅拌容器中的搅拌容器中的水水,水由于摩擦而温度上升水由于摩擦而温度上升
10、.答案答案:用温度标示系统的热学状态用温度标示系统的热学状态,温度变化表示系统的热学温度变化表示系统的热学状态发生变化状态发生变化.2.实验需要满足什么条件实验需要满足什么条件?是如何实现的是如何实现的?答案答案:实验条件应满足系统不吸热实验条件应满足系统不吸热,也不放热也不放热,即保持绝热即保持绝热;本实本实验通过容器密闭且外面包裹绝热材料实现绝热验通过容器密闭且外面包裹绝热材料实现绝热.1.用什么物理量标示系统的热学状态用什么物理量标示系统的热学状态?3.实验时更换不同的重物实验时更换不同的重物,为了保证对系统做功相同为了保证对系统做功相同,应该如何应该如何控制其下降的高度控制其下降的高度
11、?答案答案:为了保证对系统做功相同为了保证对系统做功相同,必须使重物的质量与其下降高必须使重物的质量与其下降高度的乘积保持不变度的乘积保持不变.答案答案:对于同一个系统对于同一个系统,在绝热过程中只要重力所做的功相同在绝热过程中只要重力所做的功相同,容容器内水温上升的数值都是相同的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即系统状态的变化是相同的的.4.本实验的实验结论是什么本实验的实验结论是什么?实验实验2:如图所示如图所示,让正在下降的重物带动发电机发电让正在下降的重物带动发电机发电,电流通过电流通过浸在液体中的电阻丝浸在液体中的电阻丝,由电流的热效应给液体加热由电流的热效应给液
12、体加热,使液体温度使液体温度上升上升.5.实验时如果改变电流的大小实验时如果改变电流的大小,如何保证电流做功相同如何保证电流做功相同?答案答案:电流做功公式为电流做功公式为W=I2Rt,为保证电流做功相同为保证电流做功相同,应该在应该在R不变的情况下使不变的情况下使I2t相同相同.6.本实验的实验结论是什么本实验的实验结论是什么?答案答案:对于同一个系统对于同一个系统,在绝热过程中只要电流所做的功相同在绝热过程中只要电流所做的功相同,系统温度上升的数值就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系统的状态变化相同.7.结合实验结合实验1和实验和实验2的实验结论的实验结论,对于绝热系统
13、对于绝热系统,从状态从状态A变为变为状态状态B,需要做功的数值与具体做功的过程、方式是否有关需要做功的数值与具体做功的过程、方式是否有关?由此能得到什么结论由此能得到什么结论?答案答案:系统从状态系统从状态A变为状态变为状态B,需要做功的数值是一个确定的需要做功的数值是一个确定的值值,与具体做功的过程、方式无关与具体做功的过程、方式无关.任何一个热力学系统必定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所做的功相联系状态间的差别与外界在绝热过程中对系统所做的功相联系.我我们把
14、这个物理量称为系统的内能们把这个物理量称为系统的内能.过程建构过程建构1.对物体内能的理解对物体内能的理解.(1)在微观上由分子数、分子热运动的剧烈程度和分子间的作在微观上由分子数、分子热运动的剧烈程度和分子间的作用力决定用力决定,宏观上体现为物体的温度和体积宏观上体现为物体的温度和体积,因此物体的内能是因此物体的内能是一个状态量一个状态量.(2)物体的内能是由它的状态决定的物体的内能是由它的状态决定的,且物体内能的变化只由初、且物体内能的变化只由初、末状态决定末状态决定,与中间过程无关与中间过程无关.(3)绝热过程中造成系统内能变化的量与做功方式无关绝热过程中造成系统内能变化的量与做功方式无
15、关,与做功与做功的多少有关的多少有关.2.功和内能的区别功和内能的区别.(1)功是过程量功是过程量,内能是状态量内能是状态量.(2)在绝热过程中在绝热过程中,做功一定能引起内能的变化做功一定能引起内能的变化.(3)物体的内能增大物体的内能增大,并不意味着外界对物体做了功并不意味着外界对物体做了功.【典例【典例1】(多选多选)下图为焦耳的实验装置示意图下图为焦耳的实验装置示意图,用绝热性能良用绝热性能良好的材料将容器包好好的材料将容器包好,重物下落带动叶片转动搅拌容器里的水重物下落带动叶片转动搅拌容器里的水,引起水温升高引起水温升高.关于这个实验关于这个实验,下列说法正确下列说法正确的的是是()
16、A.水升高的温度由重物做功决定水升高的温度由重物做功决定B.做功增加了水的热量做功增加了水的热量C.做功增加了水的内能做功增加了水的内能D.功和热量是完全等价的功和热量是完全等价的,无区别无区别解析解析:在该实验中在该实验中,水升高的温度由重物做功决定水升高的温度由重物做功决定,选项选项A正确正确.做功增加了水的内能做功增加了水的内能,热量是传热过程中内能变化的量度热量是传热过程中内能变化的量度,选选项项B错误错误,选项选项C正确正确.做功和传热产生的效果可以相同做功和传热产生的效果可以相同,但功和但功和热量是不同的概念热量是不同的概念,选项选项D错误错误.答案答案:AC探究探究二二功与内能的改变功与内能的改变问题情境问题情境打气筒是日常生活中的一种工具打气筒是日常生活中的一种工具,我们经常用打气筒给自行车我们经常用打气筒给自行车轮胎打气轮胎打气,如图所示如图所示.1.打气的过程中如果摸一下打气筒外壳底部打气的过程中如果摸一下打气筒外壳底部,会有什么感觉会有什么感觉?如何解释这一现象如何解释这一现象?答案答案:打气筒外壳底部的温度升高打气筒外壳底部的温度升高;打气过程中打气过程中,活塞
