第七章内能与能量守恒

《内能》内能守恒，能量转换在我们生活的这个世界里，能量的存在和变化无处不在。

从微观的原子、分子运动，到宏观的天体运行、气候变化，能量始终在发挥着它神奇而又关键的作用。

而在这众多的能量形式中，内能是一个非常重要的概念。

内能，简单来说，就是构成物体的所有分子的动能和势能的总和。

分子的动能取决于分子的运动速度，而分子的势能则与分子间的相互作用以及分子的相对位置有关。

想象一下，在一个寒冷的冬天，我们会通过烧火取暖。

当木材燃烧时，发生了一系列复杂的化学变化。

木材中的分子与氧气分子相互作用，产生了新的物质，并释放出大量的热能。

这个过程中，木材和氧气所具有的内能发生了改变。

但从整个系统来看，能量的总量是守恒的。

内能守恒是自然界的一个基本定律。

这意味着在一个封闭的系统中，能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只会从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体。

再比如，我们给一个热水袋装满热水，然后把它放在被窝里。

过了一段时间，热水袋里的水温下降了，而被窝里的温度升高了。

这是因为热水袋里的水具有较高的内能，通过热传递的方式将内能转移到了被窝里。

在这个过程中，热水袋和被窝所构成的系统的内能总和并没有改变。

能量的转换形式多种多样。

比如，汽车的发动机燃烧汽油，将燃料的化学能转化为机械能，从而使汽车能够行驶；水电站利用水流的势能转化为电能，为我们的生活提供电力；太阳能热水器则是将太阳的光能转化为热能，为我们提供热水。

在这些能量转换的过程中，内能往往扮演着重要的角色。

以汽车发动机为例，汽油燃烧时，化学能首先转化为内能，使气体膨胀，推动活塞做功，进而将内能转化为机械能。

但在这个过程中，并不是所有的内能都能完全转化为有用的机械能，一部分内能会以热量的形式散失到周围环境中。

在实际生活中，我们常常希望能够提高能量转换的效率，以减少能源的浪费。

比如，改进发动机的设计，使其能够更充分地燃烧燃料，减少内能的散失；研发更高效的太阳能电池板，提高光能到电能的转换效率。

内能=动能+势能
• 物体的内能=所有分子做热运动的动能+分子势能 • 内能是物体内部具有的能量，它包括物体内所有分子动能和势 能。
• • • •
内能变化的两个途径： 做功可以改变物体的内能。用做功多少来描述 热传递可以改变物体的内能。用热量多少描述 （过程量&状态量）
• 做功和热传递在改变内能的效果上是等效的。做功使其他形式 的能如机械能等转化为内能；热传递是物体间的内容发生转移。
热力学三大定律
• • • • • • 第一定律：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 做功的和。（如果一个系统与环境孤立，那么它的内能将不会发生变化。） 表达式:△E=-W+Q 第二定律：（能量传递具有方向性、有多种描述） 克劳修斯表述 热量可以自发地从温度高的物体传递到较冷的物体，但不可 能自发地从温度低的物体传递到温度高的物体 第三定律： 绝对零度无法达到。
内能 能量守恒定律
分子
• 物质：由大量分子组成 • （实验：油膜法测分子直径）
动能、势能
• 分子做无规则运动，因此分子具有动能 • 物体内大量分子无规则运动跟温度有关，所以我们又把这种运 动叫做热运动。 • *物体里分子运动的速率是不同的，因此各个独立分子的动能并 不相同。在研究热现象时，我们关心的是物体内所有分子动能 的平均值。 • 这个平均值叫做分子热运动的平均动能，简称分子动能。 • 温度是分子动能的宏观表现 • • • • 由于分子间存在相互作用力，所以分子具有势能。 分子具有与分子间距离有关的势能，叫做分子势能。 体积是分子势能的宏观表现。 （分子间作用力做正功，分子势能减少）
能
• 能的形式 • 能以多种形式存在与自然界，每一种形式的能对应于一种运动形式。 • 各种形式的能是可以相互转化的。 • 能量守恒定律 • 能量既不能创生，也不能消失，它只能从一种形式转化为另一种形式， 或者从一个物体转移到另一个物体，在转化或转移的过程中，其总量 不变。 • 自然过程的方向性 • 大量事实表明，自然界中的一切实际变化过程都具有方向性，朝某个 方向的变化是可以自发发生的，相反方向的变化却是受到限制的。这 时如果要使变化了的事物重新恢复到原来的状态，一定会对外界产生 无法消除的影响，这就是自然过程的不可逆性。

