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1．功、热和内能的改变
第三章 热力学定律
整体感知·自我新知初探
[学习任务] 任务1．了解焦耳的两个实验的原理，认识焦耳实验探究对建立热力学规律的意义。
任务2．会用功、能关系构建内能的概念。
任务3．知道做功与传热在改变系统内能上的区别，并会区分热量和内能的概念。
任务4．理解做功与内能改变和传热与内能的改变的关系，会解释相关的现象。
[问题初探] 问题1．盛水的容器采用绝热材料做外皮，目的是什么？
问题2．实验1和实验2中做功的方式相同吗？
问题3．物体的内能和物体内能的改变一样吗？
[思维导图]
探究重构·关键能力达成
[链接教材] 如图所示是焦耳的实验装置，想一想，焦耳的实验为什么要在绝热条件下完成？焦耳实验的重要意义是什么？
知识点一 焦耳的实验
提示：因为吸热也可以使水温升高，所以绝热条件下才可以运用控制变量的思想方法。重要意义是通过实验研究做功与内能改变之间的关系。
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。
吸热
放热
上升
热效应
始末
4．内能：只依赖于热力学系统________的物理量。
自身状态
如图所示，用绝热性良好的材料制作容器，容器中安装着叶片。砝码下落时带动叶片转动，搅拌容器中的水，水的温度上升。
问题1．如何求得该装置机械能的减少量？
问题2．这个实验说明了什么问题？
提示：1．机械能的减少量可由砝码质量和下降的高度求得。
2．做功可以改变物体的内能，只要重力所做的功相同，容器内水温上升的数值就相同，即系统状态的变化是相同的。
焦耳的两个代表性实验
两个实验 实验一 实验二
实验装置
两个实验 实验一 实验二
做功方式 通过重物下落带动叶片搅水，靠叶片与水摩擦使水温升高，通过机械功实现能量的转化 通过重物下落使发电机发电，电流通过电阻丝做功使水温升高，通过电功实现能量的转化
实验条件 容器及其中的水组成的系统与外界绝热
共性 外界对系统做的功数值上相同，系统温度上升的数值相同，内能改变量相同
【典例1】 (对焦耳实验的理解)如图所示是焦耳在研究热与功之间关系的两个典型实验，那么从焦耳的这两个实验中可得出的结论是( )
A．热量可由高温物体传给低温物体
B．机械能守恒
C．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，仅与做功数量有关
D．在各种不同的绝热过程中，系统状态的改变不仅与做功方式有关，还与做功数量有关
√
C [焦耳通过多次实验，最后得到的结论是，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，仅与做功数量有关，故选项C正确，D错误，其余选项不是焦耳实验的结论。故选C。]
【典例2】 (焦耳的实验)下列有关焦耳及焦耳的实验说法正确的是( )
A．焦耳是法国物理学家，他的主要贡献是焦耳定律及测定热功当量
B．焦耳的实验用到的容器可以用普通玻璃容器代替
C．焦耳的实验研究对象是容器中的液体
D．焦耳的实验中要使容器及其中的液体升高相同的温度，实验中悬挂重物的质量、下落的高度可以不相同，但所做的功必须相同
√
D [焦耳是英国物理学家，A错误；焦耳的实验用到的容器要求是绝热的，普通玻璃容器达不到绝热要求，B错误；焦耳的实验研究对象是容器及其中的液体组成的系统，C错误；要使容器及其中的液体升高相同的温度，即内能增加相同，悬挂重物所做的功必须相同，D正确。]
[链接教材] 如图所示，在有机玻璃筒底放少量浸有乙醚的棉花，用力迅速地压下活塞，观察棉花的变化。
知识点二 功与内能的改变
(1)能看到什么现象？该实验现象说明了什么？
(2)用力按下活塞时为什么一定要迅速？
提示：(1)可以看到棉花燃烧起来，该现象说明压缩空气做功，使空气内能增大，温度升高，达到乙醚的着火点后引起棉花燃烧。
(2)迅速压下活塞是为了减少传热，尽量创造一个绝热条件。
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，外界对系统做功，系统的内能____，则W__0；系统对外界做功，系统的内能____，则W__0。
W
绝热
增加
>
减少
＜
打气筒是日常生活中的一种工具，当我们用打气筒给自行车打气时，就是在克服气体压力和摩擦力做功。
