第三章　1　功、热和内能的改变 学案（学生版+教师版）—2024年春高中物理人教版选择性必修三

第三章　热力学定律
1　功、热和内能的改变
[学习目标]　
1.了解焦耳的两个实验的原理，知道做功和传热的实质。
2.知道做功和传热是改变内能的两种方式，明确两种方式的区别(重难点)。
3.明确内能、功、热量、温度四个物理量的区别和联系。
一、焦耳的实验
1．绝热过程：系统不从外界________，也不向外界________的过程。
2．代表性实验
(1)重物下落时带动叶片转动，搅拌容器中的水，水由于摩擦而温度________。
(2)通过电流的________给液体加热。
3．实验结论：在热力学系统的绝热过程中，外界对系统做的功仅由过程的________两个状态决定，不依赖于做功的具体过程和方式。
4．内能：只依赖于热力学系统____________的物理量。
1．在焦耳研究功与热等效性的实验中，为什么要求盛水的容器采用绝热材料做外皮？
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2．在教材图3.1－1和图3.1－2 所示的两个实验中，各是什么形式的能转化为系统的内能？
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二、功与内能的改变
在空气压缩引火仪底部放置少量的硝化棉，迅速压下筒中的活塞，可以观察到硝化棉燃烧的火苗。为什么筒底的硝化棉会被点燃呢？
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1．功与内能的改变
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，等于外界对系统所做的功W，即ΔU＝________。
2．理解
(1)ΔU＝W的适用条件是________过程。
(2)在绝热过程中，外界对物体做功，则W________0外界对物体做多少功，物体的内能就________多少，物体对外界做功，则W________0，物体对外界做多少功，物体的内能就________多少。
如图所示，用隔板将一绝热汽缸分成两部分，隔板左侧充有理想气体，右侧与绝热活塞之间是真空的。现将隔板抽开，气体会自发扩散至整个汽缸。待气体达到稳定后，缓慢推压活塞，将气体压回到原来的体积。假设整个系统不漏气，则气体自发扩散前后内能变化了吗？为什么？气体在被压缩的过程中内能如何变化？为什么？
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例1　(2022·南京市高二期末)骑行山地车是一种健康的运动方式。山地车前轮有特殊的气压式减震装置，其结构如图。在路面不平时，车身颠簸，活塞上下振动，起到减震的目的。缸内气体可视为理想气体，震动引起的气体状态变化时间很短，可看成绝热过程，则活塞迅速下压时(　　)
A．缸内气体内能不变
B．缸内气体对外界做功
C．缸内气体分子的平均动能增加
D．缸内每个气体分子对汽缸壁的撞击力都增大
例2　如图所示，一个质量为20 kg的绝热汽缸竖直放置，绝热活塞的质量为5 kg，面积为0.1 m2，处于静止状态时，被封闭气体的高度为50 cm，现在活塞上方加一质量为15 kg的物体，待稳定后，被封闭气体的高度变为40 cm。求在这一过程中气体的内能增加了多少。(p0＝1.01×105 Pa，g取10 m/s2)
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功与内能的区别
(1)功是过程量，内能是状态量。
(2)物体的内能大，并不意味着外界对它做功多，只有在绝热过程中，内能变化越大时相应做的功越多。
三、热与内能的改变
1．传热
(1)条件：物体的________不同。
(2)传热：热从__________物体传到了________物体。
2．热和内能
(1)热量：在单纯的传热过程中系统_________________________________________
变化的量度。
(2)热与内能的改变
①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等于外界向系统传递的热量Q，即ΔU＝________________________________________________。
②理解：在单纯传热的过程中，系统从外界吸收热量，则Q____0，系统从外界吸收了多少热量，系统的内能就________多少，系统向外界放热，则Q______0，系统向外界放了多少热量，系统的内能就________多少。
3．传热与做功在改变系统内能上的异同
(1)做功和传热都能引起系统______的改变。
(2)做功时，内能与其他形式的能(如内能与机械能、内能与电能等)发生______；传热只是不同物体(或一个物体的不同部分)之间内能的________。
