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文檔簡介
第七章內(nèi)能能量守恒定律A物體的內(nèi)能向明中學(xué)嚴城[教學(xué)目標]1、知識與技能(1)知道分子的動能、分子的平均動能,知道溫度是分子平均動能大小的標志;(2)知道分子的勢能,知道分子的勢能與物體體積有關(guān);(3)知道物體的內(nèi)能包含所有分子的動能和勢能的總和;(4)知道做功和熱傳遞是改變物體內(nèi)能的兩種方式。2、過程與方法感受人類認識內(nèi)能的初始過程,通過實驗活動和討論分析,感受用類比的方法認識分子的動能、勢能和物體的內(nèi)能等抽象概念。認識物理學(xué)研究問題的思想方法。3、情感、態(tài)度與價值觀(1)通過了解焦耳對熱現(xiàn)象的研究,增強認真鉆研、敢于質(zhì)疑、積極進行實驗探究學(xué)習(xí)的自覺性。(2)通過觀察、分析各種內(nèi)能現(xiàn)象和實驗,引導(dǎo)學(xué)生透過現(xiàn)象揭示物理規(guī)律,培養(yǎng)崇尚科學(xué)、破除迷信的意識。[教學(xué)重點、難點]重點:認識物體的內(nèi)能是由組成物體的分子動能和勢能構(gòu)成,它與其他形式的能量是可以相互轉(zhuǎn)化的。難點:區(qū)分改變內(nèi)能的兩種方法,并認識到做功與熱傳遞對改變內(nèi)能是等效的,以及判斷物體內(nèi)能是否發(fā)生變化。[教學(xué)設(shè)計思路]先由所學(xué)知識推出分子動能的存在,并說明分子動能與溫度的關(guān)系,再又分子力說明分子勢能的存在,最后總結(jié)出內(nèi)能的概念.分子勢能在微觀上與分子間距離有關(guān)(宏觀上表現(xiàn)為體積),當分子間距離大于平衡距離時,分子力表現(xiàn)為引力,此時增大分子間距離,分子力作負功,分子勢能增加;當分子間距離小于平衡距離時,分子力為斥力,此時減小距離,分子力還是做負功,分子勢能增加;由此可見分子間距離等于平衡距離時分子勢能最小,但不一定為零,因為分子勢能是相對的.分子勢能與分子間距離的關(guān)系如上圖所示.分子勢能可與彈性勢能對比學(xué)習(xí),分子相距平衡距離時相當于彈簧的平衡位置,但對比學(xué)習(xí)時,也要注意兩者的區(qū)別.
比較兩物體內(nèi)能大小,需要考慮到分子平均動能、分子勢能和分子總個數(shù).分子平均動能與溫度有關(guān),溫度越高,分子平均動能越大,溫度越低,分子平均動能越?。肿觿菽芘c分子間距離(宏觀上表現(xiàn)為體積)有關(guān),分子間距離改變(宏觀上表現(xiàn)為體積改變),分子勢能改變,但分子勢能與分子間距離(體積)的關(guān)系比較復(fù)雜:分子間距離增大,分子勢能可能增大,也可能減小,即體積增大,分子勢能可能增大,也可能減?。虼宋覀儾荒軉螐捏w積的改變上判斷分子勢能如何改變,而是往往要視具體情況而定.
機械能與內(nèi)能有著本質(zhì)的區(qū)別,對于同一物體,機械能是由其宏觀運動速度和相對高度決定的,而內(nèi)能是由物體內(nèi)部分子無規(guī)則運動和聚集狀態(tài)決定.例如放在桌面上靜止的木塊溫度升高,其機械能不變,而內(nèi)能發(fā)生了改變.在分析物體內(nèi)能時要充分利用前三節(jié)所學(xué)分子動理論的基本觀點,由舊有知識推導(dǎo)出新知識.在講分子勢能時,最好能與彈簧的彈性勢能進行類比學(xué)習(xí).在區(qū)分機械能與內(nèi)能時,最好能舉例說明.要求學(xué)生能理解做功和熱傳遞都可以改變物體內(nèi)能,它們在改變物體內(nèi)能方面是等效的.當一個物體的內(nèi)能發(fā)生了改變,而我們不知道其改變過程,我們是無法確定是熱傳遞使其內(nèi)能發(fā)生改變,還是做功使其內(nèi)能改變,或者是做功與熱傳遞同時存在.
