1功和内能公开课.pptx

第十章第十章热力学定律热力学定律1 1 功和内能功和内能在寒冷的冬天，如何让冰凉的手升温？在寒冷的冬天，如何让冰凉的手升温？思考思考总结：做功和热传递是升温的两种方式总结：做功和热传递是升温的两种方式1、什么是绝热过程？、什么是绝热过程？系统只由于外界对它做功而与外界交换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，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这样的过程叫绝热过程焦耳实验焦耳实验焦耳实验焦耳实验1 1焦耳的两个代表性实验是什么焦耳的两个代表性实验是什么焦耳的两个代表性实验是什么焦耳的两个代表性实验是什么？代表性实验代表性实验代表性实验代表性实验1:1:重物下落带动叶片搅拌水重物下落带动叶片搅拌水重物下落带动叶片搅拌水重物下落带动叶片搅拌水代表性实验代表性实验代表性实验代表性实验2:2:电流的热效应给水加热电流的热效应给水加热电流的热效应给水加热电流的热效应给水加热2 2代表性实验代表性实验代表性实验代表性实验1 1重物重物重物重物P P 重物重物重物重物P P装水的容器装水的容器内部结构内部结构内部结构内部结构叶片叶片轴轴轴轴绝绝热热材材料料 实验装置实验装置实验装置实验装置 实验过程实验过程实验过程实验过程重物下落重物下落重物下落重物下落带动叶片转动带动叶片转动带动叶片转动带动叶片转动对水做功对水做功对水做功对水做功 实验现象实验现象实验现象实验现象水由于摩擦水由于摩擦而温度上升而温度上升尽管各次悬挂重物的重量不同，尽管各次悬挂重物的重量不同，尽管各次悬挂重物的重量不同，尽管各次悬挂重物的重量不同，下落高度也不一样，但只要做下落高度也不一样，但只要做下落高度也不一样，但只要做下落高度也不一样，但只要做功相同，容器内水温上升的数功相同，容器内水温上升的数功相同，容器内水温上升的数功相同，容器内水温上升的数值都是相同的，即系统的状态值都是相同的，即系统的状态值都是相同的，即系统的状态值都是相同的，即系统的状态变化是相同的变化是相同的变化是相同的变化是相同的 实验结论实验结论实验结论实验结论代表性实验二：对系统做电功（电流热效应）代表性实验二：对系统做电功（电流热效应）现象：电流现象：电流通过电热丝通过电热丝使绝热容器使绝热容器内的液体温内的液体温度升高。度升高。结论：结论：对同一系统，在绝热过程中只要所对同一系统，在绝热过程中只要所做的做的电功相同电功相同，系统温度上升的数值就相同，即系，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统的状态变化相同。即对水做功可以改变内能内能。4 4归纳与总结归纳与总结归纳与总结归纳与总结焦耳实验表明：焦耳实验表明：焦耳实验表明：焦耳实验表明：各种不同绝热过程中各种不同绝热过程中各种不同绝热过程中各种不同绝热过程中如果使系统从状态如果使系统从状态如果使系统从状态如果使系统从状态1 1变到状态变到状态变到状态变到状态2 2所需要外界做功的数量是相同的所需要外界做功的数量是相同的所需要外界做功的数量是相同的所需要外界做功的数量是相同的结论：结论：使系统状态的绝热过程发生变化，做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。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程的始末两个状态始末两个状态决定，不依赖于做功的决定，不依赖于做功的具体过程和方式具体过程和方式。重力做功重力做功 电场力做功电场力做功 重力势能的变化重力势能的变化电势能的变化电势能的变化外力对外力对绝热绝热系统做功系统做功状态的变化状态的变化？回顾哪些力做功仅由物体的起点和终点两个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？位置决定与物体的运动路径无关？内能内能2 2、微观定义（分子动理论对内能的定义）：、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。做物体的内能。1 1、宏观定义（热力学对内能的定义）：、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。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。微观：分子热运动的激烈程度、分子间距、分子数。U U宏观：温度、体积、物质的量（状态）。宏观：温度、体积、物质的量（状态）。3 3、对绝热系统做功：、对绝热系统做功：U=W这两种定义一致吗？为什么？这两种定义一致吗？为什么？4、做功与气体体积变化的关系、做功与气体体积变化的关系压缩气体压缩气体V减小减小外界对气体做功外界对气体做功绝热绝热U增加增加气体不自气体不自由膨胀由膨胀V增加增加气体对外界做功气体对外界做功绝热绝热U减小减小气体自气体自由膨胀由膨胀V增加增加气体对外界不做功气体对外界不做功绝热绝热U不变不变在干什么在干什么?1要点回顾要点回顾2 2、微观定义（分子动理论对内能的定义）：、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。