普通高中物理选择性必修三 第三章第2节 热力学第一定律

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• 普通高中物理选择性必修三 第三章第2节 热力学第一定律
• 内容来源|普通高中教科书 物理 选择性必修第三册 人民教育出版社 软件|亿图脑图MindMaster
• 汽缸内有一定质量的气体，压缩气体的同时给汽缸加热。那么，气体内能的变化会比单一方式（做功或传热）更明显。这是为什么呢？
• 热力学第一定律
• 焦耳实验
  • 表明
    • 以不同的方式对系统做功时，只要系统始末两个状态是确定的，做功的数量就是确定的。
    • 为了改变系统状态，做功和传热这两种方法是等价的。
    • 一定数量的功与确定数量的热相对应
      • 在焦耳之前，人们还没有认识到做功与热传递在改变系统内能方面是等价的。焦耳做实验的本意是要探究两者的关系。
• 单纯地对系统做功（热力学系统的绝热过程），内能的变化与功的关系是：
• 单纯地对系统传热，则内能的变化量与传递热量的关系是：
• 做功与传递热量对改变系统的内能是等价的。
  • 当外界既对系统做功又对系统传热时，内能的变化量是：
• 一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的和。——热力学第一定律
• 汽缸内有一定质量的气体，压缩气体的同时给汽缸加热。那么，气体内能的变化会比单一方式（做功或传热）更明显。这是为什么呢？————汽缸内气体内能的变体量等于活塞对气体所做的功与通过加热向汽缸内气体传递的热量之和。
• 思考与讨论 一定质量的气体，膨胀过程中是外界对气体做功还是气体对外界做功？如果膨胀时气体对外做的功是135J，同时向外放热85J，气体内能的变化量是多少？内能是增加了还是减少了？请通过这个例子总结功和热量取正、负值的物理意义。
• 热力学第一定律的应用
  • 运用热力学第一定律解决问题时，需要首先确定研究对象。
  • • 外界对系统做功有助于系统内能的增加，因此，外界对系统做功时，W取正值；而系统对外界做功时，W取负值。
    • 外界对系统传递热量有助于系统内能的增加，因此，外界对系统传递的热量Q取正值，而系统向外界传递的热量Q取负值。
• 例题 如图，一台四冲程内燃机，活塞在压缩冲程某段时间内移动的距离为0.1m，这段过程活塞对气体的压力逐渐增大，其做的功相当于2´10Ù3N的恒力使活塞移动相同距离所做的功（甲）。内燃机工作时汽缸温度高于环境温度，该过程中压缩气体传递给汽缸的热量为25J.
  • （1）求上述压缩过程中气体内能的变化量。
  • （2）燃烧后的高压气体对活塞做功，气体推动活塞移动0.1m，其做的功相当于9´10Ù3N的恒力使活塞移动相同距离所做的功（乙），该做功过程气体传递给汽缸的热量为30J，求此做功过程气体内能的变化量。
• 第（1）问中，活塞压缩气体的过程是外界对系统做功，活塞对气体所做的功W1为正值；第（2）问中，气体膨胀推动活塞的过程是系统对外界做功，气体对外界所做的功W2为负值。在两种情况下，气体都把热量传递给了汽缸，都属于放热，因此Q1、Q2均为负值。
• 科学漫步 探索热的本质
• 对于“热是什么”，历史上有两种不同的观点。一种是热的物质说（热质说），另一种是热的运动说（热动说）。
  • 热动说
    • 培根、玻意耳、笛卡尔、胡克、牛顿、伯努利、罗蒙诺夫等人根据摩擦生热等现象，认为热是粒子运动的表现，物体由于粒子的剧烈运动而发热。
      • 在他们的时代，这种观点缺乏足够的实验证据。
  • 热质说
    • 热质说认为：热是一种流质，名为热质，可以渗入一切物体，不生不灭，没有质量。一个物体是冷还是热，取决于其中所含热质的多少。
    • 热质说可以解释当时观察到的大部分热学现象：物体温度的变化是因为吸收、放出了热质，传热是热质的流动与传播，热膨胀是由于热质粒子之间的排斥，等等。
    • 热质说无法解释伦福德的炮筒镗孔实验
  • 伦福德实验
    • 英国科学家本杰明×汤普森（又名伦福德）在德国慕尼黑的兵工厂为炮筒镗孔时，发现钻头与钢铁的摩擦能产生大量的热。
    • 按照热质说，钻头越锋利，铁屑切得越小，它们能保存住的热质就越少，释放的热质就越多，用来冷却的水沸腾得也就越快。
    • 伦福德注意到，在钻头已经变钝时照旧要产生大量的热。不但如此，他发现在钻孔加工中热量似乎是取之不尽的。
    • 伦福德进行了反复的观察和实验，终于在1798年公布了他的研究成果。
    • 伦德福明确指出：在这些实验中被激发出来的热，除了把它看作“运动”之外，似乎很难看作其他任何东西。
      • 伦福德的实验无法进行定量的测量，因此他的实验的说服力大打折扣。
    • 与伦福德同时代的英国化学家戴维，也通过实验否定了热质说。
  • 焦耳 实验
    • 到19世纪40年代，英国物理学家焦耳以定量的实验为热动说的胜利画上的句号。
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