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1.功、热和内能的改变
第三章
2022
内容索引
01
02
03
自主预习 新知导学
合作探究 释疑解惑
课堂小结
04
随堂练习
课标定位
素养阐释
1.认识内能的概念,了解焦耳的两个实验。
2.知道做功、热传递与内能改变的数量关系。
通过做功与内能改变、热传递与内能改变的关系,培养学生的科学思维能力。
自主预习 新知导学
一、功与内能
1.焦耳的实验。
(1)绝热过程:系统不从外界 吸热 ,也不向外界 放热 的过程叫作绝热过程。
(2)实验结论:系统状态通过绝热过程发生变化,做功的多少只由过程始末两个状态决定,而与做功的 方式 无关。
(3)焦耳的热功当量实验和用电流的热效应给水加热的实验中做功的方式相同吗 你能得出什么结论
答案：不同。在各种不同的绝热过程中,系统状态的改变与做功方式无关,仅与做功多少有关。
2.功与内能的改变。
(1)任何一个热力学系统都存在一个只依赖于系统自身 状态 的物理量,我们把它称为系统的 内能 。
(2)在热力学系统的绝热过程中,当系统从状态1经过绝热过程达到状态2时,内能的变化量ΔU= U2-U1 就等于外界对系统所做的功W,即 ΔU=W 。
二、热与内能
1.热传递。
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 从高温物体传到了低温物体。
2.热与内能的改变。
(1)不仅对系统做功可以改变系统的内能,单纯地对系统 传热 也能改变系统的内能。
(2)当系统从状态1经过单纯的传热达到状态2时,内能的变化量ΔU= U2-U1 就等于外界向系统传递的热量Q,即 ΔU=Q 。
【思考讨论】
1.判断下列说法的正误。
(1)系统只从外界吸热,而不向外界放热的过程就是绝热过程。( )
(2)在绝热过程中,外界对系统做多少功,内能就能增加多少。( )
(3)功和内能都是能量转化的量度。( )
(4)做功和热传递都可改变物体的内能,从效果上是等效的。( )
(5)热量一定从内能多的物体传递给内能少的物体。( )
×
×
×
√
√
2.关于温度、热量、功和内能,以下说法正确的是( )
A.同一物体温度高时,含有的热量多
B.物体的内能越大,含有的热量就越多,温度也越高
C.外界对系统做功W,内能必定增加
D.发生热传递的条件是两物体之间存在温度差
解析：热量是物体间进行热传递时内能的转移,不能说物体含有多少热量,故A、B错。由于做功和热传递都可引起物体内能的变化,只根据做功无法准确判断物体内能的变化,故C错。物体间发生热传递的条件是存在温度差,故D正确。
D
3.要想改变物体的内能,可采用哪些方式
答案：通过做功和热传递都可以改变物体的内能。
合作探究 释疑解惑
知识点一
功与内能
【问题引领】
1.在给自行车轮胎打气时,会发现胎内空气温度升高。这是为什么
2.用锤子打铁时,一会儿铁便会发热。这是靠什么改变物体的内能
提示：1.给自行车轮胎打气,人对胎内气体做功,气体内能增加,所以温度升高。
2.锤子打铁时,锤子对铁块做功,使铁块内能增加,所以会发热。
【归纳提升】
1.做功与内能变化的关系
(1)做功改变物体内能的过程是其他形式的能(如机械能)与内能相互转化的过程。
(2)在绝热过程中,外界对物体做多少功,就有多少其他形式的能转化为内能,物体的内能就增加多少。
2.功与内能的区别
(1)功是过程量,内能是状态量。
(2)在绝热过程中,做功一定能引起内能的变化。
(3)物体的内能大,并不意味着做功多。只有在绝热过程中,内能变化越大时,相应地做功才越多。
画龙点睛 外界对某一系统做功时系统的内能不一定增加,还要看该系统有没有向外放热,以及向外放热的多少。
【典型例题】
【例题1】 如图所示,一定质量的理想气体密封在绝热(即与外界不发生热交换)容器中,容器内装有一可以活动的绝热活塞。今对活塞施以一竖直向下的压力F,使活塞缓慢向下移动一段距离后,气体的体积减小。若忽略活塞与容器壁间的摩擦,则被密封的气体( )
