江苏省盐城市时杨中学（人教版）高二物理选修3-3学案：10.1功和内能

10.1功和内能
10.2
热和内能
一、课前预习：
（一）功和内能
1.焦耳的实验:
(1)绝热过程:系统只由于外界对它做功而
( http: / / www.21cnjy.com )与外界交换_____,它不从外界_____,也不向外界_____。(2)代表性实验:①重物下落带动叶片搅拌容器中的水,引起水温_____。②通过电流的_______给水加热。
(3)实验结论:要使系统状态通过绝热过程发生变化,做功的数量只由过程始末两个状态决定,而与做功的_____无关。
2.功和内能:
(1)内能:任何一个热力学系统都必定存在一个只依赖于系统_________的物理量,这个物理量在两个状态间的差别与外界在_____过程中对系统所做的功相联系。鉴于功是能量_____的量度,所以这个物理量必定是系统的一种能量,我们把它称为系统的内能。
(2)功和内能:在绝热过程中,外界对系统做的功等于系统内能的增加量,即______。
（二）热和内能
1.热传递:(1)条件:物体的_____不同。
(2)定义: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.热和内能:(1)热量:它是在单纯的传热过程中系统_____变化的量度。
(2)表达式:________。(3)热传递与做功在改变系统内能上的异同:①做功和热传递都能引起系统_____的改变。②做功时是内能与其他形式能的
_____;热传递只是不同物体(或一个物体的不同部分)之间___________。
二、课堂探究：
探究一、探究做功和物体内能的变化
1、如何判断物体内能的变化 如何计算物体内能的增量
2、焦耳的两个实验说明了什么
探究二、探究热传递和内能
1.热传递的条件是什么 热传递的实质是什么
2.在单纯的热传递过程中,怎样计算内能的增量
3.根据Q=ΔU,能否说热量就是内能
三、课堂训练：
1、拥有私家车的人们越来越多,说明人们生活水平不断提高。某汽车的发动机汽缸内装有汽油与空气的混合气体,如图所示,要使该混合气体达到其燃点,则
(
)
A.迅速向外拉活塞
B.迅速向里推活塞
C.缓慢向里推活塞
D.缓慢向外拉活塞
2、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
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
3、关于系统的内能,下列说法中正确的是
(
)
A.物体内所有分子的平均动能与分子势能的总和叫物体的内能
B.当一个物体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,系统的内能就增加多少,即ΔU=Q
E.做功和热传递在改变物体的内能上是等效的,但两者也有不同
四、课后练习：
4、如图所示,一定质量的理想气体密封在绝热容器中,容器内装有一可以活动的绝热活塞。今对活塞施以竖直向下的压力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力,则被封闭的气体
(
)
A.温度升高,内能减少
B.温度降低,内能减少
C.温度升高,内能增加
D.温度降低,内能增加
5、关于热传递,下列说法正确的是
(
)
A.热传递的实质是温度的传递
B.物体间存在温度差,才能发生热传递
C.两物体温度相等时也可以发生热传递
D.物体内能发生改变,一定是吸收或放出了热量
6、关于做功和热传递与物体内能变化的关系,下列说法中正确的是
(
)
A.做功和热传递的实质是相同的
B.做功和热传递是不可能同时发生的
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中的两种说法
7、关于物体的机械能和内能,下列说法中正确的是
(
)
A.机械能为零时,内能为零
