1 功、热和内能的改变
[定位·学习目标] 1.阅读教材,知道焦耳的两个实验,知道功与内能改变及热与内能改变的数量关系,理解功、热与内能改变的实质,形成物理观念。2.通过学习焦耳的两个实验的探究过程掌握其实质。学会观察与操作并与他人合作交流,提高实验技能,培养科学思维和科学探究精神。3.通过本节的学习,理解科学的进步是由模糊到清晰、定性到定量的过程,培养科学态度与责任。
知识点一 焦耳的实验
探究新知
1.绝热过程
系统不从外界吸热,也不向外界放热的过程。
2.焦耳实验
(1)实验1,重物下落,重力做功改变温度。
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实验表明,只要重力所做的功相同,容器内水温上升的数值都是相同的,即系统状态的变化是相同的。
(2)实验2,正在下降的重物带动发电机发电,电流通过浸在液体中的电阻丝改变液体温度。
①由电流的热效应给液体加热,使液体温度上升。
②实验表明,只要所做的电功相等,则系统温度上升的数值是相同的,即系统的状态就发生了同样的变化。
(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。
3.系统的内能
任何一个热力学系统必定存在一个只依赖于系统自身状态的物理量,这个物理量在两个状态间的差别与外界在绝热过程中对系统做的功相联系。鉴于功是能量变化的量度,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。
新知检测
[判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”]
(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)一个绝热的热力学系统由状态1变为状态2,不同形式的功的大小不同。( × )
(3)焦耳的实验确定了不同形式的功在改变系统内能上是等效的。( √ )
知识点二 功与内能的改变
探究新知
绝热过程中内能的变化
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。
(1)在绝热过程中,外界对系统做功,系统的内能增加;系统对外做功,系统的内能减少。
(2)如果一个热学过程的状态变化发生得极快、经历的时间很短,系统与外界来不及交换热量,可以看成绝热过程。
新知检测
[判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”]
(1)在绝热过程中,外界对系统做多少功,内能就增加多少。( √ )
(2)做功改变内能的过程实际上是机械能与内能互相转化的过程。( √ )
(3)“钻木取火”是内能转化为机械能。( × )
(4)在绝热系统中,被压缩的气体突然膨胀时,温度可能不变。( × )
知识点三 热与内能的改变
探究新知
1.传热
(1)条件:两个物体的温度不同。
(2)过程: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)热量:在单纯的传热过程中系统内能变化的量度。
(2)热与内能的变化量: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。系统吸热,Q为正,系统内能增加;系统放热,Q为负,系统内能减少。
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。
新知检测
[判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”]
(1)质量大、温度高的物体含有的热量多。( × )
(2)内能多的物体含有的热量多。( × )
(3)做功和传热都可以改变物体的内能,从效果上是等效的。( √ )
(4)热量一定从内能多的物体传给内能少的物体。( × )
要点一 做功与内能的改变
情境探究
如图所示,在有机玻璃筒底放少量浸有乙醚的棉花,用筒中活塞封闭筒中空气,并迅速压下活塞,观察出现的现象。
探究:(1)对出现的现象,你如何解释
(2)图中用力按压活塞时为什么一定要迅速
【答案】 (1)快速压下活塞,会看到棉花燃烧。这是因为外界压缩空气做功,使空气内能增大,温度升高,达到乙醚的燃点后引起棉花燃烧。
(2)迅速按压活塞是为了使系统与外界来不及交换热量,创造一个绝热条件。
要点归纳
1.功和内能的区别
(1)功是过程量,内能是状态量。