问题1．打气的过程中你试着去摸一下打气筒的外壳，有什么感觉？
问题2．这是怎么回事呢？
问题3．在绝热过程，外界对系统做功与系统内能的变化有什么关系？
提示：1．外壳发热。
2．做功的过程是能量转化的过程，做功使得系统的内能增加了，所以温度升高。
3．在绝热过程，外界对系统做多少功，系统内能就增加多少，即ΔU＝W。
1．做功与内能的变化的关系
(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；物体对外界做多少功，就有多少内能转化为其他形式的能，物体的内能就减少多少。用公式表示为ΔU＝U2－U1＝W。
2．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，相应的做功才越多。
[特别提醒] 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。
【典例3】 (功与内能的关系)如图所示，厚壁容器的一端通过胶塞插进一支灵敏温度计和一根气针，另一端有个用卡子卡住的可移动胶塞。用打气筒慢慢向容器内打气，使容器内的压强增大到一定程度，这时读出温度计示数。打开卡子，胶塞冲出容器口后( )
A．温度计示数变大，实验表明气体对外
界做功，内能减少
B．温度计示数变大，实验表明外界对气体做功，内能增加
C．温度计示数变小，实验表明气体对外界做功，内能减少
D．温度计示数变小，实验表明外界对气体做功，内能增加
√
C [胶塞冲出容器口，气体膨胀，对外做功。由于没来得及发生热交换，由W＝ΔU可知，内能减少，温度降低，A、B、D错误，C正确。]
【典例4】 (功与内能的关系)如图所示为某种椅子与其升降部分的结构示意图，M、N两筒间密闭了一定质量的气体，M可沿N的内壁上下滑动，设筒内气体不与外界发生热交换，在M向下滑动的过程中( )
A．外界对气体做功，气体内能增大
B．外界对气体做功，气体内能减小
C．气体对外界做功，气体内能增大
D．气体对外界做功，气体内能减小
√
A [筒内气体不与外界发生热交换，当气体体积变小时，则外界对气体做功，外界对气体做功使气体的内能增大，A正确。]
【教用·备选例题】 (功与内能的关系)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
√
1．传热
两个____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，__从高温物体传到了低温物体。
2．热与内能
(1)热量：它是在单纯的传热过程中系统________的量度。
(2)表达式：ΔU＝__。
知识点三 热与内能的改变
[微提醒] 热量是过程量，不是状态量，不能说系统含有多少热量。
温度
热
内能变化
Q
3．做功和传热在改变系统内能上的区别：做功和传热都能引起系统内能的改变。做功时，内能与其他形式的能发生____，而传热只是不同物体(或一个物体的不同部分)之间内能的____。
转化
转移
“围炉夜话”是中国古代文人认为非常有生活情趣的一种生活方式。在“围炉”的过程中，人的身体并没有和炉子本身发生接触。
问题1．为什么还能够感到温暖？
问题2．现代取暖的方式主要是暖气，暖气和炉子在能量传递方面有什么相同点？
问题3．传热的实质是什么？
问题4．在单纯的传热过程中，怎样计算内能的增加量？
提示：1．炉子和人身体没有发生接触也可以感到温暖，是因为热量可以通过热传递向外扩散。
2．散热方式是相同的。
3．传热的实质是物体内能的转移。
4．当系统从状态1经过单纯的传热到达状态2时，内能的增加量ΔU等于外界对系统传递的热量Q，即ΔU＝Q。
1．传热
(1)传热的三种方式：热传导、热对流和热辐射。
(2)实质：传热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。
(3)传热具有方向性
①热量可以自发地从高温物体传递到低温物体，或从物体的高温部分传递到低温部分，不会自发地从低温物体传递到高温物体或从物体的低温部分传递到高温部分。
②只要存在温度差，传热过程就会进行，与原来物体内能的多少大小无关。
2．传递的热量与内能改变的关系