1．如图所示是传热的三种方式——传导、对流和辐射。这三种方式在传递能量时有什么共同点？
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2．一根金属棒的温度升高了，也就是说它的内能增加了，你能判断出它是通过哪种方式增加内能的吗？为什么？
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(1)热量一定从内能多的物体传递给内能少的物体。(　　)
(2)做功和传热都可以改变物体的内能，从效果上是等效的。(　　)
(3)传热只能发生在两个物体间，同一物体不能发生传热。(　　)
例3　下列现象中，通过传热的方法来改变物体内能的是(　　)
A．打开电灯开关，灯丝的温度升高，内能增加
B．太阳能热水器在阳光照射下，水的温度逐渐升高
C．用磨刀石磨刀时，刀片的温度升高，内能增加
D．打击铁钉，铁钉的温度升高，内能增加
例4　在外界不做功的情况下，物体的内能增加了50 J，下列说法正确的是(　　)
A．一定是物体放出了50 J的热量
B．一定是物体吸收了50 J的热量
C．一定是物体分子动能增加了50 J
D．物体分子的分子势能增加了50 J
例5　对于热量、功和内能三个物理量，下列说法中正确的是(　　)
A．热量和功与过程有关，而内能与状态有关
B．热量、功和内能的物理意义相同
C．热量和功都可以作为内能的量度
D．内能大的物体具有的热量多
热量、温度与内能的区别
1．热量是系统内能变化的量度，而温度是系统内大量分子做无规则运动剧烈程度的标志，传热的前提是两个系统之间要有温度差，传递的是热量而不是温度。
2．内能是状态量，热量是过程量。热量只有在涉及能量的转移时才有意义。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。
3．物体的内能大，并不意味着传热多。只有在仅传热过程中，内能变化越大时，相应的传热才越多。
1　功、热和内能的改变
[学习目标]　1.了解焦耳的两个实验的原理，知道做功和传热的实质。2.知道做功和传热是改变内能的两种方式，明确两种方式的区别(重难点)。3.明确内能、功、热量、温度四个物理量的区别和联系。
一、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。
2．代表性实验
(1)重物下落时带动叶片转动，搅拌容器中的水，水由于摩擦而温度上升。
(2)通过电流的热效应给液体加热。
3．实验结论：在热力学系统的绝热过程中，外界对系统做的功仅由过程的始末两个状态决定，不依赖于做功的具体过程和方式。
4．内能：只依赖于热力学系统自身状态的物理量。
1．在焦耳研究功与热等效性的实验中，为什么要求盛水的容器采用绝热材料做外皮？
答案　隔绝与外界热量的交换，使水温度的升高只由叶片搅拌引起。
2．在教材图3.1－1和图3.1－2 所示的两个实验中，各是什么形式的能转化为系统的内能？
答案　(1)重物下落，减少的重力势能转为系统的内能；(2)重物带动发电机工作，将机械能转化为电能，发电机工作，将电能转化为液体的内能。
二、功与内能的改变
在空气压缩引火仪底部放置少量的硝化棉，迅速压下筒中的活塞，可以观察到硝化棉燃烧的火苗。为什么筒底的硝化棉会被点燃呢？
答案　外界对筒内气体做功，使气体内能增加，温度升高，达到硝化棉的燃点后引起硝化棉燃烧。
1．功与内能的改变
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，等于外界对系统所做的功W，即ΔU＝W。
2．理解
(1)ΔU＝W的适用条件是绝热过程。
(2)在绝热过程中，外界对物体做功，则W>0外界对物体做多少功，物体的内能就增加多少，物体对外界做功，则W<0，物体对外界做多少功，物体的内能就减少多少。
如图所示，用隔板将一绝热汽缸分成两部分，隔板左侧充有理想气体，右侧与绝热活塞之间是真空的。现将隔板抽开，气体会自发扩散至整个汽缸。待气体达到稳定后，缓慢推压活塞，将气体压回到原来的体积。假设整个系统不漏气，则气体自发扩散前后内能变化了吗？为什么？气体在被压缩的过程中内能如何变化？为什么？
答案　气体向真空扩散过程中不对外做功，且又因为汽缸绝热，可知气体自发扩散前后内能不变；
气体在被压缩的过程中活塞对气体做功，因汽缸绝热，则气体内能增大。
例1　(2022·南京市高二期末)骑行山地车是一种健康的运动方式。山地车前轮有特殊的气压式减震装置，其结构如图。在路面不平时，车身颠簸，活塞上下振动，起到减震的目的。缸内气体可视为理想气体，震动引起的气体状态变化时间很短，可看成绝热过程，则活塞迅速下压时(　　)
A．缸内气体内能不变
B．缸内气体对外界做功
C．缸内气体分子的平均动能增加
D．缸内每个气体分子对汽缸壁的撞击力都增大
答案　C