(2)在绝热过程中,做功一定能引起系统内能的变化。
(3)系统的内能大,并不意味着做功多。在绝热过程中,内能变化越大时,对应着做功越多。
2.做功改变内能的实质
做功改变系统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,做功使系统内能发生变化时,内能改变的多少用做功的数值来度量。
典例研习
[例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。今对活塞施加一竖直向下的压力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
【答案】 C
【解析】 压力F通过活塞对密闭的理想气体压缩而做正功,则W>0,容器及活塞绝热,由做功与内能改变的关系知,理想气体内能增大,温度T升高,再根据=C可知压强p增大,故C正确。
对功和内能关系的两点提醒
(1)内能是状态量,系统内能的变化量ΔU只与初、末状态的内能U1、U2有关,与做功的过程、方式无关。
(2)只有在绝热过程中,系统内能的改变量才等于外界对系统所做的功。
要点二 传热与内能的改变
情境探究
如图所示,某同学做了一个小实验:先把空的烧瓶放入冰箱冷冻一段时间后取出,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水槽内,气球逐渐膨胀起来。
探究:(1)烧瓶放进热水中,烧瓶内气体的内能增加了还是减少了 气球膨胀的原因是什么
(2)气球内气体内能变化的本质是什么
【答案】 (1)增加了。将烧瓶放进盛满热水的水槽内,开始时烧瓶内气体温度低,则气体吸收热量,内能增加,温度升高,体积增大而使气球逐渐膨胀起来。
(2)气球内气体的内能变化的本质是能量由水转移到气球内的气体上。
要点归纳
1.传热
(1)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度量。
(2)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无关。
2.对热量和内能的进一步理解
(1)内能是由系统状态决定的,无法确定其大小,但状态变化时,可以通过传热或做功确定内能的变化。
(2)热量只是反映系统在状态变化过程中所转移的能量,是用来衡量物体内能变化的量度。
典例研习
[例2](多选)下列关于传热的说法正确的是( )
[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] 热量是从内能较多的物体传到内能较少的物体
[D] 热量是传热过程中物体间内能的转移量
【答案】 BD
【解析】 热量不是状态量,不能说含有或者具有多少热量,故A错误;在实际宏观的传热过程中,热量总是由温度高的物体传递给温度低的物体,故 B正确,C错误;热量是传热过程中物体内能变化的量度,故D正确。
要点三 内能及相关概念的辨析
要点归纳
1.内能与温度
(1)从宏观看,温度表示的是物体的冷热程度。
(2)从微观看,温度反映了分子热运动的剧烈程度,是分子热运动的平均动能的标志。物体的温度升高,分子的平均动能一定增大,在体积不变的情况下,其内能一定增加。对于一定质量的理想气体,内能的变化只决定于温度变化。
2.热量与温度
(1)热量是系统状态变化时内能变化的量度,而温度是系统的状态参量,反映分子做无规则运动的剧烈程度,前者对应状态变化,后者对应状态。
(2)热量改变系统的温度,热量不是温度。
3.热量与功
对一个热力学系统,热量和功都是系统内能变化的量度,均是过程量,一定量的热量与一定量的功相当,热量可以通过系统转化为功,功也可以通过系统转化为热量,但它们之间有着本质的区别。
4.改变内能的两种方式的比较
项目 做功 传热
内能 变化 绝热过程中,外界对系统做功,系统内能增加;系统对外界做功,系统内能减少 单纯传热在改变内能上,系统吸收热量,内能增加;系统放出热量,内能减少
物理 实质 其他形式的能与内能之间的转化 内能的转移
相互 联系 一定量的功与等量的热量在改变内能的效果上是相同的
典例研习
[例3](多选)下列有关物体的内能、温度、热量的说法正确的是( )
[A] 只要两物体的质量、温度和体积相等,两物体内能一定相等
[B] 只要温度升高,每个分子的动能就都增加
[C] 热量是传热过程中物体内能变化的量度
[D] 做功和传热都能改变物体的内能,两过程的本质不同,但改变物体内能的效果相同
【答案】 CD