功是能量轉(zhuǎn)化的一個量度,做了多少功就意味著有多少某種形式的能量轉(zhuǎn)化為另一種形式的能量;熱量是熱傳遞過程中內(nèi)能轉(zhuǎn)移的一個量度.如果一個物體只有與外界間的存在做功關(guān)系(不包括機械能的改變部分),而無熱交換,則做功的多少與內(nèi)能的改變量相等;如果一個物體與外界間的無做功關(guān)系(不包括機械能的改變部分),而僅有熱交換,則傳遞了多少熱量,內(nèi)能就改變多少.本內(nèi)容在初中教材中已有簡單介紹,因此可以提出問題:怎樣改變物體內(nèi)能?然后由學(xué)生回憶初中知識,回答問題.
做功和熱傳遞在改變物體的內(nèi)能方面是完全等效的,這一說法較抽象,學(xué)生不易理解,可舉例加深學(xué)生的理解:如一物體內(nèi)能增加了,在沒有告訴其他條件下,是否能判斷出是什么原因使物體內(nèi)能增加.[教學(xué)資源]吹風(fēng)機、乒乓球、溫度傳感器、做功裝置、圖片、視頻等。[教學(xué)內(nèi)容]一、分子動能
溫度是分子平均動能的標志,溫度越高,分子運動越劇烈,分子平均動能越大.分子平均速度和平均動能是一個宏觀統(tǒng)計概念,溫度越高,分子平均動能越大,但并不是所有分子動能都增大,個別分子動能還有可能減小.
二、分子勢能
由分子間作用力決定的一種能量,與分子間距離有關(guān),宏觀上表現(xiàn)出與物體體積有關(guān).
當分子間距離大于平衡距離時,分子力表現(xiàn)為引力,此時增大分子間距離,分子力作負功,分子勢能增加;當分子間距離小于平衡距離時,分子力為斥力,此時減小距離,分子力還是做負功,分子勢能增加;由此可見分子間距離等于平衡距離時分子勢能最小,但不一定為零,因為分子勢能是相對的.分子勢能與分子間距離的關(guān)系如圖所示.三、物體的內(nèi)能
物體內(nèi)所有分子的動能和分子勢能的總和叫內(nèi)能.
例1:相同質(zhì)量的0℃水與0℃的冰相比較()
A、它們的分子平均動能相等B、水的分子勢能比冰的分子勢能大
C、水的分子勢能比冰的分子勢能小D、水的內(nèi)能比冰的內(nèi)能多
答案:ABD
評析:質(zhì)量相同的水和冰,它們的分子個數(shù)相等;溫度相等,所以分子平均動能相等,因此它們總的分子動能相等.由水結(jié)成冰,需要釋放能量,所以相同質(zhì)量、溫度的水比冰內(nèi)能多,由于它們總的分子動能相等,所以水比冰的分子勢能大.本題很容易誤認為水結(jié)成冰,體積增大,所以內(nèi)能增大.
機械能與內(nèi)能有著本質(zhì)的區(qū)別,對于同一物體,機械能是由其宏觀運動速度和相對高度決定的,而內(nèi)能是由物體內(nèi)部分子無規(guī)則運動和聚集狀態(tài)決定.例如放在桌面上靜止的木塊溫度升高,其機械能不變,而內(nèi)能發(fā)生了改變.
