功、热和内能的改变

官方物理老师·27 页·深入(追求细节与边界)·0 次浏览·2 天前
热力学第一定律功与热内能变化能量守恒

功、热和内能的改变

看完你能区分功与热的根本不同,并准确分析内能变化的来源与去向

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热力学第一定律功与热内能变化能量守恒

功、热和内能的改变

看完你能区分功与热的根本不同,并准确分析内能变化的来源与去向

1第 1 页 · 功、热和内能的改变

能量转化:形式变了

想象你使劲搓手,搓完手心发热。这里发生了什么?你消耗的机械能没有消失,而是变成了内能。这就是能量转化——形式变了,但总量不变。

形式可变
机械能、内能、化学能等可相互转化
摩擦生热
机械能 → 内能,最常见的入口
热机做功
内能 → 机械能,蒸汽机、内燃机原理
链条式转化
化学能 → 内能 → 机械能,真实过程常串成链
不同货币之间兑换对应 →不同能量形式之间转化

货币种类变了但钱数守恒,能量形式变了但总量守恒

2第 2 页 · 能量转化:形式变了

能量转移:位置变了

上页说能量可以变身,但还有另一种情况:形式没变,只是从 A 物体「搬家」到 B 物体。把烫手的杯子放进冷水,杯子凉了,水热了——能量没有消失,也没有换马甲,只是换了个归属。

转移 ≠ 转化
能量形式不变,只是从一个物体跑到另一个物体
热量 Q 的定义
由于温度差而自发传递的那部分能量
方向由温差决定
自发过程里,能量从高温物体传给低温物体
转移中总量守恒
一个物体失去的能量,等于另一个物体得到的能量
银行转账对应 →能量转移

钱的数目没变,只是从你的账户搬到他的账户

Q=QQ_{放} = Q_{吸}
3第 3 页 · 能量转移:位置变了

转化 vs 转移

都是能量在动,但一个换了形式,一个只是搬家——分不清就会算错功和热。

能量转化
  • 本质:能量形式发生了改变
  • 典型例子:摩擦生热,机械能→内能
  • 关键问法:前后还是同一种能量吗?
能量转移
  • 本质:能量形式不变,只换了所在位置
  • 典型例子:热从高温物体传到低温物体
  • 关键问法:能量有没有换「马甲」?
看过程前后能量有没有换形式——换了是转化,没换只是转移。
4第 4 页 · 转化 vs 转移

内能的定义

上页我们说功和热能改变物体的'内能',但'内能'究竟是什么?它藏在物体内部的哪里?让我们把镜头推到一杯水内部,看看分子世界里发生了什么。

分子动能
分子运动的能量:平动、转动、振动,温度越高越大
分子势能
分子间相互作用与相对位置决定,体积变化时改变
所有分子
求和:每个分子的贡献全部加起来,分子数越多越大
微观统计量
无法直接观测,由分子数、状态、温度、体积共同决定
一个班的同学对应 →物体里所有分子

同学蹦跳 = 分子动能;同学间距的势 = 分子势能;全班能量加总 = 内能

U=i=1N(Ek,i+Ep,i)U = \sum_{i=1}^{N}\left(E_{k,i} + E_{p,i}\right)
5第 5 页 · 内能的定义

内能的两部分组成

内能看不见摸不着,但我们可以把它拆开——它由两部分组成:一部分和分子的「运动」有关,一部分和分子之间的「相互作用」有关。具体是什么意思?

分子动能
所有分子无规则热运动对应的能量总和;温度越高,运动越剧烈,分子动能越大
分子势能
分子间引力与斥力共同对应的能量;分子间距改变,势能随之变化
弹簧连接的小球阵对应 →分子系统

小球振动对应分子动能,弹簧拉伸压缩对应分子势能

U=Ek+EpU = E_k + E_p
6第 6 页 · 内能的两部分组成

影响内能的因素

温度、物质的量、体积、物质种类,四个旋钮各自分管内能的两个组成。

1
温度
温度越高,分子热运动越剧烈,每个分子的平均动能越大
2
物质的量
分子数量多了,总动能与总势能都累加,总内能随之增大
3
体积
体积变化即分子间距变化,分子势能随之改变
4
物质种类
不同分子结构、不同的分子间作用力,决定势能的基线高低
7第 7 页 · 影响内能的因素

