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第二章 固体、液体和气体
第一节 内能 功 热量
[学习目标]1.知道做功和热传递的实质.2.知道做功和热传递是改变内能的两种方式，理解做功和热传递对改变系统内能是等效的，明确两种方式的区别.3.明确内能、功、热量、温度四个物理量的区别和联系．
一、做功和内能的变化
[导学探究] 如图1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，温度计示数明显降低，这是为什么呢？
图1
答案 气体膨胀对外做功，内能减小，气体的温度降低．
[知识梳理]
1．内能和内能的变化量
(1)内能是一个状态量，指物体内所有分子做热运动的动能和分子势能之和．
(2)内能的变化量只由初、末状态决定，与中间过程及方式无关．
2．功和内能
(1)功是过程量，内能是状态量．
(2)物体的内能大，并不意味着做功多．
(3)做功可以改变系统的内能，功是系统内能转化的量度，在绝热过程中：
①外界对系统做功，系统内能增加，即ΔU＝W.
②系统对外界做功，系统内能减少，即ΔU＝W.
二、热传递和内能的变化
[导学探究] 用铁锤反复敲击铁棒，铁棒的温度会升高，把铁棒放在碳火上烧，铁棒的温度也会升高，这说明了什么问题？
答案 说明做功和热传递都能改变物体的内能．
[知识梳理]
1．热量
(1)热量是单纯的传热过程中系统内能变化的量度．
(2)过程量．
2．热量和内能变化的关系
在只有热传递的情况下，物体吸收热量，内能增加，物体放出热量，内能减少，并且内能的变化量等于物体吸收或放出的热量，即ΔU＝Q.
一、做功和内能的变化
例1 如图2所示，活塞将气缸分成甲、乙两气室，气缸、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( )
图2
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、乙两气室气体都经历绝热过程，内能的改变取决于做功的情况．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，外界对甲室内的气体做功，其内能应增大；对乙室内的气体，活塞左移，气体膨胀，乙室内的气体对外界做功，内能应减小．
针对训练 如图3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力，则被密封的气体( )
图3
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 向下压活塞，力F对气体做功，气体的内能增加，温度升高气体体积减小，故气体的压强增大，故选项C正确．
二、热传递和内能的变化
例2 (多选)在外界不做功的情况下，物体的内能增加了50J，下列说法中正确的是( )
A．一定是物体放出了50J的热量
B．一定是物体吸收了50J的热量
C．一定是物体分子动能增加了50J
D．物体的分子平均动能可能不变
答案 BD
解析 在外界不做功的情况下，内能的改变量等于传递的热量，内能增加，一定是吸收了相等数量的热量，故A错，B对；物体内能包括所有分子做热运动的动能和分子势能，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50J并不一定是分子动能增加了50J，物体的分子平均动能有可能不变，这时吸收的50J热量全部用来增加分子势能，故C错，D对．
三、内能与相关概念的辨析
例3 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
答案 D
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错；物体的吸热或放热对应物体的内能变化，并不对应物体内能的大小，故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对．
内能 功 热量
1．(做功和内能的变化)在给自行车轮胎打气时，会发现胎内气体温度升高，这是因为( )
A．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胎内气体温度
D．打气时，外界不断对胎内气体做功
答案 D
解析 给自行车轮胎打气，外界对胎内气体做功，气体内能增加，温度升高，D正确．
2．(做功和内能的变化)地面附近有一正在上升的空气团，它与外界的热交换忽略不计．已知大气压强随高度增加而降低，则该空气团在上升过程中(不计空气团内分子间的势能)( )
A．体积减小，温度降低
B．体积减小，温度不变
C．体积增大，温度降低
D．体积减小，温度增大
答案 C