(1)在单纯传热中，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)在单纯传热时，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．传热与做功在改变系统内能上的异同
(1)相同点：做功和传热都能引起系统内能的改变，对改变系统的内能是等效的。
(2)不同点：做功是内能与其他形式的能之间的转化；传热只是不同物体(或同一物体的不同部分)之间内能的转移。
【典例5】 (对内能与热量的理解)关于物体的内能和热量，下列说法正确的是( )
A．热水的内能比冷水的内能大
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．内能相等的两个物体相互接触时，也可能发生热传递
√
D [物体的内能由温度、体积、物质的量及物态决定，不是只由温度决定，A、B错误；在热传递过程中，热量由高温物体传给低温物体，而与物体的内能大小无关，所以完全有可能是内能大的物体内能继续增大，内能小的物体内能继续减小，也可以在内能相等的两物体之间进行热传递，C错误，D正确。]
【典例6】 (传热与内能的改变)(1)某同学做了一个小实验：先把空的烧瓶放入冰箱冷冻，一小时后取出烧瓶，并迅速把一个气球紧密地套在瓶颈上，然后将烧瓶放进盛满热水的烧杯里，气球逐渐膨胀起来，如图所示。这是因为烧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。若改成只用传热的方式，使气体温度同样升高5 K，
那么气体吸收________J的热量。
热量
升高
增大
1 500
[解析] (1)依题意，气球逐渐膨胀起来是因为烧瓶内的气体要从热水中吸收热量，从而温度升高，体积增大。
(2)做功和传热都可以改变物体的内能，且是等效的。若改成只用传热的方式，使气体温度同样升高5 K，那么气体需要吸收1 500 J的热量。
应用迁移·随堂评估自测
1．(多选)下列关于热传递的说法正确的是( )
A．热量是从含热量较多的物体传到含热量较少的物体
B．热量是从温度较高的物体传到温度较低的物体
C．热量是从内能较大的物体传到内能较小的物体
D．热量是热传递过程中物体内能变化的量度
√
2
4
3
题号
1
BD [热量不是状态量，不能说含有或者具有多少热量，故选项A错误；在热传递的过程中热量总是由温度高的物体传递给温度低的物体，故选项B正确，C错误；热量是热传递过程中物体内能变化的量度，故选项D正确。]
√
2．(多选)下列关于做功和热传递的说法正确的是( )
A．做功和热传递的实质是相同的
B．做功和热传递可以同时发生
C．做功和热传递在改变物体内能上是等效的
D．做功和热传递是对同一过程的两种说法
2
3
题号
1
4
√
√
BC [做功和热传递在改变物体内能上是等效的，但有着本质区别。做功是内能和其他形式能量间的相互转化，外界对物体做功，其他形式的能量转化为物体的内能，物体对外界做功，物体的内能转化为其他形式的能量；而热传递是将高温物体的内能传递给低温物体，或是将同一物体高温部分的内能传递给低温部分。做功和热传递互不影响，所以二者可以同时进行。故B、C正确，A、D错误。]
2
3
题号
1
4
3．如图所示是古人锻造铁器的过程，关于改变物体内能的方式，下列说法正确的是( )
A．加热和锻打属于传热，淬火属于做功
B．加热属于传热，锻打和淬火属于做功
C．加热和淬火属于传热，锻打属于做功
D．加热和淬火属于做功，锻打属于传热
2
3
题号
4
1
√
C [用铁锤锻打铁器，铁器会发热，属于用做功的方式改变物体内能；用火对铁器加热，铁器从火中吸收热量，把铁器放在水中淬火，铁器向水中放出热量，所以加热和淬火属于用传热的方式改变物体内能，故选项C正确。]
2
3
题号
4
1
4．(多选)早些年小孩子常用废圆珠笔芯做一种玩具，铁丝的一端缠绕棉花，用水打湿后从一端塞入笔芯内，将笔芯的另一端用力在马铃薯上戳一下拔出来，然后用力推铁丝，马铃薯小块高速飞出，能打出十几米远。下列说法正确的是 ( )
A．在推铁丝而马铃薯小块未飞出的过
程中，笔芯内密封的气体的温度升高
B．在推铁丝而马铃薯小块未飞出的过程中，气体对外做功
C．马铃薯小块高速飞出的动能来自气体内能
D．马铃薯小块高速飞出时外界对笔芯内气体做功
2
4
3
题号
1
√
√
AC [在快速推铁丝而马铃薯小块未飞出的过程中，外界对笔芯内封闭气体做功，内能增加，气体的温度升高，故A正确，B错误；马铃薯小块高速飞出时，笔芯内气体对马铃薯小块做功，气体内能减小，即马铃薯小块高速飞出的动能来自气体的内能，故C正确，D错误。]