内能是状态量

前页我们看到,内能由分子动能和势能组成,跟温度、体积有关。但有个更深的性质:内能只取决于系统「当前是什么状态」,跟怎么到达这个状态完全无关。

状态量
只取决于系统当前状态,与到达该状态的路径无关
对比:过程量
功 W 和热量 Q 依赖具体过程,路径不同数值不同
数学体现
状态量 U 用全微分 dU 描述;过程量用 δQ、δW 表示
山顶海拔对应 →内能(状态量)

南坡北坡都能上同一座山,海拔就是那个数;怎么爬不重要

dU=(UT)VdT+(UV)TdVdU = \left(\frac{\partial U}{\partial T}\right)_V dT + \left(\frac{\partial U}{\partial V}\right)_T dV
8第 8 页 · 内能是状态量

做功如何改变内能

上一节说内能是状态量——只看温度、体积、物质的量。但「状态」是结果,「怎么变」才是过程。这一页聚焦做功:外界对系统做功,内能增加;系统对外做功,内能减少。

外界对系统做功
外界施力并产生位移,能量由外界流入系统
系统对外做功
系统自身施力使外界位移,能量由系统流向外界
主要改分子动能
机械能 ↔ 分子无规则运动的剧烈程度(体现为温度)
仅做功时
ΔU = W:内能增量等于外界对系统做的功
反复压打气筒对应 →外界对气体做功

手压活塞,活塞压气体——手臂机械能变成气体分子动能,气筒变烫

ΔU=W(W>0 表示外界对系统做功)\Delta U = W \quad (W>0\text{ 表示外界对系统做功})
9第 9 页 · 做功如何改变内能

做功改变内能的机制

从外力压缩气体到内能变化的因果链,逐级展开。

图解渲染中…
a4分子间作用力做功,使势能改变a5内能=分子动能+分子势能,此处势能项变化
10第 10 页 · 做功改变内能的机制

功是能量转化的量度

上一页我们看到了摩擦做功让机械能变成内能的微观过程——但「到底转化了多少」由谁来记账?这就要说功的另一层身份:能量转化的量度。

功是定量标尺
做多少功,就有多少能量从一种形式转化为另一种形式
方向决定能量流向
外界对系统做功,能量转化进入系统;系统对外做功,能量转化流出系统
功与热量平起平坐
功和热量都是度量系统能量变化的「外部量」,只是转化途径不同
银行兑换外币的凭证对应 →功(能量转化的量度)

凭证上的金额对应功的大小,记下「这一笔到底转化了多少」

W=ΔEW = \Delta E
11第 11 页 · 功是能量转化的量度

功与内能变化的定量关系

上页说功是能量转化的量度——做多少功,就转化多少能量。具体到内能:在一个边界条件下——系统与外界没有热交换——内能的变化量恰好等于外界对系统做的功,这就是 ΔU = W。

定量关系
无热交换时,ΔU = W
外界对系统做功
W > 0,系统内能 ΔU 增加
系统对外做功
W < 0,系统内能 ΔU 减少
适用前提
仅有做功,无热交换(绝热过程)
银行账户对应 →ΔU = W

存钱对应外界做功 W>0,余额增加对应 ΔU>0;取钱则相反

ΔU=W\Delta U = W
12第 12 页 · 功与内能变化的定量关系

热量的概念

上一页我们讲过,做功可以改变物体的内能。但有时候并没有力做功——比如把铁勺放在热水里,勺子也会变热。这中间传递的能量,就叫做热量。

热量的定义
热传递过程中所传递的能量,用 Q 表示
热量是过程量
只在传热过程中有意义,不能说物体『含有』多少热量
与内能的区别
内能是状态量,描述物体本身;热量是过程量,描述转移过程
收到转账对应 →热量传递