【解析】 物体的内能由物体中的分子数、温度和体积共同决定,两物体的质量相等,而分子数不一定相同,A错误;温度升高,分子的平均动能增加,但每个分子的动能不一定都增加,B错误;热量是传热过程中物体内能变化的量度,C正确;做功和传热都能改变物体的内能,做功是能量转化的过程,传热是能量转移的过程,两过程的本质不同,但改变物体内能的效果相同,D正确。
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传热时,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。
1.如图所示是焦耳研究热与功之间关系的两个典型实验,从焦耳的这两个实验中可得出的结论是( )
[A] 系统状态的改变只能通过传热来实现
[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
【答案】 C
【解析】 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C。
2.指出下列所述现象中通过传热改变物体内能的是( )
[A] 感到手冷时,搓搓手就会觉得暖和些
[B] 擦火柴时,火柴头上的红磷温度升高到燃点时,火柴燃烧起来
[C] 物体在阳光照射下温度升高
[D] 反复弯折一根铁丝,弯折的部分温度升高
【答案】 C
【解析】 物体在阳光照射下温度升高是通过传热的方式来改变物体的内能,搓手取暖、擦火柴以及反复弯折铁丝均是通过做功改变物体的内能,故选C。
3.下列关于热量、功和内能的说法错误的是( )
[A] 热量、功都可以作为物体内能的量度
[B] 热量、功都可以作为物体内能变化的量度
[C] 热量、功、内能的单位相同
[D] 热量和功是由过程决定的,而内能是由物体状态决定的
【答案】 A
【解析】 热量和功都可作为物体内能改变的量度,选项A说法错误,B说法正确;热量、功、内能的单位都是焦耳,选项C说法正确;热量和功是过程量,内能是状态量,选项D说法正确。
4.(多选)夏季昼夜温差比较大,充足气的车胎经过正午阳光的暴晒易爆胎。若车胎内的气体可视为理想气体,爆胎前车胎内气体体积及质量均不变,爆胎过程时间极短,可看作绝热过程。关于车胎内的气体,下列说法正确的是( )
[A] 爆胎前随着气温的升高,车胎内气体压强增大
[B] 爆胎前随着气温的升高,车胎内气体吸收热量,对外做功,内能不变
[C] 爆胎过程中,车胎内气体对外做功,内能减小
[D] 爆胎过程中,车胎内气体体积增大,压强减小,温度升高
【答案】 AC
【解析】 爆胎前随着气温的升高,车胎内气体吸收热量,温度升高,内能增大,压强增大;爆胎前气体体积不变,没有对外做功,故A正确,B错误;爆胎过程中,车胎内气体体积增大,气体对外做功,内能减小,同时温度降低,压强减小,故C正确,D错误。
课时作业
(分值:60分)
基础巩固练
考点一 做功与内能的改变
1.(4分) 如图所示,在大口的玻璃瓶内装一些水,水的上方有水蒸气,然后用一与打气筒相连的活塞密闭瓶口,并给瓶内迅速打气,当打到某一状态时,瓶塞会跳起来。当瓶塞跳起时,我们会看到瓶内出现了“白雾”。对于“白雾”的形成,下列说法正确的是( )
[A] 这些“白雾”是当瓶塞跳起后外界的水蒸气在瓶口遇冷形成的小水珠
[B] 这是打气筒向瓶内打进去的水蒸气
[C] 这是瓶内的水向外膨胀形成的水雾
[D] 瓶内空气推动瓶塞做功,空气的内能减小,温度降低,使水蒸气液化形成小水滴
【答案】 D
【解析】 当用打气筒向瓶内迅速打气时,外界对系统做功,使系统的内能增加,温度升高,压强增大,在塞子突然跳起时,气体绝热膨胀对外做功,内能减少,温度下降,瓶内水蒸气有一部分被液化成小水滴,形成“白雾”,故选项D正确,A、B、C错误。
2.(4分)礼花喷射器原理如图,通过扭动气阀可释放压缩气罐内气体产生冲击,将纸管里填充的礼花彩条喷向高处,营造气氛。喷出礼花彩条的过程可视为绝热过程,则罐内气体( )
[A] 温度保持不变
[B] 内能减少
[C] 分子热运动加剧
[D] 通过传热方式改变自身的内能
【答案】 B
【解析】 高压气体膨胀对外做功,气体内能转化为礼花彩条的机械能,气体内能减少,温度降低,分子热运动减慢,故A、C错误,B正确;气体对外做功,内能减少,这是通过做功的方式改变自身的内能,故 D错误。
3.(6分)(多选)下列所述现象中,通过做功改变物体内能的是( )
[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