解析　活塞迅速下压时，气体体积减小，外界对气体做功，因汽缸绝热，则气体内能增加，温度升高，缸内气体分子的平均动能增加，但并非每个气体分子的动能都增加，即不是缸内每个气体分子对汽缸壁的撞击力都增大，故选项C正确，A、B、D错误。
例2　如图所示，一个质量为20 kg的绝热汽缸竖直放置，绝热活塞的质量为5 kg，面积为0.1 m2，处于静止状态时，被封闭气体的高度为50 cm，现在活塞上方加一质量为15 kg的物体，待稳定后，被封闭气体的高度变为40 cm。求在这一过程中气体的内能增加了多少。(p0＝1.01×105 Pa，g取10 m/s2)
答案　1 030 J
解析　由于汽缸及活塞均绝热，故外界对气体所做的功全部转化为气体的内能，即ΔU＝W外＝(m活塞＋m物体)gΔh＋p0SΔh＝(5＋15)×10×0.1 J＋1.01×105×0.1×0.1 J＝1 030 J。
功与内能的区别
(1)功是过程量，内能是状态量。
(2)物体的内能大，并不意味着外界对它做功多，只有在绝热过程中，内能变化越大时相应做的功越多。
三、热与内能的改变
1．传热
(1)条件：物体的温度不同。
(2)传热：热从高温物体传到了低温物体。
2．热和内能
(1)热量：在单纯的传热过程中系统内能变化的量度。
(2)热与内能的改变
①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等于外界向系统传递的热量Q，即ΔU＝Q。
②理解：在单纯传热的过程中，系统从外界吸收热量，则Q>0，系统从外界吸收了多少热量，系统的内能就增加多少，系统向外界放热，则Q<0，系统向外界放了多少热量，系统的内能就减少多少。
3．传热与做功在改变系统内能上的异同
(1)做功和传热都能引起系统内能的改变。
(2)做功时，内能与其他形式的能(如内能与机械能、内能与电能等)发生转化；传热只是不同物体(或一个物体的不同部分)之间内能的转移。
1．如图所示是传热的三种方式——传导、对流和辐射。这三种方式在传递能量时有什么共同点？
答案　三种方式都是热量从一个物体传递到另一个物体。
2．一根金属棒的温度升高了，也就是说它的内能增加了，你能判断出它是通过哪种方式增加内能的吗？为什么？
答案　不能，因为做功和传热都能改变物体的内能。
(1)热量一定从内能多的物体传递给内能少的物体。(　×　)
(2)做功和传热都可以改变物体的内能，从效果上是等效的。(　√　)
(3)传热只能发生在两个物体间，同一物体不能发生传热。(　×　)
例3　下列现象中，通过传热的方法来改变物体内能的是(　　)
A．打开电灯开关，灯丝的温度升高，内能增加
B．太阳能热水器在阳光照射下，水的温度逐渐升高
C．用磨刀石磨刀时，刀片的温度升高，内能增加
D．打击铁钉，铁钉的温度升高，内能增加
答案　B
解析　打开电灯开关，灯丝的温度升高，是通过电流做功的方法来改变物体内能的，A错误；太阳能热水器中水的内能增加是以传热方式进行的，B正确；用磨刀石磨刀时，刀片温度升高，是通过做功的方法来改变物体内能的，C错误；打击铁钉，铁钉温度升高，是通过做功的方法来改变物体内能的，D错误。
例4　在外界不做功的情况下，物体的内能增加了50 J，下列说法正确的是(　　)
A．一定是物体放出了50 J的热量
B．一定是物体吸收了50 J的热量
C．一定是物体分子动能增加了50 J
D．物体分子的分子势能增加了50 J
答案　B
解析　在外界不做功的情况下，内能的变化量等于外界向物体传递的热量，内能增加50 J，一定是物体吸收了50 J的热量，故A错误，B正确；物体内能包括所有分子的动能和势能，内能由分子数、分子平均动能、分子势能共同决定，所以内能增加了50 J并不一定是分子动能增加了50 J，也不一定是分子势能增加了50 J，故C、D错误。
例5　对于热量、功和内能三个物理量，下列说法中正确的是(　　)
A．热量和功与过程有关，而内能与状态有关
B．热量、功和内能的物理意义相同
C．热量和功都可以作为内能的量度
D．内能大的物体具有的热量多
答案　A
解析　热量和功是过程量，与过程有关，而内能是状态量，与状态有关，故A正确；热量、功和内能是三个不同的物理量，它们的物理意义不同，热量反映了物体内能的变化的多少，功是能量转化的量度，内能是物体内所有分子动能和势能之和，做功和热量都可以作为改变物体内能变化的量度，而不是内能的量度，故B、C错误；热量是过程量，不是状态量，不能说内能大的物体具有的热量多，故D错误。
热量、温度与内能的区别
1．热量是系统内能变化的量度，而温度是系统内大量分子做无规则运动剧烈程度的标志，传热的前提是两个系统之间要有温度差，传递的是热量而不是温度。
2．内能是状态量，热量是过程量。热量只有在涉及能量的转移时才有意义。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。
3．物体的内能大，并不意味着传热多。只有在仅传热过程中，内能变化越大时，相应的传热才越多。