做物体的内能。1 1、宏观定义（热力学对内能的定义）：、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。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。微观：分子热运动的激烈程度、分子间距、分子数。U U宏观：温度、体积、物质的量（状态）。宏观：温度、体积、物质的量（状态）。3 3、对绝热系统做功：、对绝热系统做功：U=W4、做功与气体体积变化的关系、做功与气体体积变化的关系压缩气体压缩气体V减小减小外界对气体做功外界对气体做功绝热绝热U增加增加气体不自气体不自由膨胀由膨胀V增加增加气体对外界做功气体对外界做功绝热绝热U减小减小气体自气体自由膨胀由膨胀V增加增加气体对外界不做功气体对外界不做功绝热绝热U不变不变1.1.下列说法正确的是（下列说法正确的是（）A A 分子的动能与分子的势能的和叫做这个分子的内能分子的动能与分子的势能的和叫做这个分子的内能B B 物体的分子势能由物体的温度和体积决定物体的分子势能由物体的温度和体积决定C C 物体的速度增大时，物体的内能增大物体的速度增大时，物体的内能增大D D 物体的内能减小时，物体的温度可能增加物体的内能减小时，物体的温度可能增加D课堂小练课堂小练2.2.一个铁块沿斜面匀速滑下，关于物体的机械能和内能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（的变化，下列判断中正确的是（）A A、物体的机械能和内能都不变、物体的机械能和内能都不变B B、物体的机械能减少，内能不变、物体的机械能减少，内能不变 C C、物体的机械能增加，内能增加、物体的机械能增加，内能增加D D、物体的机械能减少，内能增加、物体的机械能减少，内能增加D课堂小练课堂小练3 3、一定质量的气体经历一缓慢的绝热膨胀过程。设气体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（分子间的势能可忽略，则在此过程中（）A A外界对气体做功，气体分子的平均动能增加外界对气体做功，气体分子的平均动能增加B B外界对气体做功，气体分子的平均动能减少外界对气体做功，气体分子的平均动能减少C C气体对外界做功，气体分子的平均动能增加气体对外界做功，气体分子的平均动能增加D D气体对外界做功，气体分子的平均动能减少气体对外界做功，气体分子的平均动能减少D课堂小练课堂小练2 热和内能热和内能热传递热传递1热对流热对流热辐射热辐射热传导热传导热传递的三种方式热传递的三种方式热和内能热和内能系统吸热系统吸热绝功绝功U增加增加系统放热系统放热U减小减小绝功绝功U=Q热量：热量：在单纯的热传递过程中系统内能变化的量度，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。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做功和热传递的区别1 1、内能改变多少的度量方式不同。、内能改变多少的度量方式不同。2、改变内能的本质不同。、改变内能的本质不同。3、改变内能的效果是等效的。、改变内能的效果是等效的。3 热力学第一定律热力学第一定律改变内能的两种方式改变内能的两种方式要让物体的内能增加要让物体的内能增加20J，有什么方法？，有什么方法？热力学第一定律热力学第一定律1、内容：、内容：物体内能的增加等于外界对物体所做的功与从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。外界吸收的热量之和。2、表达式：、表达式：UW+Q3 3、符号规定：、符号规定：UWQ+-增加量增加量减小量减小量对内做功对内做功对外做功对外做功吸热吸热放热放热热力学第一定律对三大气体定律的解释热力学第一定律对三大气体定律的解释PVABCD能量守恒定律能量守恒定律1 1、内容：、内容：能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式能从一种形式转化转化为另一种形式，或者从一个物体为另一种形式，或者从一个物体转移转移到到别的物体，在转化或转移的过程中其总量保持不变别的物体，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。是一个普遍适用的定律。2 2、能量守恒定律的重要性、能量守恒定律的重要性将各种现象联系在一起将各种现象联系在一起指导着人们的生产、科研指导着人们的生产、科研泡利和费米利用能量守恒预言了中微子的存在泡利和费米利用能量守恒预言了中微子的存在1919世纪自然科学三大发现之一世纪自然科学三大发现之一宣告了第一类永动机造不成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违背了能量守恒定律第一类永动机第一类永动机1 不消耗任何能量，却可以源不消耗任何能量，却可以源不消耗任何能量，却可以源不消耗任何能量，却可以源源不断地对外做功，这种机器叫源不断地对外做功，这种机器叫源不断地对外做功，这种机器叫源不断地对外做功，这种机器叫永动机永动机永动机永动机.