【答案】 BCD
【解析】 太阳把地面晒热是热辐射,温差导致传热,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。
考点二 传热与内能的改变
4.(4分)如图所示,太阳能热水器是一种能够将太阳的光能转化为内能的装置。这种装置可以使装置内的水温度升高,这种改变水的内能的方式是( )
[A] 做功
[B] 传热
[C] 既有做功也有传热
[D] 电流的热效应
【答案】 B
【解析】 太阳能热水器是通过吸收太阳能,即通过传热的方式使水温度升高,故选B。
5.(6分)(多选)关于传热,下列说法正确的是( )
[A] 传热的实质是能量的传递
[B] 物体间存在着温度差,才能发生传热
[C] 传热可以在任何情况下进行
[D] 物体内能发生改变,一定是吸收或放出了热量
【答案】 AB
【解析】 传热的实质是能量的传递,故A正确;物体间存在着温度差,才能发生传热,故B正确;传热必须在有温度差的情况下进行,故C错误;物体的内能发生了改变,可能是发生了传热,也可能是做功导致的,故D错误。
6.(4分)下列各事例通过传热改变物体内能的是( )
[A] 加工产品零件时,车床上车刀切削工件后发热
[B] 飞船返回地面过程中温度很高
[C] 用肥皂水淋车床车刀后车刀降温
[D] 搓搓手就会觉得手发热
【答案】 C
【解析】 车床上车刀切削工件后发热、飞船返回地面过程中温度很高、搓搓手就会觉得手发热都是通过做功的方式改变物体内能;用肥皂水淋车刀后车刀降温是通过传热改变物体内能,选项C正确。
考点三 对内能与热量、温度及功的理解
7.(4分)关于内能、温度和热量,下列说法正确的是( )
[A] 物体的温度升高时,一定是吸收热量
[B] 物体沿斜面下滑时,内能将增大
[C] 物体沿斜面匀速下滑时,内能可能增大
[D] 内能总是从高温物体传递给低温物体,当内能相等时传热停止
【答案】 C
【解析】 物体的温度升高时,可能是外界对物体做了功,不一定是吸收热量,选项A错误;若斜面光滑,没有摩擦力做功,则物体的内能不会增大,选项 B错误;物体沿斜面匀速下滑时,可能有摩擦力做功将机械能转化为物体的内能,则物体的内能可能增大,选项C正确;在宏观自然过程中,热量总是从高温物体传递给低温物体,当温度相等时传热停止,选项
D错误。
8.(4分)关于系统的内能及其变化,下列说法正确的是( )
[A] 系统的温度改变时,其内能必定改变
[B] 系统对外做功,其内能不一定改变;系统向外传递热量,其内能不一定改变
[C] 对系统做功,系统内能必定改变;系统向外传出一定热量,其内能必定改变
[D] 若系统与外界不发生热交换,则系统的内能必定不改变
【答案】 B
【解析】 一定质量的物体组成的系统,其内能由温度和体积共同决定,系统的温度改变时,其内能不一定改变,故 A错误;系统对外做功的同时,如果从外界吸收热量或者同时有别的系统还对它做功,那么系统的内能就不一定改变;向系统传递热量的同时,如果系统同时放热或者它对别的系统做功,那么系统的内能也不一定改变,故B正确,C错误;不发生热交换的话,也可以是对外界做功或者外界对系统做功,同样可以改变系统的内能,故D错误。
综合提升练
9.(4分)下列关于做功和传热的说法正确的是( )
[A] 做功和传热都能引起系统内能的改变
[B] 只要外界对物体做功,物体的内能就一定改变
[C] 传热的条件是物体间存在内能差
[D] 做功和传热改变物体内能的实质是一样的
【答案】 A
【解析】 做功和传热都能引起系统内能的改变,效果相同,但它们的实质不同,做功是其他形式的能和内能之间的转化,而传热是不同物体或一个物体的不同部分间内能的转移,A正确,D错误;因为热量交换情况未知,所以外界对物体做功,物体的内能不一定改变,B错误;传热的条件是物体间存在温度差,而不是存在内能差,C错误。
10.(4分)对于图片中所描述的物理过程,下列分析正确的是( )
甲 乙 丙 丁
[A] 图甲厚玻璃内的空气被压缩,空气的内能减少
[B] 图乙瓶子内的空气推动塞子跳起,空气的内能增大
[C] 图丙试管内的水蒸气推动塞子冲出去,水蒸气的内能减小
[D] 图丁汽缸内的气体推动活塞向下运动时,气体的内能增大
【答案】 C
【解析】 题图甲中,厚玻璃内的空气被压缩时,活塞对空气做功,瓶内空气温度升高,空气的内能增加,故A错误;题图乙中,瓶子内的空气推动塞子跳起时,空气对活塞做功,空气的内能减小,故B错误;题图丙中,试管内的水蒸气推动塞子冲出时,水蒸气对塞子做功,水蒸气的内能减小,故C正确;题图丁中,汽缸内的气体推动活塞向下运动时(即做功冲程),内能转化为机械能,汽缸内气体的内能减小,故D错误。
