大學(xué)物理課件第三章熱力學(xué)第一定律內(nèi)能

大學(xué)物理課件第三章熱力學(xué)第一定律內(nèi)能目錄CONTENCT熱力學(xué)基本概念與第一定律內(nèi)能及其影響因素?zé)醾鬟f與熱量計(jì)算做功與能量轉(zhuǎn)換關(guān)系剖析熱力學(xué)第一定律應(yīng)用舉例總結(jié)回顧與拓展延伸01熱力學(xué)基本概念與第一定律熱力學(xué)系統(tǒng)狀態(tài)參量平衡態(tài)熱力學(xué)系統(tǒng)及其狀態(tài)描述為了定量描述系統(tǒng)的狀態(tài)，我們引入一系列物理量，稱為狀態(tài)參量。常用的狀態(tài)參量有體積V、壓強(qiáng)p、溫度T等。在無外界影響的條件下，如果系統(tǒng)的狀態(tài)參量不隨時(shí)間變化，則稱系統(tǒng)處于平衡態(tài)。熱力學(xué)系統(tǒng)是指我們要研究的一部分物質(zhì)或空間，它與周圍環(huán)境之間由邊界隔開。根據(jù)邊界的性質(zhì)，熱力學(xué)系統(tǒng)又可以分為開口系統(tǒng)和閉口系統(tǒng)。熱力學(xué)過程熱力學(xué)途徑熱力學(xué)過程與途徑系統(tǒng)從一個(gè)平衡態(tài)變化到另一個(gè)平衡態(tài)所經(jīng)歷的全部過程。根據(jù)過程中系統(tǒng)狀態(tài)參量的變化情況，熱力學(xué)過程又可以分為等溫過程、等壓過程、等容過程等。系統(tǒng)從一個(gè)平衡態(tài)變化到另一個(gè)平衡態(tài)所經(jīng)歷的具體的物理或化學(xué)過程。不同的途徑可能會(huì)對(duì)應(yīng)不同的能量轉(zhuǎn)換效率。熱力學(xué)第一定律的表述為：熱量可以從一個(gè)物體傳遞到另一個(gè)物體，也可以與機(jī)械能或其他能量互相轉(zhuǎn)換，但是在轉(zhuǎn)換過程中，能量的總值保持不變。熱力學(xué)第一定律的意義在于它揭示了能量守恒和轉(zhuǎn)換的定律，即能量不能被創(chuàng)造或消滅，只能從一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式。這個(gè)定律是自然界普遍適用的基本定律之一，對(duì)于理解各種自然現(xiàn)象以及指導(dǎo)工程實(shí)踐具有重要的意義。熱力學(xué)第一定律表述及意義02內(nèi)能及其影響因素內(nèi)能定義及物理意義內(nèi)能定義內(nèi)能是物體內(nèi)部所有分子熱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能和分子勢(shì)能的總和，是一個(gè)狀態(tài)量。物理意義內(nèi)能是熱力學(xué)系統(tǒng)熱運(yùn)動(dòng)的能量平衡的表現(xiàn)，反映物體內(nèi)部大量分子無規(guī)則運(yùn)動(dòng)的劇烈程度以及分子間相互作用的強(qiáng)弱。物體溫度升高，其內(nèi)部分子熱運(yùn)動(dòng)加劇，分子動(dòng)能增大，因此內(nèi)能增加。溫度升高，內(nèi)能增加物體溫度降低，其內(nèi)部分子熱運(yùn)動(dòng)減緩，分子動(dòng)能減小，因此內(nèi)能減少。溫度降低，內(nèi)能減少溫度對(duì)內(nèi)能影響分析物體體積膨脹時(shí)，分子間距離增大，分子間相互作用力做負(fù)功，分子勢(shì)能增加，因此內(nèi)能增加。物體體積壓縮時(shí)，分子間距離減小，分子間相互作用力做正功，分子勢(shì)能減少，因此內(nèi)能減少。體積變化對(duì)內(nèi)能影響探討體積壓縮，內(nèi)能減少體積膨脹，內(nèi)能增加03熱傳遞與熱量計(jì)算熱傳導(dǎo)物體內(nèi)部或相互接觸的物體之間，由于分子、原子及自由電子等微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的熱量傳遞現(xiàn)象。