2
4
3
题号
1
回归本节知识，完成以下问题：
1．在绝热过程中，做功与内能变化的关系是什么？
提示：外界对系统做的功等于系统内能的变化量。
2．在单纯的传热过程，热量和内能的改变是什么关系？
提示：在单独的热传递过程中，热量是系统内能变化的量度。
3．热传递的方向性指的是什么？
提示：自发地从高温物体传递到低温物体。
4．传热的实质是什么？
提示：传热的实质是物体间内能的转移。1．功、热和内能的改变
[学习任务] 任务1．了解焦耳的两个实验的原理，认识焦耳实验探究对建立热力学规律的意义。
任务2．会用功、能关系构建内能的概念。
任务3．知道做功与传热在改变系统内能上的区别，并会区分热量和内能的概念。
任务4．理解做功与内能改变和传热与内能的改变的关系，会解释相关的现象。
[问题初探] 问题1．盛水的容器采用绝热材料做外皮，目的是什么？
问题2．实验1和实验2中做功的方式相同吗？
问题3．物体的内能和物体内能的改变一样吗？
[思维导图]
焦耳的实验
[链接教材] 如图所示是焦耳的实验装置，想一想，焦耳的实验为什么要在绝热条件下完成？焦耳实验的重要意义是什么？
提示：因为吸热也可以使水温升高，所以绝热条件下才可以运用控制变量的思想方法。重要意义是通过实验研究做功与内能改变之间的关系。
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。
[微提醒] 内能取决于
如图所示，用绝热性良好的材料制作容器，容器中安装着叶片。砝码下落时带动叶片转动，搅拌容器中的水，水的温度上升。
问题1．如何求得该装置机械能的减少量？
问题2．这个实验说明了什么问题？
提示：1．机械能的减少量可由砝码质量和下降的高度求得。
2．做功可以改变物体的内能，只要重力所做的功相同，容器内水温上升的数值就相同，即系统状态的变化是相同的。
焦耳的两个代表性实验
两个实验 实验一 实验二
实验装置
做功方式 通过重物下落带动叶片搅水，靠叶片与水摩擦使水温升高，通过机械功实现能量的转化 通过重物下落使发电机发电，电流通过电阻丝做功使水温升高，通过电功实现能量的转化
实验条件 容器及其中的水组成的系统与外界绝热
共性 外界对系统做的功数值上相同，系统温度上升的数值相同，内能改变量相同
【典例1】 (对焦耳实验的理解)如图所示是焦耳在研究热与功之间关系的两个典型实验，那么从焦耳的这两个实验中可得出的结论是( )
A．热量可由高温物体传给低温物体
B．机械能守恒
C．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，仅与做功数量有关
D．在各种不同的绝热过程中，系统状态的改变不仅与做功方式有关，还与做功数量有关
C [焦耳通过多次实验，最后得到的结论是，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，仅与做功数量有关，故选项C正确，D错误，其余选项不是焦耳实验的结论。故选C。]
【典例2】 (焦耳的实验)下列有关焦耳及焦耳的实验说法正确的是( )
A．焦耳是法国物理学家，他的主要贡献是焦耳定律及测定热功当量
B．焦耳的实验用到的容器可以用普通玻璃容器代替
C．焦耳的实验研究对象是容器中的液体
D．焦耳的实验中要使容器及其中的液体升高相同的温度，实验中悬挂重物的质量、下落的高度可以不相同，但所做的功必须相同
D [焦耳是英国物理学家，A错误；焦耳的实验用到的容器要求是绝热的，普通玻璃容器达不到绝热要求，B错误；焦耳的实验研究对象是容器及其中的液体组成的系统，C错误；要使容器及其中的液体升高相同的温度，即内能增加相同，悬挂重物所做的功必须相同，D正确。]
功与内能的改变
[链接教材] 如图所示，在有机玻璃筒底放少量浸有乙醚的棉花，用力迅速地压下活塞，观察棉花的变化。
(1)能看到什么现象？该实验现象说明了什么？
(2)用力按下活塞时为什么一定要迅速？
提示：(1)可以看到棉花燃烧起来，该现象说明压缩空气做功，使空气内能增大，温度升高，达到乙醚的着火点后引起棉花燃烧。
(2)迅速压下活塞是为了减少传热，尽量创造一个绝热条件。
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，外界对系统做功，系统的内能增加，则W>0；系统对外界做功，系统的内能减少，则W<0。