A.温度升高,压强增大,内能减少
B.温度降低,压强增大,内能减少
C.温度升高,压强增大,内能增加
D.温度降低,压强减小,内能增加
解析：由F通过活塞对密闭的理想气体做正功,容器及活塞绝热,知Q=0,由功和内能的关系知理想气体内能增大,温度T升高,再根据 =C知,体积V减小,压强p增大,故选C。
C
科学思维 分析绝热过程的方法
(1)做功可以改变内能。
(2)绝热过程就是系统与外界没有热量交换,即Q=0。
(3)内能的变化有增加和减少两种情况,在绝热条件下,外界对系统做正功,系统内能增加;系统对外界做正功,系统内能减少。
【变式训练1】 一定质量的理想气体经历一缓慢的绝热膨胀过程。设气体分子间的势能可忽略,则在此过程中( )
A.外界对气体做功,气体分子的平均动能增大
B.外界对气体做功,气体分子的平均动能减小
C.气体对外界做功,气体分子的平均动能增大
D.气体对外界做功,气体分子的平均动能减小
解析：绝热膨胀过程是指气体膨胀过程未发生热传递,膨胀过程气体体积增大,气体对外界做功,气体内能减小。由于气体分子间的势能忽略,故气体分子的平均动能减小。故选项D正确。
D
【问题引领】
知识点二
热与内能
1.系统的温度越高,所“含有的热量”越多吗
2.在改变物体的内能方面,做功和热传递所产生的效果是否相同
提示：1.热量可以量度系统热传递过程中内能的变化,与系统温度的高低无关。
2.做功和热传递虽然有本质的区别,但在改变物体的内能方面是等效的。
【归纳提升】
1.热传递的实质
热传递实质上传递的是能量,结果是改变了系统的内能。传递能量的多少用热量来量度。
2.传递的热量与内能改变的关系
(1)在单纯的热传递中,系统从外界吸收多少热量,系统的内能就增加多少。即Q吸=ΔU。
(2)在单纯的热传递中,系统向外界放出多少热量,系统的内能就减少多少。即Q放=-ΔU。
3.改变内能的两种方式的比较
做功是其他形式的能与内能之间的转化,热传递是不同物体间或同一物体不同部分之间内能的转移。
画龙点睛 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。
【典型例题】
【例题2】 (多选)对于热量、功和内能三者的下列说法正确的是( )
A.三者单位相同,物理意义相同
B.热量和功是内能的量度
C.热量和功由过程决定,而内能由物体状态决定
D.系统内能增加了100 J,可能是外界采用绝热方式对系统做功100 J,也可能是外界单纯地对系统传热100 J
解析：热量、功和内能三者尽管单位相同,但物理意义有本质区别,A错。热量和功由过程决定,内能由物体状态决定,热量和功是内能变化的量度,C对,B错。对一个绝热过程ΔU=W=100 J,对一个单纯热传递过程ΔU=Q=100 J,D对。
CD
科学思维 热量和内能的理解要点
(1)热量的概念只有在涉及能量的传递时才有意义,因此不能说物体具有多少热量,只能说物体吸收或放出了多少热量。
(2)在系统与外界只发生热传递时,系统吸收多少热量,系统内能就增加多少;系统放出多少热量,系统内能就减少多少。
【变式训练2】 (多选)关于热传递,下列说法正确的是( )
A.热传递中,热量一定从含热量多的物体传向含热量少的物体
B.两个物体间发生热传递的条件是它们之间有温度差
C.在热传递中热量一定从内能多的物体传向内能少的物体
D.内能相等的两个物体相互接触时,也可能发生热传递
解析：热量的概念只有在涉及热传递时才有意义,所以不能说物体含有多少热量,A错误。物体间发生热传递的条件是物体间存在温度差,B正确。在热传递中,热量一定从温度高的物体传向温度低的物体,温度高的物体内能不一定多,故C错误,D正确。
BD
课堂小结
随堂练习
1.(做功与内能的改变)在绝热过程中,外界压缩气体做功20 J,下列说法正确的是( )
A.气体内能一定增加20 J