解析 空气团与外界的热交换忽略不计，大气压强随高度上升逐渐减小，空气团体积逐渐增大，对外界做功，所以内能逐渐减小，则温度逐渐降低，只有选项C正确，选项A、B、D均错误．
3．(热传递和内能的变化)下列说法正确的是( )
A．若A、B两物体接触但没有热传递，则两物体所包含的热量相等
B．做功和热传递的共同点是都能使系统内能改变
C．一物体先后经几个不同的物理过程，其温度均从t1升高到t2.则在这些过程中物体一定从外界吸收相同的热量
D．高温物体内能大，低温物体内能小
答案 B
解析 A、B两物体没有发生热传递是因为两物体温度相等，A错．做功和热传递都是改变内能的方式，B对．一物体温度从t1升高到t2，内能的改变可能是由于吸收了热量，也可能是外界对物体做了功，C错．高温物体分子的平均动能大，内能不一定大，D错．
4．(内能与相关概念的辨析)(多选)对于热量、功、内能三个量，下列说法中正确的是( )
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、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变化的量度而不是内能大小的量度．故A、B错误，C、D正确．
题组一 做功和内能的变化
1．(多选)在下述各种现象中，不是由做功引起系统温度变化的是( )
A．在阳光照射下，水的温度升高
B．用铁锤不断锤打铅块，铅块温度会升高
C．在炉火上烧水，水的温度升高
D．电视机工作一段时间，其内部元件温度升高
答案 AC
解析 阳光照射下水温升高是热辐射使水的温度升高，在炉火上烧水是热传导和对流使水的温度升高，用铁锤锤打铅块的过程，是做功的过程，铅块温度升高，是由于外界做功引起的．电视机工作时，电流通过各元件，电流做功使其温度升高．可见A、C不是由做功引起系统温度变化的，故选A、C.
2．一个铁块沿斜面匀速下滑，关于铁块的机械能和内能的变化(忽略热传递)，下列判断中正确的是( )
A．铁块的机械能和内能都不变
B．铁块的机械能减小，内能不变
C．铁块的机械能增大，内能增大
D．铁块的机械能减小，内能增大
答案 D
解析 铁块沿斜面匀速下滑时，动能不变，势能减小，所以铁块的机械能一定减小．铁块沿斜面匀速下滑，说明此斜面一定是不光滑的，铁块下滑时克服摩擦力做功，铁块损失的机械能转化为铁块和斜面的内能，因此铁块的温度会略有升高，内能增大．
3．一定质量的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加
B．外界对气体做功，气体分子的平均动能减少
C．气体对外界做功，气体分子的平均动能增加
D．气体对外界做功，气体分子的平均动能减少
答案 D
解析 因气体绝热膨胀，故气体对外做功，但没有热交换，由热力学第一定律可知，气体内能减小；而气体不计分子势能，故内能只与温度有关，因内能减小，故温度降低，分子的平均动能减小，故选D.
4．图1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( )
图1
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
答案 A
解析 在M向下滑动的过程中，气体体积缩小，外界对气体做功，气体不与外界发生热交换，再根据热力学第一定律知，气体内能增加，故正确答案为A.
5.如图2所示，绝热容器中间用隔板隔开，左侧装有气体，右侧为真空．现将隔板抽掉，让左侧气体自由膨胀到右侧直至平衡，在此过程中( )
图2
A．气体对外界做功，温度降低，内能减少
B．气体对外界做功，温度不变，内能不变
C．气体不做功，温度不变，内能不变
D．气体不做功，温度不变，内能减少
答案 C
解析 气体向真空膨胀，不做功；此为绝热容器，无热传递，Q＝0.
题组二 热传递和内能的变化
6．(多选)下列现象中，哪些是通过热传递的方式改变物体内能的( )
A．打开电灯开关，灯丝的温度升高，内能增加
B．夏天喝冰镇汽水来解暑
C．陨石在大气层中下落，温度升高
D．太阳能热水器在阳光照射下，水的温度逐渐升高
答案 BD
解析 A选项是电流做功改变内能，C选项是摩擦力做功改变内能，只有B、D选项是通过热传递的方式改变物体内能的，故选B、D.
7．(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．两个物体之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
答案 BD
解析 热量的概念只有在涉及能量的传递时才有意义，所以不能说物体含有多少热量，故A错；物体间发生热传递的必要条件是存在温度差，故B对；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，D对．故正确答案为B、D.