1.一个物体能够对外做功，我们就说这个物体具有能量。 2.不同的运动形式在相互转化中有数量上的确定关系。
这些能量之间有联系吗？有什么联系呢？
太阳能的利用：太阳能转化为电能
这些能量之间有联系吗？有什么联联系吗？有什么联系呢？
水电站：水的机械能转化为电能
能量转移： 运动的甲钢球碰击静止的乙钢球； 在热传递过程中。 特点： 能量的形式没有变。 能量转化： 小朋友滑滑梯；
水力发电；火力发电；
电流通过电热器时。
特点： 能量的形式发生变化。
在能量转化和转移的过程中，能的总量保持 不变。
有的时候，物体某种形式的能量，可能转移到几 个物体或转化成几种形式的能量，但能量的总量不变。
不同形式的能量之间的转化是通过做功实 现的。
重力做功
弹力做功 摩擦阻力做功 合外力做功
重力势能变化
弹性势能变化 内能的变化 动能的变化
①内容： 能量既不可会消灭，也不会创生，它只会从一 种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到另 一个物体，而在转化和转移过程中，能量的总量保 持不变。 ②定律的表达式 E初＝E终 △E增＝△E减 ③说明： a.该定律是贯穿整个物理学的基本规律之一，是学 习物理学的一条主线。 b.要分清系统中有多少种形式的能，发生了哪些转 化和转移。
（3）放在火炉旁的冷水变热（ 内能由火炉转移给水） （4）电流通过灯泡，灯泡发光（ 电能转化为光能 ） （5）植物进行光合作用（ 光能转化为化学能 ）
这些能量之间有联系吗？有什么联系呢？
水果电池：化学能转化为电能
这些能量之间有联系吗？有什么联系呢？
化学能转化为机械能
电能转化为光能和内能
这些能量之间有联系吗？有什么联系呢？
化学能转化为光能和内能

能量守恒定律与能源一、能量守恒定律┄┄┄┄┄┄┄┄①1．建立能量守恒定律的两类重要事实(1)确认了永动机的不可能性。

(2)发现了各种自然现象之间的相互联系与转化。

2．定律内容能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变。

3．机械能守恒定律与能量守恒定律的关系机械能守恒定律是普遍的能量守恒定律在特定背景下的一种特殊表现形式。

[说明]能量守恒定律的建立，是人类认识自然的一次重大飞跃。

它是最普遍、最重要、最可靠的自然规律之一，而且是大自然普遍和谐性的一种表现形式。

①[填一填]指出下列现象中能量的转化或转移情况：(1)植物的光合作用；________________________________________________________________________(2)雨天时出现雷电；________________________________________________________________________(3)人在跑步时，身体发热；________________________________________________________________________(4)手摇发电机发电使灯泡发光；________________________________________________________________________(5)风吹动帆船前进。

________________________________________________________________________ 解析：(1)植物利用太阳光进行化学合成，是光能转化为化学能；(2)出现雷电时，发出震耳欲聋的响声、耀眼的强光并放出热量，是电能变为声波能、内能和光能；(3)人跑步时身体发热，是身体剧烈运动时，加速人体内新陈代谢的生理机能，是人体内储存的化学能转化为内能；(4)发电机的动能转化为电能，电能使灯泡发光，是机械能转化为电能，电能转化为灯丝的光能和内能；(5)空气的流动形成风，风具有机械能，帆船前进具有的仍是机械能，是风的机械能转移给帆船，是机械能的转移。