B.气体内能增加必定小于20 J
C.气体内能增加可能小于20 J
D.气体内能可能不变
解析：做功的过程是能量转化的过程,在绝热过程中,做多少功,内能就增加多少,所以选项A正确。
A
2.(对热传递的理解)关于热传递,下列说法正确的是( )
A.热传递是高温物体的温度传给低温物体
B.不接触的物体之间不会发生热传递
C.比热容相同的物体之间不会发生热传递
D.温度相同的物体之间不会发生热传递
解析：热传递实质是内能从高温物体转移到低温物体,传递的不是温度,传递的是热量,A项错误。不接触的物体之间可以通过热辐射的方式进行热传递,B项错误。热量总是从温度高的物体传递给温度低的物体,和物体的比热容没有关系,C项错误。温度相同的物体之间不存在温度差,不会发生热传递,D项正确。
D
3.(热传递改变内能)下列各事例通过热传递改变物体内能的是( )
A.车床上车刀切削工件后发热
B.擦火柴时火柴头温度升高
C.用肥皂水淋车刀后车刀降温
D.搓搓手就会觉得手发热
解析：车床上车刀切削工件后发热,擦火柴时火柴头温度升高,搓搓手就会觉得手发热都是通过做功改变物体内能;用肥皂水淋车刀后车刀降温是通过热传递改变物体内能的,选项C正确。
C
4.(物体内能的改变)关于系统的内能,下列说法正确的是( )
A.物体内所有分子的动能与分子势能的总和叫物体的内能
B.一个物体当它的机械能发生变化时,其内能也一定发生变化
C.外界对系统做了多少功W,系统的内能就增加多少,即ΔU=W
D.系统从外界吸收了多少热量Q,系统的内能就增加了多少,即ΔU=Q
解析：在分子动理论中,我们把物体内所有分子的分子热运动动能与分子势能的总和定义为物体的内能,选项A正确。物体的内能与机械能是两个不同的物理概念,两者没有任何关系,故选项B错误。只有当系统与外界绝热时,外界对系统做的功才等于系统内能的增量,同理,只有在单纯的热传递过程中,系统吸收的热量才等于系统内能的增量,故C、D两项错误。
A
本 课 结 束1.功、热和内能的改变
课后训练 巩固提升
基础巩固
1.做功和热传递是等效的,这里指的是( )
A.它们能使物体改变相同的温度
B.它们能使物体增加相同的热量
C.它们能使物体改变相同的内能
D.它们本质上是相同的
答案：C
解析：做功是其他形式的能量转化为内能,功的多少是内能转化的量度;热传递是内能的转移,热量是内能转移的量度。所以两者对改变系统的内能是等效的。
2.在给自行车轮胎打气时,会发现轮胎内空气温度升高,这是因为( )
A.轮胎内气体压强不断增大,而容积不变
B.轮胎从外界吸热
C.外界空气温度本来就高于轮胎内气体温度
D.打气时,外界不断地对轮胎内气体做功
答案：D
解析：给自行车轮胎打气,人对轮胎内气体做功,气体内能增加,所以温度升高。
3.下列关于内能与热量的说法正确的是( )
A.马铃薯所含热量高
B.内能越大的物体热量也越多
C.热量自发地从内能大的物体流向内能小的物体
D.热量自发地从温度高的物体流向温度低的物体
答案：D
解析：选项A是一种很常见的说法,在日常生活中似无须计较,但从物理学的角度来看,却有不妥,热量是过程量,不是状态量,不能像内能那样蕴含在物体中,选项A错。说法B与说法A存在相同的错误,此外,物体的内能与热量之间,在数量上没有必然联系,选项B错。两物体之间热量的流向只与它们的温度有关,与它们的内能无关,选项C错。
4.关于物体的内能和热量,下列说法正确的有( )
A.热水的内能比冷水的内能多
B.温度高的物体其热量必定多,内能必定大
C.在热传递过程中,内能大的物体其内能将减小,内能小的物体其内能将增大,直到两物体的内能相等
D.热量是热传递过程中内能转移的量度
答案：D
解析：物体的内能由温度、体积及物体的质量决定,不只由温度决定,故选项A、B都不对。在自发的热传递过程中,热量是由高温物体传给低温物体,而内能大的物体不一定温度高,在热传递过程中完全有可能内能大的物体内能继续增大,内能小的物体内能继续减小,故选项C是错误的。关于热量的论述,选项D是正确的。