11.(6分)若在绝热过程中对物体做1 500 J的功,可使物体温度升高 5 ℃;若改用单纯传热的方式,使物体温度同样升高5 ℃,那么物体应吸收 J的热量。如果先在绝热过程中对该物体做3 000 J的功,物体的温度升高10 ℃,再经过单纯的传热过程使物体放出600 J的热量,则物体的温度又降低 ℃。
【答案】 1 500 2
【解析】 做功和传热在改变物体内能方面是等效的,因此若用传热的方式,也使物体温度升高 5 ℃,物体应吸收1 500 J的热量。若在绝热过程中对物体做功3 000 J,温度升高 10 ℃,则物体温度升高 1 ℃ 需要外界做功或吸收热量 300 J,因此物体在单纯的传热过程中放出600 J的热量,物体的温度降低2 ℃。
12.(10分)重庆大剧院全面用上“水空调”来让屋内“冬暖夏凉”,其原理是抽取水温约为 18 ℃ 的地下水来冷却室内空气,该过程是通过什么方式改变了空气的内能 1 000 kg的地下水温度上升2 ℃,可以吸收多少热量 [c水=4.2×103 J/(kg·℃)]
【答案】 传热 8.4×106 J
【解析】 该过程是通过传热的方式改变了空气的内能;1 000 kg 的地下水温度上升2 ℃,可以吸收的热量为Q=c水m·Δt=4.2×103×1 000×2 J=8.4×106 J。(共40张PPT)
1 功、热和内能的改变
第三章 热力学定律
1.阅读教材,知道焦耳的两个实验,知道功与内能改变及热与内能改变的数量关系,理解功、热与内能改变的实质,形成物理观念。2.通过学习焦耳的两个实验的探究过程掌握其实质。学会观察与操作并与他人合作交流,提高实验技能,培养科学思维和科学探究精神。3.通过本节的学习,理解科学的进步是由模糊到清晰、定性到定量的过程,培养科学态度与责任。
[定位·学习目标]
探究·必备知识
「探究新知」
知识点一 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.焦耳实验
(1)实验1,重物下落,重力做功改变温度。
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实验表明,只要重力所做的功相同,容器内水温上升的数值都是 的,即系统 是相同的。
吸热
放热
上升
相同
状态的变化
(2)实验2,正在下降的重物带动发电机发电,电流通过浸在液体中的电阻丝改变液体温度。
①由电流的 给液体加热,使液体温度上升。
②实验表明,只要所做的电功 ,则系统温度上升的 是相同的,即系统的状态就发生了 的变化。
(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 和 。
热效应
相等
数值
同样
始末
过程
方式
3.系统的内能
任何一个热力学系统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。
自身状态
绝热
变化
[判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”]
(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)一个绝热的热力学系统由状态1变为状态2,不同形式的功的大小不同。
( )
(3)焦耳的实验确定了不同形式的功在改变系统内能上是等效的。( )
×
「新知检测」
×
√
「探究新知」
知识点二 功与内能的改变
绝热过程中内能的变化
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 所做的功W,即ΔU=W。
(1)在绝热过程中,外界对系统做功,系统的内能 ;系统对外做功,系统的内能 。
(2)如果一个热学过程的状态变化发生得 、经历的时间很短,系统与外界来不及交换热量,可以看成绝热过程。
外界对系统
增加
减少
极快
[判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”]
(1)在绝热过程中,外界对系统做多少功,内能就增加多少。( )
(2)做功改变内能的过程实际上是机械能与内能互相转化的过程。( )
(3)“钻木取火”是内能转化为机械能。( )
(4)在绝热系统中,被压缩的气体突然膨胀时,温度可能不变。( )
「新知检测」
√
√
×
×
「探究新知」
知识点三 热与内能的改变