8．(多选)一铜块和一铁块，质量相等，铜块的温度T1比铁块的温度T2高，当它们接触在一起时，如果不和外界交换能量，则( )
A．从两者开始接触到达到热平衡的整个过程中，铜块内能的减少量等于铁块内能的增加量
B．在两者达到热平衡以前的任意一段时间内，铜块内能的减少量不等于铁块内能的增加量
C．达到热平衡时，铜块的温度T＝
D．达到热平衡时，两者的温度相等
答案 AD
解析 一个系统在热交换的过程中，如果不与外界发生热交换，温度高的物体放出的热量等于温度低的物体吸收的热量，直到温度相等，不再发生热交换为止．而热量是热传递过程中内能的变化量，所以选项A、D正确，选项B错误．设c铁、c铜分别为铁、铜的比热容，根据热平衡方程c铜m(T1－T)＝c铁m(T－T2)，解得T＝，由此可知选项C错误．
题组三 内能与相关概念的辨析
9．关于物体的内能，下列说法中正确的是( )
A．温度相同的同种气体它们的内能一定相等
B．体积相同的同种气体它们的内能一定相等
C．机械能越大的物体内能也越大
D．物体的内能与物体的温度和体积都有关系
答案 D
解析 决定内能的因素有温度、体积及物质的量，D正确，A、B错误；内能与机械能无直接关系，C错误．
10．关于物体的内能和热量，下列说法中正确的是( )
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、物质的量及物态决定，不是只由温度决定，故选项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，故选项C错误；关于热量的论述，选项D是正确的．
11．(多选)下列说法中正确的是( )
A．如果取水平地面为零势能面，则静止在水平地面上的物体的机械能和内能都为零
B．如果取水平地面为零势能面，则静止在水平地面上的物体的机械能为零，内能不为零
C．一个装有气体的绝热密封容器做匀速运动，如果使容器突然停止运动，则气体的温度要升高
D．一个装有气体的绝热密封容器做匀速运动，如果使容器突然停止运动，则气体的温度保持不变
答案 BC
解析 内能与零势能面的选取无关，重力势能与零势能面的选取有关，重力势能为零的静止物体机械能为零，但内能永不为零，A错误，B正确；绝热容器停止运动，内部气体的机械能转化为内能，温度升高，C正确，D错误．
12．关于内能、温度和热量，下列说法中正确的是( )
A．物体的温度升高时，一定吸收热量
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，当内能相等时热传递停止
答案 C
解析 改变物体内能的两种方法：做功和热传递．温度升高，内能增加，但不一定是吸收热量，A错误；物体沿斜面下滑时，可能不受摩擦力，内能可能不变，B错误；物体克服摩擦力做功，摩擦生热，内能可能增大，C正确；热传递的条件是物体间存在温度差，热量从温度高的物体传递给温度低的物体，温度相同后热传递停止，D错误．
第三章 热力学基础
第一节 内能 功 热量
1．知道热传递的实质．
2．知道做功和热传递是改变内能的两种方式，明确两种方式的区别．
3．明确内能、功、热量、温度四个物理量的区别和联系．
1．从宏观上看，物体的内能与物体的温度和体积都有关系．从微观上看，温度升高，分子平均动能增加，因而物体的内能增加，体积变化时，分子势能变化，因而物体的内能发生变化．
2．做功可以改变物体的内能，若物体与外界无热量交换，外界对物体做功，物体内能增加，物体对外界做功，物体内能减少，且做功的多少等于物体内能的变化．
3．热传递也可以改变物体的内能．高温物体总是自发地把它的内能传递给低温物体，若热传递过程中没有做功过程，低温物体吸收的热量等于它内能的增加，高温物体放出的热量等于它内能的减少．
4．做功和热传递在改变物体内能上是等效的，但它们的实质不同，做功对应的是其他形式的能与内能的相互转化，热传递是物体间内能的转移．
5．焦耳通过实验测定了机械功与所产生的热量之间的关系，称为热功当量，它等于4.18 J·cal－1.