例2:下面有關(guān)機械能和內(nèi)能的說法中正確的是
A、機械能大的物體,內(nèi)能一定也大
B、物體做加速運動時,其運動速度越來越大,物體內(nèi)分子平均動能必增大
C、物體降溫時,其機械能必減少
D、摩擦生熱是機械能向內(nèi)能的轉(zhuǎn)化
答案:D
評析:對于機械能和內(nèi)能,它們是兩種完全不同的形式的能,需要從概念上對它們進行區(qū)分.四、理想氣體的內(nèi)能:任何物體都有內(nèi)能,物體的內(nèi)能與物體的溫度和體積有關(guān)。理想氣體無分子勢能,所以,理想氣體的內(nèi)能只與溫度有關(guān)。五、內(nèi)能與機械能的區(qū)別:物體有不同的運動形式,每種運動形式都有與其對應(yīng)的能量。機械運動是物體有規(guī)則的宏觀運動,與機械運動對應(yīng)的能量就是機械能,機械能由物體機械運動的速度及相對高度決定.而與物體內(nèi)部分子無規(guī)則運動對應(yīng)的能量就是內(nèi)能;內(nèi)能由物體的溫度和體積決定。任何一個物體的機械能可以為零,但它的內(nèi)能不可能為零。在一定條件下,機械能和內(nèi)能可以相互轉(zhuǎn)化(例如:做功)。
六、做功改變物體內(nèi)能做功可以改變物體內(nèi)能,做功可以使內(nèi)能和其它形式的能相互轉(zhuǎn)化.如果一個物體只有與外界間的存在做功關(guān)系(不包括機械能的改變部分),而無熱交換,則做功的多少與內(nèi)能的改變量相等.例題1:有一個10m高的瀑布,水流在瀑布頂端時速度為2m/s,在瀑布底與巖石的撞擊過程中,有10%的動能轉(zhuǎn)化為水的內(nèi)能,請問水的溫度上升了多少攝氏度?已知水的比熱容為4.2×103J/(kg·℃),g取10m/s2.解:根據(jù)機械能守恒定律知,當水流到達瀑布底時的動能水吸收熱量與溫度變化滿足關(guān)系由題目知,有10%的動能轉(zhuǎn)化為水的內(nèi)能,所以代入數(shù)據(jù)得
=2.4×10–3℃評析:本題是一個力、熱綜合題,需要熟知機械能守恒定律、內(nèi)能等相關(guān)知識.五、熱傳遞改變物體內(nèi)能熱傳遞可以改變物體內(nèi)能,熱傳遞是內(nèi)能從一個物體(或物體的一部分)轉(zhuǎn)移到另一個物體(或物體的另一部分).如果一個物體與外界間的無做功關(guān)系(不包括機械能的改變部分),而僅有熱交換,則傳遞了多少熱量,內(nèi)能就改變多少.熱量是描述熱傳遞過程中能量轉(zhuǎn)移的多少.例題2:關(guān)于熱量的下列說法中正確的是()A、溫度高的物體含有的熱量多B、內(nèi)能多的物體含有的熱量多C、熱量、功和內(nèi)能的單位相同D、熱量和功都是過程量,而內(nèi)能是一個狀態(tài)量答案:CD評析:本題著重考查了熱量的概念,以及它與內(nèi)能、功的聯(lián)系與區(qū)別.六、做功和熱傳遞在改變物體內(nèi)能方面是等效的當一個物體的內(nèi)能發(fā)生了改變,而我們不知道其改變過程,我們是無法確定是熱傳遞使其內(nèi)能發(fā)生改變,還是做功使其內(nèi)能改變,或者是做功與熱傳遞同時存在.[課堂練習(xí)]一、例題1.對于分子間勢能與體積的關(guān)系,下列說法中正確的是()
A、物體體積不變,分子勢能不改變B、物體體積增大,分子間勢能必增大
C、物體體積增大,分子間勢能可能增大D、物體體積減小,分子間勢能可能增大
答案:ACD評析:熟知分子勢能與分子間距離的復(fù)雜關(guān)系,消除分子勢能越大,體積越大的誤解,才能正確解答本題.2.鍋爐中盛有1500kg的水,當對其加熱使其內(nèi)能增加1.26×107J時,溫度將上升多少?水的比熱容c=4.2×103J/(kg.K).解:水吸收的熱量全部用來增加它的內(nèi)能