收到钱不等于账户一直有钱;热量也不存于物体本身

13第 13 页 · 热量的概念

热传递改变内能的机制

图示热传递的微观机制:两侧物体分子碰撞 → 动能由快分子传向慢分子 → 内能从高温流向低温。

图解渲染中…
a1高温物体,分子平均动能大c1低温物体,分子平均动能小d1接触界面处分子相互碰撞e1快分子把多余动能传给慢分子
14第 14 页 · 热传递改变内能的机制

热传递的三种方式

上页我们说热量能在物体间转移,但热量从 A 跑到 B 的路径可以完全不同。就像送同一封信,可以亲手递交、派快递、发电报——方式不同,本质也不同。

传导
靠粒子逐个碰撞把能量接力下去,固体最明显
对流
冷热流体宏观流动搬运能量,气液专属
辐射
一切物体都发射电磁波传热,无需介质
同一封信三种送达对应 →热传递三种方式

亲手递交=传导,快递员跑腿=对流,发电报=辐射

15第 15 页 · 热传递的三种方式

做功 vs 热传递

两者都能改变内能,但路径完全不同——这是最容易混淆的地方。

做功
  • 本质:能量形式转化
  • 机制:外力做功(推、压、摩擦)
  • 结果:改变物体内能
热传递
  • 本质:能量位置转移
  • 机制:内能从高温流向低温
  • 结果:改变物体内能
二者是改变内能的两条路径:做功走「转化」路,热传递走「转移」路,终点都是内能变化。
16第 16 页 · 做功 vs 热传递

什么是绝热过程

上一节我们讲了做功和热传递都能改变内能。但物理学家总会追问:能不能把两者隔开,单独研究?绝热过程就是这种'理想实验'——切掉热传递,只留下做功这一条路。

绝热条件
系统与外界不发生热量交换,ΔQ=0
内能变化的唯一来源
外界只能通过做功改变内能:ΔU=W
两种实现途径
过程极快(来不及传热)或用绝热材料隔开
绝热是理想模型
真实系统总有微小漏热,绝热只是分析边界
密封保温杯对应 →绝热过程

热量进出被堵死,摇晃(做功)仍能改变杯里水的内能

ΔQ=0    ΔU=W\Delta Q = 0 \;\Rightarrow\; \Delta U = W
17第 17 页 · 什么是绝热过程

绝热压缩与绝热膨胀

绝热条件下没有热交换,功与内能的转化关系变得最干净、最纯粹。

1
绝热条件确立
系统与外界完全隔热,Q=0,热力学第一定律简化为 ΔU=W
2
绝热压缩发生
外界对气体做正功,体积被压缩而减小
3
压缩的结论
功全部转化为内能,ΔU>0,温度升高
4
绝热膨胀发生
气体推动外界做正功,体积膨胀增大
5
膨胀的结论
内能转化为功输出,ΔU<0,温度降低
18第 18 页 · 绝热压缩与绝热膨胀

绝热过程能量分析图

绝热条件Q=0下两条能量路径:压缩时功进入内能,膨胀时内能转化为功——能量守恒的最简形式W=ΔU。

图解渲染中…
b1Q=0意味着系统与外界完全隔绝热传递d1热力学第一定律Q+W=ΔU的完整形式e1Q=0代入后的最简形式,能量守恒的体现
19第 19 页 · 绝热过程能量分析图

功与热的等效性

做功让水温升高,热传递也能。下个问题:消耗1焦耳功让水升1度,和传给它1焦耳热升1度——结果一样吗?历史上真有人做过这个实验。

等效性结论
等量的功和热量引起的内能改变相同
焦耳实验
搅水做功对比加热,证数值相等
前提条件
始末状态相同,功和热才能谈等效
通向第一定律
两种方式合并为Q+W=ΔU
上山两条路对应 →功热等效

不同路径登顶,海拔升高量相同

20第 20 页 · 功与热的等效性

热功当量

上一页我们说做功和传热改变内能是等价的——但"等价"到底等于多少?4.18焦耳的功才换来1卡的热量,这个比值是怎么测出来的?