例如，用手摸熱鐵塊會(huì)感覺到熱。熱對(duì)流流體（氣體或液體）中，由于各部分溫度不同而產(chǎn)生的熱量傳遞現(xiàn)象。對(duì)流是流體中熱量傳遞的主要方式。例如，燒開水時(shí)，底部的水受熱上升，上部的水下降，形成對(duì)流。熱輻射物體通過電磁波傳遞能量的方式。任何溫度高于絕對(duì)零度的物體都會(huì)產(chǎn)生熱輻射。例如，太陽(yáng)向地球傳遞熱量就是以熱輻射的方式進(jìn)行的。熱傳遞方式簡(jiǎn)介熱量的定義熱量是熱傳遞過程中所傳遞內(nèi)能的多少，是物體內(nèi)能改變的量度。單位是焦耳（J）。熱量計(jì)算的基本公式Q=cmΔt，其中Q表示熱量，c表示物質(zhì)的比熱容，m表示物質(zhì)的質(zhì)量，Δt表示物質(zhì)溫度的變化量。實(shí)例分析例如，一個(gè)質(zhì)量為1kg的鐵塊，從20℃加熱到100℃，需要吸收多少熱量？根據(jù)熱量計(jì)算公式，可以計(jì)算出鐵塊吸收的熱量為Q=cmΔt=0.46×10^3J/(kg·℃)×1kg×(100℃-20℃)=3.68×10^4J。010203熱量計(jì)算方法及實(shí)例分析絕熱過程的定義：系統(tǒng)與外界沒有熱量交換的過程稱為絕熱過程。絕熱過程特點(diǎn)討論010203絕熱過程的特點(diǎn)系統(tǒng)與外界沒有熱量交換，即Q=0；系統(tǒng)的內(nèi)能變化完全由做功引起，即ΔU=W；絕熱過程特點(diǎn)討論絕熱過程特點(diǎn)討論絕熱過程中，系統(tǒng)的溫度、壓強(qiáng)和體積都可能發(fā)生變化。實(shí)例分析：例如，一個(gè)絕熱的汽缸內(nèi)有一定質(zhì)量的理想氣體，當(dāng)活塞對(duì)氣體做功時(shí)，氣體的內(nèi)能增加，溫度升高。由于汽缸是絕熱的，因此氣體與外界沒有熱量交換。04做功與能量轉(zhuǎn)換關(guān)系剖析體積功表面功電功系統(tǒng)因體積變化而與環(huán)境交換的功。如氣體膨脹或壓縮過程中所做的功。系統(tǒng)因表面積變化而與環(huán)境交換的功。如液體表面張力所做的功。系統(tǒng)因電荷移動(dòng)而與環(huán)境交換的功。如電池在放電過程中所做的功。做功類型及實(shí)例分析根據(jù)熱力學(xué)第一定律，系統(tǒng)從外界吸收的熱量和對(duì)外界所做的功之和等于系統(tǒng)內(nèi)能的增量。因此，做功可以改變系統(tǒng)的內(nèi)能。做功與內(nèi)能變化的關(guān)系做功是實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的一種方式。例如，在機(jī)械能轉(zhuǎn)換為內(nèi)能的過程中，通過摩擦力做功將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為內(nèi)能。做功與能量轉(zhuǎn)換的關(guān)系能量轉(zhuǎn)換關(guān)系剖析可逆過程系統(tǒng)經(jīng)歷一個(gè)過程后，若能使系統(tǒng)和環(huán)境都完全復(fù)原，則該過程稱為可逆過程?？赡孢^程具有無耗散性，即過程中不產(chǎn)生任何不可逆損失。不可逆過程與可逆過程相反，系統(tǒng)經(jīng)歷一個(gè)過程后，若不能使系統(tǒng)和環(huán)境都完全復(fù)原，則該過程稱為不可逆過程。不可逆過程具有耗散性，即過程中會(huì)產(chǎn)生不可逆損失，如摩擦生熱、熱傳導(dǎo)等?？赡孢^程與不可逆過程比較05熱力學(xué)第一定律應(yīng)用舉例在等溫過程中，理想氣體的狀態(tài)可以用狀態(tài)方程來描述，即PV=nRT，其中P是壓強(qiáng)，V是體積，n是摩爾數(shù)，R是氣體常數(shù)，T是溫度。