普通高中物理选择性必修三 第三章第1节 功、热和内能的改变

这是一篇关于“功、热和内能的改变”的竖屏导图，内容包括：焦耳的实验、功与内能的改变、热与内能的改变，作为备考参考。

• 普通高中物理选择性必修三 第三章第1节 功、热和内能的改变
• 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
• 从对一切其他的已知物理和化学过程的这类研究中可以得出这样的结论，自然界作为整体来说它蕴藏着一定数量的能量，它既不会减少，也不会增加¼¼——亥姆霍兹（亥姆霍兹，德国物理学家，生理学家。对生理学、光学、电磁学、数学等方面多有贡献，是能量守恒和转化学说的创建者之一。）
• 焦耳的实验
• 实验观察
  • 在空气压缩引火仪底部旋转少量的硝化棉，迅速压下筒中的活塞，可以观察到硝化棉燃烧的火苗。为什么筒底的硝化棉会被点燃呢？
• 1840年开始，英国物理学家焦耳进行了多种多样的实验，以求精确测定外界对系统做功和传热对于系统状态的影响，以及功与热的相互关系。
• 焦耳的实验
  • 实验1
    • 用绝热性能良好的材料制作容器，容器中安装着叶片组成的搅拌器。
    • 重物下落时带动叶片转动，搅拌容器中的水，水由于摩擦而温度上升。
    • 在这个过程中，系统不从外界吸热，也不向外界放热，这样的过程叫作绝热过程。
    • 焦耳的多次实验测量表明，尽管各次悬挂重物的质量不同，下落的高度也不一样，但只要重力所做的功相同，容器内水温上升的数值都是相同的，即系统状态的变化是相同的。
  • 实验2
    • 让正在下降的重物带动发电机发电，电流通过浸在液体中的电阻丝，由电流的热效应给液体加热，使液体温度上升。
    • 多次实验结果表明，对于同一个系统，如果过程是绝热的，那么不管通过电阻丝的电流大小、通电时间长短，只要所做的电功相等，则系统温度上升的数值是相同的，即系统的状态就发生了同样的变化。
  • 实验表明
    • 在各种不同的绝热过程中，如果使系统从状态1变为状态2，所需外界做功的数量是相同。
    • 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1、2决定，而与做功的方式无关。
    • 必定存在一个描述系统状态的物理量，这个物理量的变化与做功有关。
• 内能
  • 在第一章中，曾把系统中所有分子热运动的动能和分子间的相互作用势能的总和叫作系统的内能。这和此处的内能是一致的。这为内能提供了微观解释。
  • 类比
    • 在力学中，重力做的功仅由物体的起点和终点两个位置决定，而与物体的运动路径无关。
      • 物体具有重力势能。物体在两个位置间的重力势能之差等于物体在这两个位置间移动时重力所做的功。
    • 在热力学系统的绝热过程中，外界对系统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。
      • 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，这个物理量在两个状态间的差别与外界在绝热过程中对系统做的功相联系。
        • 功是能量变化的量度
        • 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。
• 焦耳的研究工作为热力学第一定律的能量守恒定律的建立奠定了坚实的实验基础。
• 功与内能的改变
• 内能的变化量
  • • 热力学系统从状态1经过绝热过程到达状态2，系统内能的变化量为DU。
  • • 热力学系统从状态1经过绝热过程到达状态2，外界对系统所做的功W。
  • 在绝热过程中，外界对系统做功，系统的内能增加；系统对外做功，系统的内能减少。
• 一般来说，如果一个热学过程的状态变化发生得极快、经历时间很短，系统与外界交换的热量就很少，即系统与外界来不及交换热量，这样的过程若不计传递的热，可以看成绝热过程。
  • 实验现象
    • 在空气压缩引火仪底部旋转少量的硝化棉，迅速压下筒中的活塞，可以观察到硝化棉燃烧的火苗。
      • 现象解释
        • 迅速压下活塞，引火仪筒内气体被压缩，体积减小，外界对气体做了功，内能增加，温度升高。当温度达到易燃物的燃点时，易燃物发生自燃。
  • 实验观察
    • 取一个透明塑料瓶，向瓶内注入少量的水。将橡胶塞打孔，安装上气门嘴，再用橡胶塞把瓶口塞紧，并向瓶内打气，观察橡胶塞跳出时瓶内的变化。
      • 实验现象
        • 橡胶塞跳出时，瓶内出现白雾。
      • 现象解释
        • 以瓶内气体为研究对象，橡胶塞跳出后，瓶内的气体迅速膨胀，系统对外做功，因此，气体的内能迅速减少，瓶内气体温度迅速下降，瓶内水蒸气液化，就会出现大量的雾状小水滴。
• 热与内能的改变
• 热量
  • 热量是在单纯的传热过程中系统内能变化的量度。
    • 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。
    • 热会从高温物体传到低温物体。
      • 单纯地对系统传热能改变系统的热力学状态。
  • • 热力学系统从状态1经过单纯的传热过程到达状态2，系统内能的变化量为DU。
  • • 热力学系统从状态1经过单纯的传热过程到达状态2，外界向系统传递的热量为Q。
  • 像做功一样，热量的概念只有在涉及能量的转移时才有意义。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。
• 做功和热传递都能引起系统内能的改变
  • 做功
    • 内能与其他形式的能（如内能与机械能、内能与电能等）发生变化。
  • 传热
    • 只是不同物体（或一个物体的不同部分）之间内能的转移。
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