人们把这种不消耗能量的人们把这种不消耗能量的人们把这种不消耗能量的人们把这种不消耗能量的永动机叫永动机叫永动机叫永动机叫第一类永动机第一类永动机第一类永动机第一类永动机（不吃草（不吃草（不吃草（不吃草的马）。的马）。的马）。的马）。例例1 1、如图所示的容器，如图所示的容器，A A、B B中各有一个可自由移动的活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，塞，活塞下面是水上面是大气、大气压恒定，A A、B B间带有间带有阀门阀门K K的管道相连，整个装置与外界绝热，开始时的管道相连，整个装置与外界绝热，开始时A A的水面的水面比比B B高，开启高，开启K K，A A中的水逐渐向中的水逐渐向B B中流，最后达到平衡，在中流，最后达到平衡，在这个过程中（这个过程中（）A A.大气压力对水作功，水的内能增加大气压力对水作功，水的内能增加B B.水克服大气压力作功，水的内能减少水克服大气压力作功，水的内能减少C C.大气压力对水不作功，水的内能不变大气压力对水不作功，水的内能不变D D.大气压力对水不作功，水的内能增加大气压力对水不作功，水的内能增加D例例2 2、一定质量的理想气体由状态一定质量的理想气体由状态(p p1 1，V V1 1，T T1 1)被压缩至被压缩至状态状态(p p2 2，V V2 2，T T2 2)，已知，已知T T2 2 T T1 1，则该过程中，则该过程中()A A气体的内能一定是增加的气体的内能一定是增加的 B B气体可能向外界放热气体可能向外界放热C C气体一定从外界吸收热量气体一定从外界吸收热量 D D气体对外界做正功气体对外界做正功AB例例3 3、如图所示，固定在水平面上的汽缸内，用活塞封闭如图所示，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，当用一个水境没有热交换，当用一个水平恒力平恒力F F向外拉动活塞时，下向外拉动活塞时，下列叙述正确的是（列叙述正确的是（）A A、由于没有热交换，汽缸内气体的温度不变、由于没有热交换，汽缸内气体的温度不变B B、由于拉力对活塞做正功，气体的温度升高、由于拉力对活塞做正功，气体的温度升高C C、由于气体体积变大，所以气体内能变大、由于气体体积变大，所以气体内能变大D D、由于气体膨胀对外做功，所以气体内能减小、由于气体膨胀对外做功，所以气体内能减小FD例例4 4、如图所示，绝热隔板如图所示，绝热隔板K K把绝热的气缸分隔成体积相把绝热的气缸分隔成体积相等的两部分，等的两部分，K K与气缸壁的接触是光滑的。两部分中分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别盛有相同质量、相同温度的同种气体a a和和b b。气体分。气体分子之间相互作用势能可忽略。现通过电热丝对气体子之间相互作用势能可忽略。现通过电热丝对气体a a 加加热一段时间后，热一段时间后，a a、b b 各自达到新的平衡，则各自达到新的平衡，则（）A.a A.a 的体积增大了，压强变小了的体积增大了，压强变小了B.bB.b的温度升高了的温度升高了C.C.加热后加热后a a 的分子热运动比的分子热运动比b b 的的分子热运动更激烈分子热运动更激烈D.aD.a增加的内能大于增加的内能大于b b 增加的内能增加的内能BCD例例5 5、如图所示，固定容器及可动活塞如图所示，固定容器及可动活塞P P都是绝热的，中都是绝热的，中间有一导热的固定隔板间有一导热的固定隔板B B，B B的两边分别盛有气体甲和乙，的两边分别盛有气体甲和乙，现将活塞现将活塞P P缓慢地向缓慢地向B B移动一段距离，已知气体的温度随移动一段距离，已知气体的温度随其内能的增加而升高，则在移动其内能的增加而升高，则在移动P P的过程中（的过程中（）A A、外力对乙做功，甲的内能不变、外力对乙做功，甲的内能不变B B、外力对乙做功，乙的内能不变、外力对乙做功，乙的内能不变C C、乙传递热量给甲，乙的内能增加、乙传递热量给甲，乙的内能增加D D、乙的内能增加，甲的内能不变、乙的内能增加，甲的内能不变甲甲乙乙BPC例例6 6、如图所示，导热气缸开口向下，内有理想气体，缸如图所示，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，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，则细砂慢慢流出，并缓慢降低气缸外部环境的温度，则()()A A、气体压强增大，内能一定增大、气体压强增大，内能一定增大B B、外界对气体做功，气体温度可能降低、外界对气体做功，气体温度可能降低C C、气体体积减小，压强增大，内能一定减小、气体体积减小，压强增大，内能一定减小D D、外界对气体做功，气体内能一定增大、外界对气体做功，气体内能一定增大C例例7 7、如如图图所所示示,绝绝热热具具有有一一定定质质量量的的活活塞塞,活活塞塞的的上上部部封封闭闭着着气气体体,下下部部为为真真空空,活活塞塞与与器器壁壁的的摩摩擦擦忽忽略略不不计计,置置于于真真空空中中的的轻轻弹弹簧簧的的一一端端固固定定于于理理想想气气体体容容器器的的底底部部.