热力学第一定律

热力学第一定律

【学习目标】

1．知道物体的内能是物体内所有分子的动能和势能的总和．

2．知道物体内能的变化量可以由做功的数值来量度．

3．通过焦耳的实验的观察，分析和思考，培养学生实事求是，严谨的科学态度和想象能力．

4．能区别功和内能．做功与内能变化的关系．

5．知道热传递及热传递的三种方式以及热传递的实质．

6．知道热传递与内能变化的关系，理解热功当量。

7．知道做功和热传递对改变物体内能的等效结果．

8．明确温度、热量、功和内能四个物理量的区别和联系．

9．掌握热力学第一定律及其表达式，能够从能量转化的观点理解定律；

10．会用表达式ΔU=W+Q 对问题进行分析和计算；

11．掌握能量守恒定律，理解定律的重要意义，会用能量转化和守恒的观点分析物理现象；

12．能综合运用学过的知识，用能量守恒定律对有关问题进行计算、分析；

13．了解第一类永动机不可能制成的原因．

【要点梳理】

要点一、功和内能

1．热功当量实验——焦耳实验

（1）方法：在水中放置叶片，叶片上缠绕两根绳子，每根绳子各跨过一滑轮，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．

2．利用电流的热效应给水加热的实验

（1）方法：如图所示，利用降落的重物使发电机发电．电流通过浸在液体的电阻丝．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．

3．内能

（1）内能是物体内部所有分子做热运动的动能和分子势能的总和．

内能类比于重力做功与路径无关，仅由物体初、末位置决定．而热力学系统的绝热过程中，外界对系统所做的功也仅由初、末状态决定，与具体做功的过程和方法无关，我们认识到。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，这个物理量是系统的一种能量，叫内能．

（2）内能变化和做功的关系

系统由状态1在绝热过程中达到状态2时，内能的增加量21U U U ∆=－，U W ∆=。

绝热过程中：内能的增加量等于外界对系统所做的功．当外力做正功时，系统内能增加，外力做负功时，系统内能减少，且内能变化量等于外力所做的功．

（3）功和内能的区别

功是能量转化的量度，与内能变化相联系，是过程量，而内能是状态量，只有在内能变化过程中才有功．物体内能大，并不意味着做功多，只有内能变化大，才意味着做功多．

（4）热传递和内能的改变

热传递有传导、对流和辐射三种形式．

热传递和做功对改变系统的内能来说是等效的．系统在不对外做功，外界也不对系统做功时，系统吸收的热量为Q 时则内能增加量为Q ．系统对外界放出的热量为Q 时，则内能减少Q ，即U Q ∆=．

4．物体的内能及内能的变化

物体的内能是指物体内所有分子的平均动能和势能之和，在微观上由分子数和分子热运动剧烈程度和相互作用力决定，宏观上体现为物体的温度和体积，因此物体的内能是一个状态量．

当物体温度变化时，分子热运动剧烈程度发生改变，分子平均动能变化．物体体积变化时，分子间距变化，分子势能发生变化．因此物体内能的变化只由初、末状态决定，与中间过程及方式无关．

5．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，内能改变了多少可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，形为正。外界对系统做功．末态内能小于初态内能时．U ∆为负，形为负，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，因为任何状态下的内能，只有在标准参考态的值确定后，才可能得出相应的确定值，由此可知，要测得物体某一状态内能的绝对值，是不可能的．

6．内能与机械能

物体的内能与机械能是两个不同的物理概念．内能是由大量分子热运动和分子间的相对位置所决定的能．机械能是物体做机械运动和物体形变所决定的能．物体具有内能的同时可具有机械能．物体的机械能在一定条件下可等于零，但物体的内能不可能等于零，因为分子永不停息地做无规则运动，它们之间有相互作用．

内能和机械能在一定条件下可以相互转化，且总量保持不变．

7．具体现象的分析

如图所示，大口玻璃瓶内有一些水，水的上方有水蒸气，向瓶内打气，当瓶塞跳出时，观察瓶内的变化。

解析：当瓶塞跳出时，我们会发现瓶内的瓶口处有“白雾”产生．我们所选的研究对象是瓶内水面上方的水蒸气，在瓶塞跳出的过程中，是系统膨胀对外界做功，在这个过程中系统的内能减少．瓶内的瓶口处的“白雾”实际上是瓶内的水蒸气液化形成的无数小液滴，水蒸气液化过程中内能减少． 要点二、热和内能

1．热传递

（1）热传递

①热传递的定义

高温物体总是自发地把它的内能传递给低温物体，这种没有做功而使物体内能改变的现象称为热传递．

热量从物体的一部分传递到另一部分，或从一物体传递到另一个物体的物理过程．

②热传递的方式

热传导、热对流、热辐射．

③热传递的条件是存在温度差，最终结果是使物体的温度一样．

④热传递的规律是热量从高温物体传向低温物体．

（2）热传递和内能变化的关系

系统在单纯的传热过程中，内能的增量U ∆等于外界向系统传递的热量Q ，即U Q ∆=．