B.机械能为零时,内能不为零
C.机械能增大时,内能一定增大
D.内能增大时,机械能也一定增大
10.2热力学第一定律
能量守恒定律
一、课前预习：
（一）热力学第一定律
1.功和热:改变系统的状态,___
__和_______这两种方法是等效的,即一定数量的功与确定数量的热相对应。
2.热力学第一定律:
(1)内容:一个热力学系统的内能_____等于外界向它传递的_____与外界对它所做的___的和。
(2)表达式:________。
（二）能量守恒定律
1.能量守恒定律:(1)内容:能量既不会凭空_____,也不会凭空_____,它只能从一种形式_____为另一种形式,或者从一个物体_____到别的物体,在转化或转移的过程中,能量的_____保持不变。
(2)意义:①各种形式的能可以相互_____。
②各种互不相关的物理现象可以用_________定律联系在一起。
2.第一类永动机不可能制成:
(1)第一类永动机:不需要任何动力或燃料,却能不断地__________的机器。
(2)第一类永动机不可能制成的原因:违背了_________定律。
(3)意义:正是历史上设计永动机的失败,才使后人的思考走上了正确的道路。
二、课堂探究：
探究一、热力学第一定律
1.一个物体,它既没有吸收热量也没有放出热量,那么:
(1)如果外界对物体做的功为W,则它的内能如何变化 变化了多少
(2)如果物体对外界做的功为W,则它的内能如何变化 变化了多少
2.一个物体,如果外界既没有对它做功,它也没有对外界做功,那么:
(1)如果物体从外界吸收热量Q,它的内能如何变化 变化了多少
(2)如果物体向外界放出热量Q,它的内能如何变化 变化了多少
3.一定质量的气体,膨胀时对外做功,同时向外放热,气体的内能增加了还是减少了 若气体对外做功的同时吸收热量呢
探究二、能量守恒定律
1.热力学第一定律与能量守恒定律是什么关系
2.什么是第一类永动机 它能实现吗
三、课堂训练：
1、外界对一定质量的气体做了200
J的功,同时气体又向外界放出了80
J的热量,则气体的内能
(选填“增加”或“减少”)了
J。
2、下列说法正确的是
(
)
A.物体吸收热量,内能一定增大
B.物体对外做功,内能一定减少
C.物体对外做功时,W<0
D.物体吸收热量时,Q<0
E.物体内能减少时,ΔU<0
3、如图所示,内壁光滑的汽缸水平放置,一定
( http: / / www.21cnjy.com )质量的理想气体被活塞密封在汽缸内,外界大气压强为p0。现对汽缸缓慢加热,气体吸收热量Q后,体积由V1增大到V2,则在此过程中,气体分子平均动能
(选填“增大”“不变”或“减小”),气体内能变化了
。
四、课后练习：
4、一个物体沿粗糙斜面匀速滑下,则下列说法正确的是
(
)
A.物体机械能不变,内能也不变
B.物体机械能减小,内能不变
C.物体机械能减小,内能增大,物体的机械能与内能总量减小
D.物体机械能减小,内能增大,物体的机械能与内能总量不变
5、一定质量的理想气体,若外界对气体做功4.0×
104J,同时气体内能减少1.7×104J。关于此次过程,下列说法正确的是
(
)
A.气体从外界吸收热量为2.3×104J
B.气体向外界放出热量为2.3×104J
C.气体从外界吸收热量为5.7×104J
D.气体向外界放出热量为5.7×104J
6、如图所示,一个质量为20
kg的绝热汽
( http: / / www.21cnjy.com )缸竖直放置,绝热活塞的质量为5
kg,处于静止状态时被封闭气体的高度为50
cm,现在在活塞上方加一个质量为15
kg的物体。待稳定后,被封闭气体的高度变为40
cm,若大气压对气体做功为12
J,求在这一过程中气体的内能变化了多少 (g取10
m/s2,不考虑摩擦力)
7、如图所示为冲击摆实验装
( http: / / www.21cnjy.com )置,一质量为m的子弹以v0射入质量为M的沙箱后与沙箱合为一体,共同摆起一定高度h,则整个过程中子弹和沙箱由于相互作用所产生的内能为多少 (不计空气阻力)。