另另一一端端固固定定在在活活塞塞上上,弹弹簧簧被被压压缩缩后后用用绳绳扎扎紧紧,此此时时弹弹簧簧的的弹弹性性势势能能为为E EP P(弹弹簧簧处处于于自自然然长长度度时时的的弹弹性性势势能能为为零零),),现现绳绳突突然然断断开开,弹弹簧簧推推动动活活塞塞向向上上运运动动,经经过过多多次次往往复复运运动动后活塞静止后活塞静止,气体达到平衡态气体达到平衡态,经过此过程（经过此过程（）A AE EP P全部转换为气体的内能全部转换为气体的内能B.EB.EP P一部分转换成活塞的重力势能一部分转换成活塞的重力势能,其余部分仍其余部分仍 为弹簧的弹性势能为弹簧的弹性势能C CE EP P全部转换成活塞的重力势能和气体的内能全部转换成活塞的重力势能和气体的内能D DE EP P一部分转换成活塞的重力势能一部分转换成活塞的重力势能,一部分转换一部分转换 为气体的内能为气体的内能,其余部分仍为弹簧的弹性势能其余部分仍为弹簧的弹性势能理想理想气体气体 D4 热力学第二定律热力学第二定律热现象的方向性热现象的方向性1、热传递的方向性、热传递的方向性2、扩散现象的方向性、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、其它形式的能和内能相互转化的方向性1热机热机汽油机、柴油机、蒸汽机、蒸汽轮机、喷气发动机汽油机、柴油机、蒸汽机、蒸汽轮机、喷气发动机1 1、热机：、热机：把热把热(内）能转换成机械能的装置。内）能转换成机械能的装置。需要一定工作物质。需要一定工作物质。需要两个热源。需要两个热源。热源热源冷凝器冷凝器热机热机WQ1热源热源热机热机冷凝器冷凝器第二类永动机第二类永动机1 1、第二类永动机：人们、第二类永动机：人们把想象中能够从单一热源把想象中能够从单一热源吸收热量，全部用来做功吸收热量，全部用来做功而不引起其他变化的热机而不引起其他变化的热机叫做第二类永动机。叫做第二类永动机。2 2、第二类永动机不可能制成、第二类永动机不可能制成热力学第二定律热力学第二定律1 1、两种表述：、两种表述：(1)(1)、按热传递的方向性来表述：不可能使热量从低温物、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，而不引起其他变化体传到高温物体，而不引起其他变化（克劳修斯表述（克劳修斯表述)(2)(2)、按机械能与内能转化过程的方向性来表述：不可能、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，而不引起其他变化变化（开尔文表述）（开尔文表述）2 2、两种表述是等价的、两种表述是等价的可以从一种表述导出另一种表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述，两种表述都称为热力学第二定律3 3、热力学第二定律的意义、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对生活实践的指导作用5 热力学第二定律的微观解释热力学第二定律的微观解释有序和无序有序和无序 宏观态和微观态宏观态和微观态分布分布（宏观态）（宏观态）详细分布详细分布（微观态）（微观态）14641不可逆过程的统计性质不可逆过程的统计性质（以气体自由膨胀为例）（以气体自由膨胀为例）一切自然过程总是沿着无序性增大的方向进行。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热力学第二定律的微观意义熵熵熵增加原理：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。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。对整个宇宙不适用。如布朗运动。如布朗运动。平衡态相应于一定宏观平衡态相应于一定宏观条件下条件下 最大的状态。最大的状态。热力学第二定律的热力学第二定律的统计表述统计表述：孤立系统内部所发生的过程孤立系统内部所发生的过程总是从包含微观态数少的宏总是从包含微观态数少的宏观态向包含微观态数多的宏观态向包含微观态数多的宏观态过渡，从热力学几率小观态过渡，从热力学几率小的状态向热力学几率大的状的状态向热力学几率大的状态过渡。态过渡。自然过程总是向着自然过程总是向着使系统热力学几率使系统热力学几率增大的方向进行。增大的方向进行。4.4.热力学第二定律的适用范围热力学第二定律的适用范围注意：注意：微观状态数最微观状态数最大的平衡态状态是最大的平衡态状态是最混乱、最无序的状态。混乱、最无序的状态。一切自然过程总是一切自然过程总是沿着无序性增大的沿着无序性增大的方向进行。方向进行。1 1）适用于宏观过程）适用于宏观过程对微观过程不适用，对微观过程不适用，2 2）孤立系统有限范围）孤立系统有限范围。