3.下面過程中是通過熱傳遞改變物體內(nèi)能的是(
)A、用氣筒給自行車打氣時,筒壁變熱B、古人鉆木取火C、用暖水袋捂手D、摩擦生熱答案:C評析:選項A、B、D中的熱學(xué)過程都是通過做功使物體內(nèi)能改變的二、練習(xí)1、兩個物體的溫度相同,則說明()
A、兩物體內(nèi)分子的平均動能相等B、兩物體內(nèi)分子的平均速率相同
C、兩物體內(nèi)分子的勢能相等D、兩物體的內(nèi)能相等
2、對于溫度越高的物體,下列說法正確的是()
A、該物體分子的勢能一定大B、該物體內(nèi)能一定大
C、該物體分子平均動能一定大D、該物體所含熱量一定越多
3、甲、乙兩分子相距較遠,在它們彼此不斷靠近的過程中,分子勢能的變化情況是:()
A、不斷增大B、不斷減小C、先減小后增大D、先增大后減小4、下面關(guān)于物體內(nèi)能改變的說法中正確的是()
A、物體對外做功,其內(nèi)能必定改變B、物體對外做功,其內(nèi)能不一定改變
C、物體吸收熱量,其內(nèi)能必增加D、外界對物體做功,物體同時吸收熱量,其內(nèi)能必增加
5、關(guān)于熱傳遞的下列說法中正確的是()
A、熱傳遞是物體間內(nèi)能的轉(zhuǎn)移B、熱量總是從溫度高的物體傳給溫度低的物體
C、熱量總是從熱量多的物體傳給熱量少的物體D、吸收熱量的物體溫度必上升
6、一個物體內(nèi)能增加了20J,則下列說法正確的是()
A、該物體可能吸收了20J的熱量B、外界可能對該物體做了20J的功
C、外界對物體做功和物體吸熱可能同時存在D、物體的溫度一定上升答案:1、A2、C3、C4、B5、AB6、ABC[板書設(shè)計]一.分子動能在研究熱現(xiàn)象時,我們關(guān)心的是物體內(nèi)所有分子動能的平均值。我們把這個平均值叫做分子熱運動的平均動能,簡稱分子動能。決定因素:溫度。溫度越高,物體分子熱運動越劇烈,分子熱運動的平均動能越大;溫度越低,分子熱運動的平均動能越小。二.分子勢能物體內(nèi)分子不僅做永不停息的熱運動,而且分子間存在相互作用,因而分子具有與分子間距離有關(guān)的勢能,叫做分子勢能。決定因素:狀態(tài)和體積。分子勢能是隨著分手之間距離的變化而變化的,而分子間距離發(fā)生變化的宏觀表現(xiàn)就是物體的狀態(tài)和體積發(fā)生了變化。當分子間距離發(fā)生變化時,分子間作用力就會做功。分子間作用力做正功,分子勢能減少;分子間作用力做負功,分子勢能增加。三.物體的內(nèi)能物體中所有分子做熱運動的動能和分子勢能的總和,叫做物體的內(nèi)能。注意:熱現(xiàn)象是大量分手熱運動的宏觀表現(xiàn),是大量分子運動的統(tǒng)計結(jié)果。討論個別分子的溫度和內(nèi)能是沒有意義的。四.理想氣體的內(nèi)能:任何物體都有內(nèi)能,物體的內(nèi)能與物體的溫度和體積有關(guān)。理想氣體無分子勢能,所以,理想氣體的內(nèi)能只與溫度有關(guān)。五.內(nèi)能與機械能的區(qū)別:物體有不同的運動形式,每種運動形式都有與其對應(yīng)的能量。機械運動是物體有規(guī)則的宏觀運動,與機械運動對應(yīng)的能量就是機械能,機械能由物體機械運動的速度及相對高度決定.而與物體內(nèi)部分子無規(guī)則運動對應(yīng)的能量就是內(nèi)能;內(nèi)能由物體的溫度和體積決定。任何一個物體的機械能可以為零,但它的內(nèi)能不可能為零。在一定條件下,機械能和內(nèi)能可以相互轉(zhuǎn)化(例如:做功)。六.改變物體內(nèi)能的方法做功熱傳遞注意:做功和熱傳遞在改變內(nèi)能的效果上是等效的。