热功当量
1卡热量与多少焦耳功等价的换算系数,符号J
数值大小
J = 4.18 J/cal,即4.18焦耳的功对应1卡的热量
焦耳实验
重物下落带动叶片搅水,由水温升高反推功热比
历史意义
首次用实验定量证明功热可相互转换,奠定能量守恒
普适常数
与物质、过程无关,只取决于能量单位换算
货币汇率对应 →热功当量

热量(卡)和功(焦耳)像两种货币,热功当量就是它们之间的兑换比率

1 cal=4.18 J,W=JQ1\text{ cal} = 4.18\text{ J},\quad W = J\cdot Q
21第 21 页 · 热功当量

焦耳实验原理图

焦耳实验把机械能一步步转化为内能,按箭头方向读:从重物势能到液体温度升高。

图解渲染中…
a2搅拌桨转动对液体做的功a3克服液体粘滞阻力做功
22第 22 页 · 焦耳实验原理图

热力学第一定律

前页讲到:绝热时 ΔU=W;纯热传递时 ΔU=Q。若两路径同时出现呢?

核心方程
ΔU=Q+W;内能变化等于吸热与外界做功之和
符号含义
Q为系统吸收的热量;W为外界对系统做的功
正负约定
吸热Q取正,外界对系统做功W取正;反向则取负
守恒本质
总能量不变,内能只是与其他形式能量相互转化
银行账户对应 →能量收支

吸热如存款、做功如取款,余额即内能变化

ΔU=Q+W\Delta U = Q + W
23第 23 页 · 热力学第一定律

应用热力学第一定律的步骤

应用热力学第一定律有三步——定边界、判正负、代公式,每步都关乎结果正误。

1
划定研究对象
用虚线画清系统与外界的边界,Q 和 W 都穿过这条边界
2
判定 Q、W 正负
吸热 Q>0、放热 Q<0;系统对外做功 W>0、外界对系统做功 W<0
3
代入 ΔU=Q+W
统一符号后直接代入,正号表示系统内能增加,负号表示减少
24第 24 页 · 应用热力学第一定律的步骤

本章核心要点

  • 内能是状态量,ΔU 只取决于初末态
  • 做功改变内能:能量从一种形式转化为另一种
  • 热传递改变内能:能量在物体间转移,形式不变
  • ΔU=Q+W 统一两条路径,是能量守恒的热学表达
  • 功与热是过程量,不是系统“拥有”的物理量
延伸主题:气体分子动理论热力学第二定律热机效率与卡诺循环
25第 25 页 · 本章核心要点

核心概念检验

点击作答

用摩擦生热和用热传递两种方式分别使同一块金属的温度升高相同数值。关于这两种方式的本质,下列说法正确的是?

26第 26 页 · 核心概念检验

课后思考

先独立思考每个问题,再对照参考答案——只给思路,鼓励你多想一步。

1做功和热传递都能改变物体的内能,本质区别是什么?为什么说两者'等效'却又不能完全等同?

参考答案做功是能量'转化',其他形式的能变成内能;热传递是能量'转移',内能从一物体传到另一物体。两者改变内能的'效果'等效,但机制不同:做功是有序运动变无序运动,热传递是无序运动的传递。

2冬天搓手取暖和暖气片供热,手都会变暖。从改变内能的方式看,两者有什么本质不同?

参考答案搓手取暖:克服摩擦做功,机械能直接转化为手的内能。暖气供热:高温物体的内能通过热传递转移到手上。两者升温效果相同,但能量来源和改变内能的机制完全不同——前者是'转化',后者是'转移'。

3绝热过程中气体被压缩,外界对气体做功,气体内能一定增加吗?若同时还向外界散热,是否违反热力学第一定律?

参考答案不一定。绝热意味着 Q=0,若同时散热则违反'绝热'前提,此时 Q≠0。第一定律 ΔU=W+Q 始终成立,无论是否绝热。关键:定律本身不会'被违反',前提条件必须严守——'绝热'与'完全隔绝'是两个概念。

27第 27 页 · 课后思考