1.传热
(1)条件:两个物体的 不同。
(2)过程:两个温度不同的物体 时,温度高的物体要降温,温度低的物体要升温,热从 物体传到了 物体。
温度
相互接触
高温
低温
2.热与内能的改变
(1)热量:在单纯的传热过程中系统 变化的量度。
(2)热与内能的变化量: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 的热量Q,即ΔU=Q。系统吸热,
Q为正,系统内能 ;系统放热,Q为负,系统内能 。
内能
传递
增加
减少
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 。
内能
转化
转移
[判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”]
(1)质量大、温度高的物体含有的热量多。( )
(2)内能多的物体含有的热量多。( )
(3)做功和传热都可以改变物体的内能,从效果上是等效的。( )
(4)热量一定从内能多的物体传给内能少的物体。( )
×
「新知检测」
×
√
×
突破·关键能力
要点一 做功与内能的改变
「情境探究」
如图所示,在有机玻璃筒底放少量浸有乙醚的棉花,用筒中活塞封闭筒中空气,并迅速压下活塞,观察出现的现象。
探究:(1)对出现的现象,你如何解释
【答案】 (1)快速压下活塞,会看到棉花燃烧。这是因为外界压缩空气做功,使空气内能增大,温度升高,达到乙醚的燃点后引起棉花燃烧。
(2)图中用力按压活塞时为什么一定要迅速
【答案】 (2)迅速按压活塞是为了使系统与外界来不及交换热量,创造一个绝热条件。
「要点归纳」
1.功和内能的区别
(1)功是过程量,内能是状态量。
(2)在绝热过程中,做功一定能引起系统内能的变化。
(3)系统的内能大,并不意味着做功多。在绝热过程中,内能变化越大时,对应着做功越多。
2.做功改变内能的实质
做功改变系统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,做功使系统内能发生变化时,内能改变的多少用做功的数值来度量。
[例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。今对活塞施加一竖直向下的压力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
「典例研习」
C
·规律方法·
对功和内能关系的两点提醒
(1)内能是状态量,系统内能的变化量ΔU只与初、末状态的内能U1、U2有关,与做功的过程、方式无关。
(2)只有在绝热过程中,系统内能的改变量才等于外界对系统所做的功。
要点二 传热与内能的改变
「情境探究」
如图所示,某同学做了一个小实验:先把空的烧瓶放入冰箱冷冻一段时间后取出,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水槽内,气球逐渐膨胀起来。
探究:(1)烧瓶放进热水中,烧瓶内气体的内能增加了还是减少了 气球膨胀的原因是什么
【答案】 (1)增加了。将烧瓶放进盛满热水的水槽内,开始时烧瓶内气体温度低,则气体吸收热量,内能增加,温度升高,体积增大而使气球逐渐膨胀起来。
【答案】 (2)气球内气体的内能变化的本质是能量由水转移到气球内的气体上。
(2)气球内气体内能变化的本质是什么
「要点归纳」
1.传热
(1)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度量。
(2)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无关。
2.对热量和内能的进一步理解
(1)内能是由系统状态决定的,无法确定其大小,但状态变化时,可以通过传热或做功确定内能的变化。
(2)热量只是反映系统在状态变化过程中所转移的能量,是用来衡量物体内能变化的量度。
[例2](多选)下列关于传热的说法正确的是( )
[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] 热量是从内能较多的物体传到内能较少的物体
[D] 热量是传热过程中物体间内能的转移量
BD
「典例研习」
【解析】 热量不是状态量,不能说含有或者具有多少热量,故A错误;在实际宏观的传热过程中,热量总是由温度高的物体传递给温度低的物体,故 B正确,C错误;热量是传热过程中物体内能变化的量度,故D正确。