1．如图所示，把浸有乙醚的一小团棉花放在厚玻璃筒的底部，当很快地向下压活塞时，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，此实验目的是要说明(C)
A．做功可以增加物体的热量
B．做功一定升高物体的温度
C．做功可以改变物体的内能
D．做功一定可以增加物体的内能
解析：迅速向下压活塞，实际上是在对玻璃气筒内的气体做功，由于是迅速向下压筒内的气体，做功时间极短，因此实验过程可认为是绝热过程(即Q＝0)．乙醚达到燃点而燃烧表明气体温度升高，内能增大，这说明做功可以改变物体的内能．
2．用下列方法改变物体的内能，不属于做功的方式是(D)
A．搓搓手会感到手暖和些
B．汽油机汽缸内被压缩的气体
C．车刀切下的炽热铁屑
D．物体在阳光下被晒热
解析：搓手时克服摩擦力做功，机械能转化为内能；汽缸压缩气体，对气体做功；车刀切削钢件，克服摩擦力做功，机械能转化为内能，使切下的铁屑温度升高，都是通过做功使内能发生改变；物体在阳光下被晒热，不属于做功的方式．
3．关于热传递，下列说法中正确的是(B)
A．热传递的实质是温度的传递
B．物体间存在着温度差，才能发生热传递
C．热传递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
解析：热传递的实质是物体间内能的转移，故A错．热传递的条件是物体间存在温度差，高温物体放出热量，低温物体吸收热量，若两物体温度相同，它们之间便不再发生热传递，即达到了热平衡，故B对、C错．物体吸收或放出热量，内能会发生变化，但内能变化不一定是热传递引起的，还可以通过做功的方式实现，故D错．
4．(多选)在外界不做功的情况下，物体的内能增加了50 J，下列说法中正确的是(BD)
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
解析：在外界不做功的情况下，系统内能的改变等于传递的热量，内能增加，一定是吸收了相等能量的热量，故A错、B对．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．物体的分子平均动能有可能不变，这时吸收的50 J热量全部用来增加分子势能．
5．关于内能、温度和热量，下列说法中正确的是(C)
A．物体的温度升高时，一定吸收热量
B．物体沿光滑斜面下滑时，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，当内能相等时热传递停止
解析：改变物体内能的两种方法：做功和热传递．温度升高，内能增加，但不一定是吸收热量，A错误；物体克服摩擦力做功，摩擦生热，内能可能增大，B错误、C正确；热传递的条件是存在温度差，热量从温度高的物体传递给温度低的物体，温度相同后热传递停止，D错误．
6．(多选)如图所示为焦耳实验装置简图，用绝热良好的材料将容器包好，重物下落带动叶片搅拌容器里的水，引起水温升高，关于这个实验，下列说法正确的是(AC)
A．这个装置可测定热功当量
B．做功增加了水的热量
C．做功增加了水的内能
D．功和热量是完全等价的，无区别
解析：可通过重力做功与水温升高吸收的热量，测定热功当量，做功增加了水的内能，而热量只是热传递过程中内能改变的量度，所以功与热量是不同的．故选A、C.
7．在给自行车轮胎打气时，会发现胎内空气温度升高，这是因为(D)
A．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胎内气体温度
D．打气时，外界不断地对胎内气体做功
解析：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．
8．(多选)在一个绝热气缸里，若因气体膨胀，向上推动活塞，则在这个过程中，气缸里的气体(BD)
A．温度升高 B．温度降低
C．内能增大 D．内能减小
解析：因绝热气缸里的气体与外界无热交换，气体向上推动活塞过程中，对外做功，内能减小，温度降低，B、D正确．
9．一定质量的气体封闭在绝热的汽缸内，当用活塞压缩气体时，一定减小的物理量有(不计气体分子势能)(A)
A．气体体积
B．气体分子密度
C．气体内能
D．气体分子的平均动能
解析：绝热过程外力对系统做功，内能增加，温度升高，分子平均动能增加．
10．给旱区送水的消防车停于水平地面，在缓慢放水过程中，若车胎不漏气，胎内气体温度不变，不计分子间势能，则胎内气体(A)
A．从外界吸热
B．对外界做负功
C．分子平均动能减小
D．内能增加
解析：胎内气体经历了一个温度不变、压强减小、体积增大的过程．温度不变，分子平均动能和内能不变．体积增大，气体对外界做正功，从而要从外界吸热，A正确，B、C、D错误．