10.3热力学第二定律
一、课前预习：
（一）热力学第二定律
1.热传导的方向性:
(1)温度不同的两个物体接触时,_____会自发地从_____物体传给_____物体,但不会自发地从_____物体传给_____物体,这说明:热传导的过程具有_____性。
(2)一切与热现象有关的宏观自然过程都是_______的。
(3)热力学第二定律是反映宏观自然过程的_______的定律。
2.热力学第二定律的两种表述:
(1)克劳修斯表述:热量不能_____地从低温物体传到高温物体。
(2)开尔文表述:不可能从_________吸收热量,使之完全变成功,而不产生其他影响。
3.热力学第二定律的意义:热力学第二定律的两种表述是_____(选填“等价”或“不等价”)的,可以从其中一种表述推导出另一种表述;热力学第二定律的开尔文表述说明了_______与内能转化的_____性:机械能可以_____转化为内能,而内能_____全部用来做功以转化为机械能。
4.热力学第二定律也可以表述为:气体向真空的自由膨胀是________(选填“可逆”或“不可逆”)的。
（二）第二类永动机
1.热机:(1)热机工作的两个阶段:第一个阶段是燃烧燃料,把燃料中的_______变成工作物质的_____;第二个阶段是工作物质对外做功,把自己的_____变成_______。
(2)热机的效率:热机输出的_______与燃料产生的_____的比值,用公式表示为η=
2.第二类永动机:
(1)定义:只从______吸收热量,使之完全变为功而不引起其他变化的热机。
(2)第二类永动机不可能制成:虽然第二类永动机不违反_____________,但大量的事实证明,在任何情况下,热机都不可能只有一个热库,热机要不断地把吸取的热量变为有用功,就不可避免地将一部分热量传给低温热库。
二、课堂探究：
探究一、热力学第二定律
1.两个不同的物体接触时,热量自发地从高温物体传递给低温物体。此处“自发地”的含义是什么
2.空调和电冰箱工作时,热量都是从低温物体传递给高温物体的,它们违反热力学第二定律吗
3.在外力作用下,一个在水平面上运动的物体,(1)当撤去外力后,会出现什么现象 在这个过程中,能量是如何转化的 (2)该物体能否自发地收集内能,再运动起来
探究二、热机和第二类永动机
1.汽车和轮船上用的汽油机、柴油机,火力发电厂和核电站用的蒸汽轮机等都是热机。从能量的角度看,热机的工作分几个阶段 其工作过程是怎样的
2.汽车发动机工作时,汽缸(燃烧室)是它的高温热库,低温热库在哪里
三、课堂训练：
1、关于热力学定律,下列说法正确的是
(
)
A.为了增加物体的内能,必须对物体做功或向它传递热量
B.对某物体做功,必定会使该物体的内能增加
C.可以从单一热源吸收热量,使之完全变为功
D.不可能使热量从低温物体传向高温物体
E.功转变为热的实际宏观过程是不可逆过程
2、关于热机和永动机,下列说法中正确的是
(
)
A.效率为100%的热机是不可能制成的
B.第二类永动机可以制成
C.不需要任何外力做功而可正常运行的制冷机是不可能制成的
D.能把从单一热源吸收的热量全部用来做功而不引起其他变化的热机是可以实现的
四、课后练习：
3、根据热力学第二定律,下列说法中正确的是(
)
A.不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功,而不引起其他变化
B.没有冷凝器,只有单一的热源,能将从单一热源吸收的热量全部用来做功,而不引起其他变化的热机是可以实现的
C.制冷系统能将冰箱里的热量传给外界较高温度的空气而不引起其他变化
D.不可能使热量由低温物体传递到高温物体,而不引起其他变化
10.5热力学第二定律的微观解释
10.6
能源和可持续发展
一、课前预习：
（一）热力学第二定律的微观意义
1.有序和无序:一个系统的个体按确定的