打气筒是日常生活中的一种工具，当我们用打气筒给自行车打气时，就是在克服气体压力和摩擦力做功。
问题1．打气的过程中你试着去摸一下打气筒的外壳，有什么感觉？
问题2．这是怎么回事呢？
问题3．在绝热过程，外界对系统做功与系统内能的变化有什么关系？
提示：1．外壳发热。
2．做功的过程是能量转化的过程，做功使得系统的内能增加了，所以温度升高。
3．在绝热过程，外界对系统做多少功，系统内能就增加多少，即ΔU＝W。
1．做功与内能的变化的关系
(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；物体对外界做多少功，就有多少内能转化为其他形式的能，物体的内能就减少多少。用公式表示为ΔU＝U2－U1＝W。
2．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，相应的做功才越多。
[特别提醒] 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。
【典例3】 (功与内能的关系)如图所示，厚壁容器的一端通过胶塞插进一支灵敏温度计和一根气针，另一端有个用卡子卡住的可移动胶塞。用打气筒慢慢向容器内打气，使容器内的压强增大到一定程度，这时读出温度计示数。打开卡子，胶塞冲出容器口后( )
A．温度计示数变大，实验表明气体对外界做功，内能减少
B．温度计示数变大，实验表明外界对气体做功，内能增加
C．温度计示数变小，实验表明气体对外界做功，内能减少
D．温度计示数变小，实验表明外界对气体做功，内能增加
C [胶塞冲出容器口，气体膨胀，对外做功。由于没来得及发生热交换，由W＝ΔU可知，内能减少，温度降低，A、B、D错误，C正确。]
【典例4】 (功与内能的关系)如图所示为某种椅子与其升降部分的结构示意图，M、N两筒间密闭了一定质量的气体，M可沿N的内壁上下滑动，设筒内气体不与外界发生热交换，在M向下滑动的过程中( )
A．外界对气体做功，气体内能增大
B．外界对气体做功，气体内能减小
C．气体对外界做功，气体内能增大
D．气体对外界做功，气体内能减小
A [筒内气体不与外界发生热交换，当气体体积变小时，则外界对气体做功，外界对气体做功使气体的内能增大，A正确。]
【教用·备选例题】 (功与内能的关系)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
C [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，体积V减小，压强p增大，故C正确。]
热与内能的改变
1．传热
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
(1)热量：它是在单纯的传热过程中系统内能变化的量度。
(2)表达式：ΔU＝Q。
[微提醒] 热量是过程量，不是状态量，不能说系统含有多少热量。
3．做功和传热在改变系统内能上的区别：做功和传热都能引起系统内能的改变。做功时，内能与其他形式的能发生转化，而传热只是不同物体(或一个物体的不同部分)之间内能的转移。
“围炉夜话”是中国古代文人认为非常有生活情趣的一种生活方式。在“围炉”的过程中，人的身体并没有和炉子本身发生接触。
问题1．为什么还能够感到温暖？
问题2．现代取暖的方式主要是暖气，暖气和炉子在能量传递方面有什么相同点？
问题3．传热的实质是什么？
问题4．在单纯的传热过程中，怎样计算内能的增加量？
提示：1．炉子和人身体没有发生接触也可以感到温暖，是因为热量可以通过热传递向外扩散。
2．散热方式是相同的。
3．传热的实质是物体内能的转移。
4．当系统从状态1经过单纯的传热到达状态2时，内能的增加量ΔU等于外界对系统传递的热量Q，即ΔU＝Q。
1．传热
(1)传热的三种方式：热传导、热对流和热辐射。
(2)实质：传热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。
(3)传热具有方向性
①热量可以自发地从高温物体传递到低温物体，或从物体的高温部分传递到低温部分，不会自发地从低温物体传递到高温物体或从物体的低温部分传递到高温部分。
②只要存在温度差，传热过程就会进行，与原来物体内能的多少大小无关。