5.(多选)对于热量、功、内能三个量,下列说法正确的是( )
A.热量、功、内能三个量的物理意义是等同的
B.热量和功二者可作为物体内能大小的量度
C.热量、功和内能的国际单位都相同
D.热量和功是由过程决定的,而内能是由物体的状态决定的
答案：CD
解析：热量、功和内能的国际单位都是焦耳,但热量、功和内能三个量的物理意义是不同的,热量和功是过程量,内能是状态量,热量和功二者可作为物体内能改变的量度而不是内能大小的量度。故A、B错误,C、D正确。
6.用5 N的力垂直于活塞推动压缩绝热汽缸中的气体,活塞的位移为0.1 m时,气体内能的变化量是多少 内能增加了还是减少了
答案：增加了0.5 J
解析：外界对气体做功W=Fs=5×0.1 J=0.5 J,气体内能增加,增加量为0.5 J。
能力提升
1.下列实例中说明做功改变了系统的内能的是( )
A.热水袋取暖
B.用双手摩擦给手取暖
C.把手放在火炉旁取暖
D.用嘴对手呵气给手取暖
答案：B
解析：双手摩擦做功,使手的内能增加,感到暖和;A、C、D都是通过热传递来改变系统的内能,选项B正确。
2.景颇族祖先发明的点火器如图所示,用牛角做套筒,木制推杆前端粘着艾绒,猛推推杆,艾绒即可点燃。对筒内封闭的气体,在此压缩过程中( )
A.气体温度升高,压强不变
B.气体温度升高,压强变大
C.气体对外界做正功,气体内能增加
D.外界对气体做正功,气体内能减少
答案：B
解析：压缩气体时,外界对气体做正功,气体内能增加,温度升高,压强增大,选项B对。
3.(多选)用绝热活塞把绝热容器隔成容积相同的两部分,先把活塞锁住,将质量和温度都相同的氢气和氧气分别充入容器的两部分,然后提起销子S,使活塞可以无摩擦地滑动,当活塞平衡时( )
A.氧气的温度不变
B.氢气的压强增大
C.氧气的体积减小
D.氧气的内能变大
答案：CD
解析：质量相同,则H2的分子数多,温度相同表明两气体分子平均动能相同,则H2压强大,释放后,活塞右移,H2体积变大,同时对O2做功,O2的温度升高,内能变大,故选CD。
4.如图所示,活塞将汽缸分成甲、乙两气室,汽缸、活塞(连同拉杆)是绝热的,且不漏气。以E甲、E乙分别表示甲、乙两气室中气体的内能,则在将拉杆缓慢向外拉的过程中( )
A.E甲不变,E乙减小
B.E甲不变,E乙增大
C.E甲增大,E乙不变
D.E甲增大,E乙减小
答案：D
解析：本题解题的关键是明确甲、乙两气室气体都历经绝热过程,内能改变取决于做功的情况。对甲室内的理想气体,在拉杆缓慢向外拉的过程中,活塞左移,压缩气体,外界对甲室气体做功,其内能应增大;对乙室内的气体,活塞左移,气体膨胀,气体对外界做功,内能应减小。
5.出租车常以天然气作为燃料,加气站储气罐中天然气的温度随气温升高的过程中,若储气罐内气体体积及质量均不变,则罐内气体(可视为理想气体)( )
A.压强增大,内能减小
B.吸收热量,内能增大
C.压强减小,分子平均动能增大
D.对外做功,分子平均动能减小
答案：B
解析：质量一定的气体,由理想气体状态方程,体积不变,温度升高,则压强增大,内能增大,故A、C错误。体积不变,气体不做功,内能增大,则吸收热量,故B正确。从微观角度来说,温度升高,分子平均动能增大,故D错误。
6.(1)某同学做了一个小实验:先把空的锥形瓶放入冰箱冷冻,一小时后取出锥形瓶,并迅速把一个气球紧密地套在瓶颈上,然后将锥形瓶放进盛满热水的容器里,气球逐渐膨胀起来,如图所示。这是因为锥形瓶里的气体吸收了水的 ,温度 ,体积 。
(2)若只对一定质量的理想气体做1 500 J的功,可使其温度升高5 K。若改成只用热传递的方式,使气体温度同样升高5 K,那么气体吸收 J的热量。
答案：(1)热量 升高 增大 (2)1 500
解析：(1)锥形瓶内的气体要从热水杯中吸收水的热量,温度升高,体积增大。
(2)做功和热传递都可以改变物体的内能,且是等效的。