( http: / / www.21cnjy.com )_________,有顺序地排列即有序;个体分布_____(选填“有”或“没有”)确定的要求,“怎样分布都可以”即无序。
2.宏观态和微观态:系统的_____状态即宏观态,系统内个体的_____分布状态即微观态。
3.热力学第二定律的微观意义:一切自发过程总是沿着分子热运动的无序性_____(选填“增大”或“减小”)的方向进行。
4.熵及熵增加原理:
(1)熵:表达式S=______,k表示玻耳兹曼常量,Ω表示一个宏观状态所对应的微观态的_____,S表示系统内分子运动_______的量度,称为熵。
(2)熵增加原理:在任何自然过程中,一个_____系统的总熵不会_____。
（二）能源和可持续发展
1.能量耗散和品质降低:
(1)能量耗散:有序度较高(集中度较高)的能量转化为_____,流散到环境中无法重新收集起来加以利用的现象。
(2)各种形式的能量向内能的转化,是无序程度_____的状态向无序程度_____的状态的转化,是能够_____发生、全额发生的。
(3)能量耗散从能量转化的角度反映出自然界中的自发变化过程具有_____性。
(4)能量耗散虽然不会导致能量总量的减少,却会导致能量_____的降低,它实际上是将能量从高度有用的_______形式降级为不大可用的_______形式。
2.能源与环境:(1)常规能源:人们把煤、_____、_______等化石能源叫做常规能源,人类消耗的能源主要是常规能源。
(2)新能源:主要有_____能、生物质能、风能、水能、核能等。
(3)环境问题:化石能源的大量消耗带来的环境问题有_____效应、酸雨、光化学烟雾等。
二、课堂探究：
探究一、热力学第二定律的微观意义
1.如图所示,一个箱子被挡板分为左右两室,左室有4个气体分子,右室为真空,撤去挡板后,气体自由扩散,以箱子内4个分子为模型,说明具有哪些可能的宏观态和微观态,并用热力学第二定律说明,气体扩散后4个分子分布的最大一种可能和最小一种可能的情形。
2.试从无序的角度谈谈上面问题中为什么“左2右2”这种均匀分布的可能性最大,分子集中在一个室中,另一个室变成真空的可能性最小
3.结合1、2中的分析,请谈谈热力学第二定律的微观意义。
4.怎样理解一个孤立的系统熵不会减小
探究二、能源和可持续发展
1.既然能量守恒,为什么还要节约能源
请你结合生活实际,并查阅相关资料,说明新能源开发的意义。
三、课堂训练：
1、a、b两个分子分配在容器A、B
( http: / / www.21cnjy.com )里共有
个微观态,每个微观态出现的几率为
,那么N个分子分配在l个容器中,共有
个微观态,每个微观态出现的几率为
。
2、关于能源的开发和利用,下列说法中正确的是
(
)
A.无节制地利用能源,是一种盲目的短期行为
B.根据能量守恒定律,能源是取之不尽、用之不竭的
C.能源在开发和利用的同时,必须加强对环境的保护
D.不断开发新能源,是缓解能源危机的主要途径
3、下列说法正确的是
(
)
A.从微观的角度看,热力学第二定律是一个统计规律
B.一切自然过程总是沿着分子热运动无序性减小的方向进行
C.能量耗散说明能量是不守恒的
D.一杯热茶在打开杯盖后,茶会自动变得更热
E.煤、石油、天然气等燃料的最初来源可追溯到太阳能
F.在任何自然过程中,一个孤立系统的总熵可能增加,可能减少
四、课后练习：
4、对于孤立体系中发生的实际过程,下列说法中正确的是
(
)
A.系统的总熵只能增大或不变,不可能减小
B.系统的总熵可能增大,可能不变,还可能减小
C.系统逐渐从比较有序的状态向更加无序的状态发展
D.系统逐渐从比较无序的状态向更加有序的状态发展
5、下列关于能量耗散的说法,正确的是
(
)
A.电能通过灯泡中的灯丝转化为光能属于能量耗散
B.火炉把房子烤暖属于能量耗散
C.各种形式的能量向内能的转化是能够自动全额发生的
D.能量耗散导致能量品质降低