做功使其他形式的能如機械能等轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,熱傳遞使物體間的內(nèi)能發(fā)生轉(zhuǎn)移[作業(yè)]練習(xí)部分3頁第1至11題[教學(xué)反思]【附錄】1、用統(tǒng)計方法研究物體的溫度物體由大量分子組成,每一個分子都在作永不停息的無規(guī)則運動.宏觀上反映物體冷熱程度的溫度在微觀領(lǐng)域則反映了分子熱運動的激烈程度.由于分子無規(guī)則運動中,分子間頻繁地發(fā)生碰撞,每個分子都在作無規(guī)律的變速運動,研究某一個分子的速率是毫無意義的.因此,需要用大量分子的統(tǒng)計規(guī)律即用物體分子熱運動的平均動能作為物體溫度的標志.需要注意的是,物體的溫度與物體分子的平均動能是一一對應(yīng)的關(guān)系,不能說物體的溫度等于物體分子熱運動的平均動能,因為溫度與分子動能是兩個完全不同性質(zhì)的物理量.2、物體的內(nèi)能是狀態(tài)的函數(shù)早在19世紀,焦耳就通過大量的實驗指出,當物體(如水)的狀態(tài)從確定的狀態(tài)1(設(shè)其溫度為)改變到確定的狀態(tài)2(設(shè)其溫度為)時,如不從外界吸熱,也不放熱,只通過做機械功或電功來改變物體的狀態(tài)時,實驗測得在不同的過程中的功的數(shù)值都相等,也就是說,這個功和改變狀態(tài)的過程無關(guān),只由狀態(tài)1和狀態(tài)2決定.我們把這種由物體內(nèi)部狀態(tài)決定的能量就叫做物體的內(nèi)能.物體的狀態(tài)一定時,它的內(nèi)能也一定.所以說內(nèi)能是狀態(tài)的單值函數(shù).例如一定質(zhì)量理想氣體的內(nèi)能是溫度的函數(shù),可寫作,實驗氣體的內(nèi)能則是溫度和體積的函數(shù).一定質(zhì)量的氣體的狀態(tài)參量p、V、T既經(jīng)確定之后,與這個狀態(tài)相應(yīng)的內(nèi)能只有一個數(shù)值.設(shè)分別表示物體在狀態(tài)1和狀態(tài)2時的內(nèi)能,如果物體沒有跟外界發(fā)生熱交換,測出改變物體狀態(tài)時所消耗的功,就可以確定兩個狀態(tài)的內(nèi)能差了.在一般的情況下,物體的狀態(tài)發(fā)生變化時,做功和熱傳遞往往是同時存在的,無論物體狀態(tài)變化經(jīng)歷怎樣的過程,只要兩個狀態(tài)確定了,內(nèi)能的變化也就確定了.實際上我們用到的只是內(nèi)能的變化.內(nèi)能的變化可以用做功和傳遞的熱量來量度.物體在某一狀態(tài)的內(nèi)能的絕對值是無法測定的.3、內(nèi)能與機械能的區(qū)別內(nèi)能與機械能所對應(yīng)的運動形式不同:內(nèi)能對應(yīng)的是微觀的分子熱運動;機械能對應(yīng)的是宏觀物體的機械運動.內(nèi)能由物體的溫度和體積決定;機械能由物體機械運動的速度及相對高度決定.內(nèi)能與機械能在一定條件下(例如:做功)可能發(fā)生轉(zhuǎn)化.4、內(nèi)能與熱能內(nèi)能這個物理量首先是由焦耳實驗結(jié)出的。焦耳實驗指出,當一物體(或系統(tǒng))從某一初始狀態(tài)經(jīng)各種不同的絕熱過程到達某一終了狀態(tài)時,在所有這些絕熱過程中,外界對物體(系統(tǒng))所作的功值都相等。因為在絕熱過程中,外界對物體(系統(tǒng))所作的功與中間經(jīng)過的路徑無關(guān),而只與物體(系統(tǒng))的初始狀態(tài)和終了狀態(tài)有關(guān),所以,這個功值必等于一個狀態(tài)函數(shù)在終態(tài)與初態(tài)的函數(shù)值之差。