理想氣體狀態(tài)方程在等溫過程中，理想氣體的內(nèi)能不變，因?yàn)閮?nèi)能只與溫度有關(guān)。內(nèi)能變化在等溫過程中，系統(tǒng)吸收或放出的熱量等于系統(tǒng)對(duì)外做功或外界對(duì)系統(tǒng)做功。熱力學(xué)第一定律應(yīng)用理想氣體等溫過程分析80%80%100%理想氣體絕熱過程探討絕熱過程是指系統(tǒng)與外界之間沒有熱量交換的過程。在絕熱過程中，理想氣體的內(nèi)能發(fā)生變化，因?yàn)閮?nèi)能不僅與溫度有關(guān)，還與體積有關(guān)。在絕熱過程中，系統(tǒng)對(duì)外做功或外界對(duì)系統(tǒng)做功等于系統(tǒng)內(nèi)能的增量。絕熱過程定義內(nèi)能變化熱力學(xué)第一定律應(yīng)用循環(huán)過程定義01循環(huán)過程是指系統(tǒng)從某一狀態(tài)出發(fā)，經(jīng)過一系列變化后回到原始狀態(tài)的過程。效率定義02循環(huán)過程的效率是指系統(tǒng)對(duì)外輸出的功與從外界吸收的熱量之比。熱力學(xué)第一定律應(yīng)用03在循環(huán)過程中，系統(tǒng)對(duì)外輸出的功等于從外界吸收的熱量減去系統(tǒng)內(nèi)能的增量。因此，效率計(jì)算需要考慮系統(tǒng)內(nèi)能的變化以及系統(tǒng)與外界之間的熱量和功的交換。循環(huán)過程效率計(jì)算06總結(jié)回顧與拓展延伸01020304熱力學(xué)第一定律的表述及物理意義：熱力學(xué)第一定律是能量守恒定律在熱力學(xué)過程中的具體表現(xiàn)，它闡明了熱量與功之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，以及內(nèi)能變化的基本規(guī)律。本章知識(shí)點(diǎn)總結(jié)回顧熱力學(xué)第一定律的表述及物理意義：熱力學(xué)第一定律是能量守恒定律在熱力學(xué)過程中的具體表現(xiàn)，它闡明了熱量與功之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，以及內(nèi)能變化的基本規(guī)律。熱力學(xué)第一定律的表述及物理意義：熱力學(xué)第一定律是能量守恒定律在熱力學(xué)過程中的具體表現(xiàn)，它闡明了熱量與功之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，以及內(nèi)能變化的基本規(guī)律。熱力學(xué)第一定律的表述及物理意義：熱力學(xué)第一定律是能量守恒定律在熱力學(xué)過程中的具體表現(xiàn)，它闡明了熱量與功之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，以及內(nèi)能變化的基本規(guī)律。拓展延伸：熱力學(xué)第二定律簡(jiǎn)介熱力學(xué)第二定律的表述及物理意義：熱力學(xué)第二定律揭示了自然界中與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過程的方向性，即不可逆性。它表明熱量不可能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體，而不引起其他變化。熱力學(xué)第二定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式：對(duì)于可逆過程，有$\oint\frac{dQ}{T}=0$；對(duì)于不可逆過程，有$\oint\frac{dQ}{T}<0$。其中$T$表示物體的溫度，$dQ$表示物體吸收的微小熱量。熱力學(xué)第二定律在熱力學(xué)過程中的應(yīng)用：熱力學(xué)第二定律可以用來判斷各種熱力學(xué)過程是否