2．传递的热量与内能改变的关系
(1)在单纯传热中，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)在单纯传热时，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．传热与做功在改变系统内能上的异同
(1)相同点：做功和传热都能引起系统内能的改变，对改变系统的内能是等效的。
(2)不同点：做功是内能与其他形式的能之间的转化；传热只是不同物体(或同一物体的不同部分)之间内能的转移。
【典例5】 (对内能与热量的理解)关于物体的内能和热量，下列说法正确的是( )
A．热水的内能比冷水的内能大
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．内能相等的两个物体相互接触时，也可能发生热传递
D [物体的内能由温度、体积、物质的量及物态决定，不是只由温度决定，A、B错误；在热传递过程中，热量由高温物体传给低温物体，而与物体的内能大小无关，所以完全有可能是内能大的物体内能继
续增大，内能小的物体内能继续减小，也可以在内能相等的两物体之间进行热传递，C错误，D正确。]
【典例6】 (传热与内能的改变)(1)某同学做了一个小实验：先把空的烧瓶放入冰箱冷冻，一小时后取出烧瓶，并迅速把一个气球紧密地套在瓶颈上，然后将烧瓶放进盛满热水的烧杯里，气球逐渐膨胀起来，如图所示。这是因为烧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。若改成只用传热的方式，使气体温度同样升高5 K，那么气体吸收________J的热量。
[解析] (1)依题意，气球逐渐膨胀起来是因为烧瓶内的气体要从热水中吸收热量，从而温度升高，体积增大。
(2)做功和传热都可以改变物体的内能，且是等效的。若改成只用传热的方式，使气体温度同样升高5 K，那么气体需要吸收1 500 J的热量。
[答案] (1)热量 升高 增大 (2)1 500
1．(多选)下列关于热传递的说法正确的是( )
A．热量是从含热量较多的物体传到含热量较少的物体
B．热量是从温度较高的物体传到温度较低的物体
C．热量是从内能较大的物体传到内能较小的物体
D．热量是热传递过程中物体内能变化的量度
BD [热量不是状态量，不能说含有或者具有多少热量，故选项A错误；在热传递的过程中热量总是由温度高的物体传递给温度低的物体，故选项B正确，C错误；热量是热传递过程中物体内能变化的量度，故选项D正确。]
2．(多选)下列关于做功和热传递的说法正确的是( )
A．做功和热传递的实质是相同的
B．做功和热传递可以同时发生
C．做功和热传递在改变物体内能上是等效的
D．做功和热传递是对同一过程的两种说法
BC [做功和热传递在改变物体内能上是等效的，但有着本质区别。做功是内能和其他形式能量间的相互转化，外界对物体做功，其他形式的能量转化为物体的内能，物体对外界做功，物体的内能转化为其他形式的能量；而热传递是将高温物体的内能传递给低温物体，或是将同一物体高温部分的内能传递给低温部分。做功和热传递互不影响，所以二者可以同时进行。故B、C正确，A、D错误。]
3．如图所示是古人锻造铁器的过程，关于改变物体内能的方式，下列说法正确的是( )
A．加热和锻打属于传热，淬火属于做功
B．加热属于传热，锻打和淬火属于做功
C．加热和淬火属于传热，锻打属于做功
D．加热和淬火属于做功，锻打属于传热
C [用铁锤锻打铁器，铁器会发热，属于用做功的方式改变物体内能；用火对铁器加热，铁器从火中吸收热量，把铁器放在水中淬火，铁器向水中放出热量，所以加热和淬火属于用传热的方式改变物体内能，故选项C正确。]
4．(多选)早些年小孩子常用废圆珠笔芯做一种玩具，铁丝的一端缠绕棉花，用水打湿后从一端塞入笔芯内，将笔芯的另一端用力在马铃薯上戳一下拔出来，然后用力推铁丝，马铃薯小块高速飞出，能打出十几米远。下列说法正确的是 ( )
A．在推铁丝而马铃薯小块未飞出的过程中，笔芯内密封的气体的温度升高
B．在推铁丝而马铃薯小块未飞出的过程中，气体对外做功
C．马铃薯小块高速飞出的动能来自气体内能
D．马铃薯小块高速飞出时外界对笔芯内气体做功
AC [在快速推铁丝而马铃薯小块未飞出的过程中，外界对笔芯内封闭气体做功，内能增加，气体的温度升高，故A正确，B错误；马铃薯小块高速飞出时，笔芯内气体对马铃薯小块做功，气体内能减小，
