第三章 热力学定律
1．功、热和内能的改变 - 1 -
2. 热力学第一定律 - 10 -
3. 能量守恒定律 - 10 -
4. 热力学第二定律 - 18 -
章末复习提高 - 28 -
1．功、热和内能的改变
一、功和内能
1．焦耳的实验
(1)绝热过程：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，内能与什么有关也不向外界放热。
(2)代表性实验
①重物下落带动叶片搅拌容器中的水，引起水温上升；
②通过电流的热效应给水加热。
(3)实验结论：要使系统状态通过绝热过程发生变化，做功的数量只由过程始末两个状态决定，而与做功的方式无关。
2．功和内能
(1)内能：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物理量，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。鉴于功是能量变化的量度，所以这个物理量必定是系统的一种能量，我们把它称为系统的内能。
(2)功和内能：在绝热过程中，外界对系统做的功等于系统内能的变化量，即ΔU＝W。
说明：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。
二、热和内能
1．热传递
(1)条件：物体的温度不同。
(2)定义：两个温度不同的物体相互接触时，温度高的物体要降温，温度低的物体要升温，热量从高温物体传到了低温物体。
2．热和内能
(1)热量：它是在单纯的传热过程中系统内能变化的量度。
(2)表达式：ΔU＝Q。
(3)热传递与做功在改变系统内能上的异同：①做功和热传递都能引起系统内能的改变。②做功时是内能与其他形式能的转化；热传递只是不同物体(或一个物体的不同部分)之间内能的转移。
注意：我们不能说物体具有多少热量，只能说某一过程中物体吸收或放出了多少热量。
1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)系统只从外界吸热，而不向外界放热的过程就是绝热过程。 (×)
(2)在绝热过程中，外界对系统做多少功，内能就能增加多少。 (√)
(3)功和内能都是能量转化的量度。 (×)
(4)做功和热传递都可改变物体的内能，从效果上是等效的。 (√)
2．(多选)如图所示，为焦耳实验装置图，用绝热性能良好的材料将容器包好，重物下落带动叶片搅拌容器里的水，引起水温升高。关于这个实验，下列说法正确的是( )
A．这个装置可测定热功当量
B．做功增加了水的热量
C．做功增加了水的内能
D．功和热量是完全等价的，无区别
AC [将做功过程和吸热过程在同等条件下比较，可测出热功当量，A正确；做功增加了水的内能，热量只是热传递过程中内能改变的量度，B错误，C正确；做功和传热产生的效果相同，但功和热量是不同的概念，D错误。]
3．关于物体的内能和热量，下列说法中正确的有( )
A．热水的内能比冷水的内能多
B．温度高的物体其热量必定多，内能必定大
C．在热传递过程中，内能大的物体其内能将减小，内能小的物体其内能将增大，直到两物体的内能相等
D．在热传递过程中，热量从高温物体传递到低温物体，直到两物体的温度相同为止
D [物体的内能由温度、体积及物体的质量决定，不是只由温度决定，故A、B错误；在热传递过程中，热量由高温物体传给低温物体，而与物体的内能大小无关，所以完全有可能是内能大的物体内能继续增大，内能小的物体内能继续减小，故C错误，D正确。]
功和内能 | |
如图是钻木取火的假想图，在钻木取火的过程中，为什么木块能够冒烟并最终能够生火，试从物理学角度进行解释。
提示：钻木取火的过程是对木块进行做功的过程，木块内能的增加来源于外界对木块做的功。
1．内能：物体的内能是指物体内所有分子的平均动能和势能的总和。
(1)在微观上由分子数、分子热运动的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。
(2)在系统不吸热也不放热的绝热过程中，状态发生的变化是由做功引起的，伴随的能量转化是外界的能量与系统自身的能量发生了转化，系统自身的能量称为内能。
(3)造成系统内能变化的量与做功方式无关，与做功的数量有关。
(4)内能是状态量，由它的状态、温度、体积、质量决定。
2．(1)做功与内能变化的关系：当系统从某一状态经过绝热过程达到另一状态时，内能的变化量ΔU就等于外界对系统所做的功W，表达式为：ΔU＝U2－U1＝W。
(2)系统内能的变化量ΔU只与初、末状态的内能U1和U2有关，与做功的过程、方式无关。
(3)功和内能的区别
①功是过程量，内能是状态量。
②在绝热过程中，做功一定能引起内能的变化。
③物体的内能大，并不意味着做功多，在绝热过程中，只有变化较大时，对应着做功较多。
【例1】 如图所示，一定质量的理想气体密封在绝热(即与外界不发生热交换)容器中，容器内装有一可以活动的绝热活塞。今对活塞施以一竖直向下的压力F，使活塞缓慢向下移动一段距离后，气体的体积减小。若忽略活塞与容器壁间的摩擦，则被密封的气体( )
A．温度升高，压强增大，内能减少
B．温度降低，压强增大，内能减少
C．温度升高，压强增大，内能增加
D．温度降低，压强减小，内能增加
思路点拨：(1)绝热容器表明系统既不向外界传热，也不从外界吸热。
(2)活塞缓慢向下移动一段距离表明外界对理想气体做了功。
C [由F通过活塞对密闭的理想气体做正功，容器及活塞绝热，知Q＝0，由功和内能的关系知理想气体内能增大，温度T升高，再根据＝C，体积V减小，压强p增大，故C正确。]
分析绝热过程的方法
(1)在绝热的情况下，若外界对系统做正功，系统内能增加，ΔU为正值；若系统对外界做正功，系统内能减少，ΔU为负值。此过程做功的多少为内能转化多少的量度。
(2)在绝热过程中，内能和其他形式的能一样也是状态量，气体的初、末状态确定了，即在初、末状态的内能也相应地确定了，内能的变化量ΔU也确定了。而功是能量转化的量度，所以ΔU＝W，即W为恒量，这也是判断绝热过程的一种方法。
【一题多变】 如图所示的柱形容器内封有一定质量的空气。质量为m的光滑活塞与容器都用良好的隔热材料制成，另有质量为M的物体从活塞上方的A点自由下落到活塞上，并随活塞一起到达最低点B后静止。这一过程中，容器内空气内能的改变量ΔU，外界对气体所做的功W与物体及活塞的重力势能变化量的关系是( )
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