由此得到一個所謂的“能定理”:任何一個物體(系統(tǒng))在平衡狀態(tài)下有一個函數(shù)E與之對應(yīng),這狀態(tài)函數(shù)稱為物體(系統(tǒng))的內(nèi)能,當這個物體(系統(tǒng))從第一狀態(tài)經(jīng)過一個絕熱過程到第二狀態(tài)后,它內(nèi)能的增量等于在過程中外界對它所作的功值,即:內(nèi)能是儲藏在物體內(nèi)部的能量,或是物體內(nèi)部物質(zhì)運動的能量。它的增加、減少并不引起物體在空間速度的改變,也并不代表物體在空間的宏觀機械運動。它的改變只會影響物體內(nèi)部物質(zhì)運動的變化,從而引起各種熱現(xiàn)象(如膨脹、收縮、熔解、凝固、蒸發(fā)、擴散等等)的產(chǎn)生。從微觀角度看,物體的內(nèi)能是物體內(nèi)一切能量之和。它應(yīng)包括分子的平動、轉(zhuǎn)動和振動能;由分子間相互作用決定的勢能;組成分子的原子的動能和勢能;原子核外電子的運動能;核內(nèi)的能量和物體內(nèi)部空間的電磁輻射等。因分子運動論只考慮到物質(zhì)分子和原子這個層次,所以,物體的內(nèi)能僅指分子和原子的無規(guī)則運動動能和相互作用的勢能之和。在熱學(xué)中,通常情況下,原子核外電子的能量、核內(nèi)能量、物體內(nèi)部空間的電磁輻射是不變化的,所以,物體內(nèi)能又往往只指物體內(nèi)分子(包括原子)無規(guī)則運動的動能和相互作用的勢能。而熱能是物體內(nèi)部所有分子(包括原子)作無規(guī)則熱運動的動能之和。這里的“動能之和”包含著分子的平動、轉(zhuǎn)動和振動的動能等,也可以包括分子內(nèi)部原子的振動動能。因為分子的熱運動動能是隨著溫度而變化的,所以,物體的熱能也隨著溫度的變化而變化。
內(nèi)能和熱能的含義弄懂后,我們就可以進一步來討論兩者的聯(lián)系和區(qū)別。
(1)內(nèi)能和熱能表達的對象都是物體所處的某一熱力學(xué)狀態(tài),兩者都屬于能的范疇,是兩個狀態(tài)函數(shù)。
(2)熱能的大小隨溫度的變化而單調(diào)變化。然而,在一般情況下,內(nèi)能與溫度卻沒有確定的關(guān)系,只有理想氣體的內(nèi)能才僅是溫度的函數(shù),這個結(jié)果叫做焦耳定律。例如,在處理理想氣體問題的時候,特別是由單原子分子組成的理想氣體,由于只考慮大量分子具有的動能,內(nèi)能和熱能是相等的。
(3)內(nèi)能既然泛指物體內(nèi)的一切能量,那它的外延明顯就寬于熱能。熱能屬于內(nèi)能范疇,但內(nèi)能不光包括熱能。從概念間的關(guān)系看,內(nèi)能和熱能亦是一種從屬關(guān)系,其中內(nèi)能是屬概念,熱能是種概念。5、熱傳遞與熱傳導(dǎo)有許多人在學(xué)習(xí)物理、解答物理習(xí)題時,常把熱傳遞與熱傳導(dǎo)混為一談,認為熱傳遞與熱傳導(dǎo)描述的是同一物理過程,殊不知它們是兩個不同的概念。
由內(nèi)能與熱能一節(jié)以及熱、熱運動與熱現(xiàn)象的闡述可知,物體的內(nèi)能就是組成物體全部分子、原子的動能、勢能和內(nèi)部電子能等總和,物體內(nèi)能的改變可以通過分子、原子有規(guī)則運動的能量交換來達成,也可以通過分子、原子的無規(guī)則運動的能量交換來達成(或者是兩者兼有)。前者能量交換的方式就是作宏觀機械功的方式,后者能量交換的方式就是所謂的熱傳遞。更確切地講,所謂熱傳遞就是沒有作宏觀機械功而使內(nèi)能從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體,或者從物體的一部分轉(zhuǎn)移到另一部分的過程。它通過熱傳導(dǎo)、對流和熱輻射三種方式來實現(xiàn)。實際熱傳遞過程中,這三種方式常常是相伴進行的,重要的是看哪一種方式占主要地位。在熱力學(xué)中,把除了熱傳遞以外的其他一切能量轉(zhuǎn)移方式都歸于作功。所以,熱傳遞和作功是能量轉(zhuǎn)移的兩種方式,除此之外沒有其他方式。