即马铃薯小块高速飞出的动能来自气体的内能，故C正确，D错误。]
回归本节知识，完成以下问题：
1．在绝热过程中，做功与内能变化的关系是什么？
提示：外界对系统做的功等于系统内能的变化量。
2．在单纯的传热过程，热量和内能的改变是什么关系？
提示：在单独的热传递过程中，热量是系统内能变化的量度。
3．热传递的方向性指的是什么？
提示：自发地从高温物体传递到低温物体。
4．传热的实质是什么？
提示：传热的实质是物体间内能的转移。
课时分层作业(十)
?题组一 焦耳的实验
1．关于如图所示的实验，下列说法正确的是( )
A．图甲，迅速下压活塞，棉花会燃烧起来，说明热传递可以使物体的温度升高
B．图乙，重物下落带动叶片转动，由于叶片向水传递热量而使水的温度升高
C．图丙，降落的重物使发电机发电，电流对液体做功使液体的温度升高
D．由以上实验可知，做功可以使系统的内能增加
D [题图甲中迅速下压活塞，棉花会燃烧起来，说明做功可以改变气体的内能，进而使温度升高，A错误；题图乙中重物下落带动叶片转动搅拌容器中的水，水由于摩擦生热而温度上升，B错误；题图丙中降落的重物使发电机发电，电流通过电阻丝放热使液体升温，C错误；题图所示的三个实验本质上均是外界对系统做功而使系统的内能增加，D正确。]
?题组二 功与内能的改变
2．如图所示的实验装置中，把浸有乙醚的一小块棉花放在厚玻璃筒内底部，当很快向下压活塞时，由于被压缩的气体骤然变热，温度升高达到乙醚的燃点，使浸有乙醚的棉花燃烧起来，此实验的目的是要说明对物体( )
A．做功可以增加物体的热量
B．做功可以改变物体的内能
C．做功一定会升高物体的温度
D．做功一定可以使物态发生变化
B [当用力压活塞时，活塞压缩玻璃筒内的空气，对空气做功，空气的内能增加，温度升高，当达到乙醚着火点时，筒内棉花就会燃烧起来，此实验说明外界对物体做功，物体的内能增加。故选B。]
3．(多选)下面例子中，通过做功改变物体的内能的是( )
A．太阳把地面晒热
B．刹车时轮胎变热
C．汽缸内的气体被压缩，气体温度升高
D．用砂轮磨刀具时，刀具温度升高
BCD [太阳把地面晒热是光能转化为内能，属于热传递，故A错误；刹车时轮胎变热，是机械能转化为内能，是通过做功改变物体的内能，故B正确；汽缸内气体被压缩，气体温度升高，是机械能转化为内能，是通过做功改变物体的内能，故C正确；用砂轮磨刀具时，刀具温度升高，是机械能转化为内能，是通过做功改变物体的内能，故D正确。故选BCD。]
4．如图所示，某汽车机舱盖的支撑杆由汽缸和活塞组成。打开机舱盖时，汽缸内密闭压缩气体膨胀，将机舱盖顶起。在此过程中，汽缸内气体可视为理想气体，忽略缸内气体与外界的热交换。对于汽缸内的气体，下列说法正确的是( )
A．对外做正功，内能增大
B．对外做负功，内能减小
C．对外做正功，分子平均动能增大
D．对外做正功，分子平均动能减小
D [打开机舱盖时，汽缸内密闭压缩气体膨胀，气体对外做正功，忽略缸内气体与外界的热交换，内能减小，温度降低，分子平均动能减小。]
5．如图所示，在紫铜管内滴入乙醚，盖紧管塞，用手拉住绳子两端迅速往复拉动，管塞会被冲开。管塞被冲开前( )
A．外界对管内气体做功，气体内能增加
B．管内气体对外界做功，气体内能减小
C．管内气体内能不变，压强变大
D．管内气体内能增加，压强变大
D [克服绳与紫铜管间的摩擦做功，使管壁内能增加，温度升高，由于传热使得乙醚的温度升高，直至沸腾，管塞会被冲开，管塞被冲开前管内气体内能增加，压强变大。]
?题组三 热与内能的改变
6．下列生活实例中通过热传递改变物体内能的是( )
A．野外生存中利用钻木取火
B．暖手宝可以使手变得暖和
C．搓搓手可以让手变得暖和
D．铁钉被锤子敲打后会升温
B [野外生存中利用钻木取火是做功改变内能，选项A错误；暖手宝可以使手变得暖和是热传递改变内能，选项B正确；搓搓手可以让手变得暖和是做功改变内能，选项C错误；铁钉被锤子敲打后会升温是做功改变内能，选项D错误。故选B。]
7．(多选)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．物体的分子平均动能可能不变