要点三 内能及相关概念的辨析
「要点归纳」
1.内能与温度
(1)从宏观看,温度表示的是物体的冷热程度。
(2)从微观看,温度反映了分子热运动的剧烈程度,是分子热运动的平均动能的标志。物体的温度升高,分子的平均动能一定增大,在体积不变的情况下,其内能一定增加。对于一定质量的理想气体,内能的变化只决定于温度变化。
2.热量与温度
(1)热量是系统状态变化时内能变化的量度,而温度是系统的状态参量,反映分子做无规则运动的剧烈程度,前者对应状态变化,后者对应状态。
(2)热量改变系统的温度,热量不是温度。
3.热量与功
对一个热力学系统,热量和功都是系统内能变化的量度,均是过程量,一定量的热量与一定量的功相当,热量可以通过系统转化为功,功也可以通过系统转化为热量,但它们之间有着本质的区别。
4.改变内能的两种方式的比较
项目 做功 传热
内能 变化 绝热过程中,外界对系统做功,系统内能增加;系统对外界做功,系统内能减少 单纯传热在改变内能上,系统吸收热量,内能增加;系统放出热量,内能减少
物理实质 其他形式的能与内能之间的转化 内能的转移
相互联系 一定量的功与等量的热量在改变内能的效果上是相同的 [例3](多选)下列有关物体的内能、温度、热量的说法正确的是( )
[A] 只要两物体的质量、温度和体积相等,两物体内能一定相等
[B] 只要温度升高,每个分子的动能就都增加
[C] 热量是传热过程中物体内能变化的量度
[D] 做功和传热都能改变物体的内能,两过程的本质不同,但改变物体内能的效果相同
CD
「典例研习」
【解析】 物体的内能由物体中的分子数、温度和体积共同决定,两物体的质量相等,而分子数不一定相同,A错误;温度升高,分子的平均动能增加,但每个分子的动能不一定都增加,B错误;热量是传热过程中物体内能变化的量度,C正确;做功和传热都能改变物体的内能,做功是能量转化的过程,传热是能量转移的过程,两过程的本质不同,但改变物体内能的效果相同,
D正确。
·规律方法·
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传热时,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。
检测·学习效果
1.如图所示是焦耳研究热与功之间关系的两个典型实验,从焦耳的这两个实验中可得出的结论是( )
[A] 系统状态的改变只能通过传热来实现
[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
【解析】 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C。
2.指出下列所述现象中通过传热改变物体内能的是( )
[A] 感到手冷时,搓搓手就会觉得暖和些
[B] 擦火柴时,火柴头上的红磷温度升高到燃点时,火柴燃烧起来
[C] 物体在阳光照射下温度升高
[D] 反复弯折一根铁丝,弯折的部分温度升高
C
【解析】 物体在阳光照射下温度升高是通过传热的方式来改变物体的内能,搓手取暖、擦火柴以及反复弯折铁丝均是通过做功改变物体的内能,故选C。
3.下列关于热量、功和内能的说法错误的是( )
[A] 热量、功都可以作为物体内能的量度
[B] 热量、功都可以作为物体内能变化的量度
[C] 热量、功、内能的单位相同
[D] 热量和功是由过程决定的,而内能是由物体状态决定的
A
【解析】 热量和功都可作为物体内能改变的量度,选项A说法错误,B说法正确;热量、功、内能的单位都是焦耳,选项C说法正确;热量和功是过程量,内能是状态量,选项D说法正确。
4.(多选)夏季昼夜温差比较大,充足气的车胎经过正午阳光的暴晒易爆胎。若车胎内的气体可视为理想气体,爆胎前车胎内气体体积及质量均不变,爆胎过程时间极短,可看作绝热过程。关于车胎内的气体,下列说法正确的是( )
[A] 爆胎前随着气温的升高,车胎内气体压强增大
[B] 爆胎前随着气温的升高,车胎内气体吸收热量,对外做功,内能不变
[C] 爆胎过程中,车胎内气体对外做功,内能减小
[D] 爆胎过程中,车胎内气体体积增大,压强减小,温度升高
AC
【解析】 爆胎前随着气温的升高,车胎内气体吸收热量,温度升高,内能增大,压强增大;爆胎前气体体积不变,没有对外做功,故A正确,B错误;爆胎过程中,车胎内气体体积增大,气体对外做功,内能减小,同时温度降低,压强减小,故C正确,D错误。
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