由以上論述可知,熱傳遞是能量傳遞的一種方式,它具體又包括熱傳導(dǎo)、對流和熱輻射三種形式。為了幫助大家能把熱傳遞與熱傳導(dǎo)更好地加以區(qū)別,下面我們有必要對熱傳導(dǎo)、對流和總輻射分別作論述。
熱傳導(dǎo)指的是物質(zhì)系統(tǒng)(氣體、液體或固體),由于內(nèi)部各處溫度不均勻而引起的熱能(內(nèi)能)從溫度較高處向溫度較低處輸運的現(xiàn)象。
熱傳導(dǎo)的實質(zhì)是由大量分子、原子或電子的相互碰撞,而使熱能(內(nèi)能)從物體溫度較高部分傳到溫度較低部分的過程。熱傳導(dǎo)是固體中熱傳遞的主要方式,在氣體、液體中它往往與對流同時發(fā)生。各種物質(zhì)的熱傳導(dǎo)性能不同,熱傳導(dǎo)過程的基本定律是博里葉定律。
對流作為熱傳遞的一種途徑,是流體(氣體、液體)中熱傳遞的主要方式。它是指流體中較熱部分和較冷部分在流體本身的有序的循環(huán)流動下的相互攙和,使溫度趨于均勻從而達到熱能(內(nèi)能)傳遞的過程。
對流往往自發(fā)產(chǎn)生,這是由于溫度不均勻性所引起的壓力或密度差異的結(jié)果。
至于熱輻射,它是指受熱物體以電磁輻射的形式向外界發(fā)射并傳送能量的過程。物體溫度越高,輻射越強。與熱傳導(dǎo)、對流不同,熱輻射能把熱能以光的速度穿過真空,從一個物體傳給另一個物體。任何物體只要溫度高于絕對零度,就能輻射電磁波,波長為0.4~40微米范圍內(nèi)的電磁波(即可見光與紅外線)能被物體吸收而變成熱能,故稱為熱射線。因電磁波的傳播不需要任何媒質(zhì),所以熱輻射是真空中唯一的熱傳遞方式。例如,太陽傳給地球的熱能就是以熱輻射的方式經(jīng)過宇宙空間而來的。
由此可見,熱傳導(dǎo)與熱傳遞是兩個從屬關(guān)系概念,熱傳遞概念的外延明顯寬于熱傳導(dǎo)概念的外延,故熱傳遞是一個屬概念,而熱傳導(dǎo)是一個種概念。6、熱量與熱能業(yè)已證明,欲使物體的內(nèi)能增加,可以通過兩種不同的方式來達到。一是直接對物體作宏觀機械功。如焦耳當初用以測定熱功當量的實驗,就是用機械作功的方法攪動水銀,使水銀的內(nèi)能增大,從而使水銀的溫度升高的;又如,把兩物體摩擦,兩物體的內(nèi)能都能增大,從而使它們的溫度升高,另一種方式是把物體與另一高溫物體直接熱接觸,通過一定時間,低溫物體的溫度也能升高直至與高溫物體溫度相同。后者的物理本質(zhì)是:當?shù)蜏匚矬w與高溫物體接觸在一起后,兩物體的分子在邊界上互相碰撞,交換動量和能量,交換的結(jié)果就使得兩個物體分子無規(guī)則運動劇烈程度趨于一致,平均平動能當然亦相等,這時兩物體的溫度自然地趨于一致。從能量守恒的觀點看,此過程中必定是高溫物體中一部分能量通過分子間的無規(guī)則碰撞傳給了低溫物體。能量的這種傳遞方式在熱學(xué)中就稱作熱傳遞。這里所論的“能量”顯然是指物體的內(nèi)能,而內(nèi)能中又包含著熱能。故熱傳遞結(jié)果又必然是高溫物體的內(nèi)能減少,低溫物體的內(nèi)能增加。于是,熱學(xué)上把熱傳遞過程中物體內(nèi)能的這種改變量稱作為熱量。可見,熱量并不是物體的內(nèi)能,更不是物體的熱能,而是物體(系統(tǒng))在熱傳遞過程中內(nèi)能改變量的量度?;蛘呖梢哉f,熱量是在熱傳
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