BD [在外界不做功的情况下，系统内能的改变量等于传递的热量，内能增加，一定是吸收了相等能量的热量，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，物体分子的平均动能有可能不变，吸收的50 J热量可能全部用来增加分子势能，故C错误，D正确。]
8．(多选)如图所示，绝热汽缸中间用固定栓将可无摩擦移动的导热隔板固定，隔板质量不计，左右两室分别充有一定量的氢气和氧气(视为理想气体)。初始时，两室的气体温度相等，氢气的压强大于氧气的压强，松开固定栓直至系统重新达到平衡，下列说法正确的是( )
A．初始时氢分子的平均动能等于氧分子的平均动能
B．系统重新达到平衡时，氢气的内能比初始时的小
C．松开固定栓至系统重新达到平衡的过程中，有热量从氧气传到氢气
D．松开固定栓至系统重新达到平衡的过程中，氧气的内能先增大后减小
ACD [温度是分子平均动能的标志，温度相同，分子的平均动能相同，与分子质量无关，两部分气体温度相同，故分子的平均动能相同，故A正确；松开固定栓至系统达到平衡过程中，先是氢气对氧气做功，内能减少，氧气内能增加，温度升高，由于存在温度差，发生热传递，最后两者温度相同，故氧气内能又减小，等于初始值，所以两种气体的内能与初始时相同，故B错误，C、D正确。]
9．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
D [对甲室内的气体，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，内能减小。]
10．(多选)如图所示，天然气水合物是水和天然气在高压和低温条件下混合时产生的一种固态物质，外貌极像冰雪或固体酒精，点火即可燃烧，有“可燃冰”“固体瓦斯”之称，开采时只需将固体的“天然气水合物”升温减压就可释放出大量的甲烷气体。可燃冰的形成过程可简化为把甲烷气体压缩到低温的“容器”中，开采时通过升温再把甲烷气体从“容器”中释放出来，不考虑分子势能，以下说法正确的是( )
A．可燃冰在开采时气体对外做功，内能变小
B．可燃冰在开采时气体对外做功，又从外界吸热，内能变大
C．可燃冰在形成时外界对气体做功，内能变大
D．可燃冰在形成时外界对气体做功，气体又对外放热，内能变小
BD [由题意可知，可燃冰在开采过程中要对其加热升温，气体温度升高，体积变大，对外做功，同时又从外界吸热，内能变大，A错误，B正确；可燃冰的形成条件是低温高压，所以形成可燃冰过程中外界对气体做功，但气体温度降低，对外放热，内能减小，C错误，D正确。]
11．(多选)如图所示，绝热的汽缸与绝热的活塞A、B密封一定质量的理想气体后水平放置在光滑地面上，不计活塞与汽缸壁的摩擦，现用电热丝给汽缸内的气体加热，在加热过程中，下列说法正确的是( )
A．汽缸仍保持静止
B．活塞A、B均向左移动
C．密封气体的内能一定增加
D．汽缸中单位时间内作用在活塞A和活塞B上的分子个数相同
AC [对汽缸整体分析，外部各个方向上受到大气的压力平衡，所以汽缸保持静止，A正确；用电热丝给汽缸内的气体加热后，汽缸内的气体温度升高，内、外压强相等，活塞缓慢移动，A将向左移动，B向右移动，B错误；一定质量的理想气体内能只跟温度有关，温度升高，密封气体的内能一定增加，C正确；封闭气体向各个方向的压强相等，A的面积大，则汽缸内单位时间内作用在活塞A的分子个数较多，D错误。]
12．某大型宾馆在楼顶安装了10台相同的太阳能热水器，每台热水器的水箱容积为200 L。在夏季光照条件下，一满箱15 ℃的水经白天太阳能加热，温度可达到65 ℃。已知水的比热容为4.2×103 J/(kg·℃)，天然气的热值为8.4×107 J/kg。
(1)10台热水器装满水时，求温度从15 ℃升高到65 ℃吸收的热量。
(2)若这些热量由完全燃烧天然气提供，则需要多少千克天然气？
[解析] (1)一满箱水的体积V＝200 L＝0.2 m3，一满箱水的质量m＝ρV＝1.0×103×0.2 kg＝200 kg；一满箱水的温度从15 ℃升高到65 ℃吸收的热量Q吸＝c水mΔt＝4.2×103×200×(65－15)J＝4.2×107 J，10台热水器装满水时，温度从15 ℃升高到65 ℃吸收的热量Q＝nQ吸＝10×4.2×107 J＝4.2×108 J。
(2)设10台热水器获得的太阳能相当于质量为M的天然气全部燃烧释放出的热量，即
Q放＝Mq＝4.2×108J
得M＝5 kg。
[答案] (1)4.2×108 J (2)5 kg
