1-功和内能

第十章热力学定律1功和内能1•焦耳的实验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绝热过程：焦耳实验是一个需要在绝热过程中完成的实验1818年12月24日生于英国曼彻斯特，起初研究电学和磁学。1840年在英国皇家学会上宣布了电流通过导体产生热量的定律，即焦耳定律。焦耳测量了热与机械功之间的当量关系——热功当量，为热力学第一定律和能量守恒定律的建立奠定了实验基础。焦耳•焦耳热功当量实验一——机械功•焦耳热功当量实验二——电功•焦耳的实验中的结论1.在各种不同的绝热过程中，系统状态的改变与做功方式无关，仅与做功数量有关。2.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系统做功状态的变化？•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。U宏观：温度、体积、物质的量（状态）。3、对绝热系统做功：∆U=W•当系统状态改变时，按照热力学对内能的定义，则物体的内能改变；而按分子动理论，系统状态改变时，描述系统状态的参量发生了变化，例如温度和体积改变，而分子的平均动能与温度有关，分子的势能与体积有关，所以系统的内能就要改变。因此内能的两种定义是一致的。•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绝热U增加气体不自由膨胀V增加气体对外界做功绝热U减小气体自由膨胀V增加气体对外界不做功绝热U不变K气体AK气体A真空BK气体A真空B例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例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例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D2热和内能•热传递1热对流热辐射热传导•热传递的三种方式•热和内能系统吸热绝功U增加系统放热U减小绝功∆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WUQU•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：ΔU＝W+Q3、符号规定：ΔUWQ+-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PVABCD•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.①是一个普遍适用的定律。2、能量守恒定律的重要性②将各种现象联系在一起④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③19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Ⅰ(p1，V1，T1)被压缩至状态Ⅱ(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FD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，甲的内能不变甲乙BPC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理想气体D4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。热源冷凝器热机WQ1QW热源热机冷凝器•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①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．②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分布（宏观态）详细分布（微观态）14641•不可逆过程的统计性质AB（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。•热力学第二定律的微观意义•熵lnkS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件下最大的状态。热力学第二定律的统计表述：孤立系统内部所发生的过程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过渡，从热力学几率小的状态向热力学几率大的状态过渡。自然过程总是向着使系统热力学几率增大的方向进行。4.热力学第二定律的适用范围注意：微观状态数最大的平衡态状态是最混乱、最无序的状态。一切自然过程总是沿着无序性增大的方向进行。1）适用于宏观过程对微观过程不适用，2）孤立系统有限范围。