1 功和内能
2 热和内能
[学习目标] 1.掌握从热力学角度认识内能的概念．了解焦耳的两个实验．(重点)2.知道做功与内能改变的数量关系，知道热传递的热量与内能变化的关系．(重点、难点)3.知道做功和热传递是改变内能的两种方式，且对改变系统内能是等效的．(难点)4.掌握内能、功、热量、温度四个物理量的区别和联系．(重点)
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与外界交换能量，它不从外界吸热，也不向外界放热．
(2)代表性实验
①重物下落带动叶片搅拌容器中的水，引起水温上升
②通过电流的热效应给水加热．
(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，而与做功的方式无关．
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所做的功相联系．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．
(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ΔU＝W.
二、热和内能
1．热传递
(1)条件：物体的温度不同．
(2)定义：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，热量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内能变化的量度．
(2)表达式：ΔU＝Q.
(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内能的改变．②做功时是内能与其他形式能的转化；热传递只是不同物体(或一个物体的不同部分)之间内能的转移．
1．思考判断(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)在绝热过程中，外界对系统做多少功，内能就能增加多少． (√)
(3)功和内能都是能量转化的量度． (×)
(4)做功和热传递都可改变物体的内能，从效果上是等效的． (√)
(5)热量一定从内能多的物体传递给内能少的物体． (×)
2．(多选)如图所示，为焦耳实验装置图，用绝热性能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( )
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
E．在绝热过程中，做功一定增加水的内能
ACE [将做功过程和吸热过程在同等条件下比较，可测出热功当量，故A正确；做功增加了水的内能，热量只是热传递过程中内能改变的量度，故B错误，C正确；做功和传热产生的效果相同，但功和热量是不同的概念，D错误．]
3．(多选)关于物体的内能和热量，下列说法中不正确的有( )
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．在热传递过程中，热量从高温物体传递到低温物体，直到两物体的温度相同为止
E．热量是热传递过程中内能转移的量度
ABC [物体的内能由温度、体积及物体的质量决定，不是只由温度决定，故A、B错；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C项错，D项对；关于热量的论述，E项是正确的．]
功和内能
1．内能：物体的内能是指物体内所有分子的平均动能和势能之和．
(1)在微观上由分子数、分子热运动的剧烈程度和相互作用力决定，宏观上体现为物体的温度和体积，因此物体的内能是一个状态量．
(2)在系统不吸热也不放热的绝热过程中，状态发生的变化是由做功造成的，伴随的能量转化是外界的能量与系统自身的能量发生了转化，系统自身的能量称为内能．
(3)造成系统内能变化的量与做功方式无关，与做功的数量有关．
(4)内能是状态量，由它的状态、温度、体积、质量决定．
2．(1)做功与内能变化的关系：当系统从某一状态经过绝热过程达到另一状态时，内能的增加量ΔU就等于外界对系统所做的功W，用式子表示为：ΔU＝U2－U1＝W.
(2)系统内能的改变量ΔU只与初、末状态的内能U1和U2有关，与做功的过程、方式无关．
(3)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，做功一定能引起内能的变化．
③物体的内能大，并不意味着做功多，在绝热过程中，只有变化较大时，对应着做功较多．
【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
思路点拨：(1)绝热容器表明系统既不向外界传热，也不从外界吸热．
(2)活塞缓慢向下移动一段距离表明外界对理想气体做了功．
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，故选C.]
分析绝热过程的方法
(1)在绝热的情况下，若外界对系统做正功，系统内能增加，ΔU为正值；若系统对外界做正功，系统内能减少，ΔU为负值．此过程做功的多少为内能转化多少的量度．
(2)在绝热过程中，内能和其他形式的能一样也是状态量，气体的初、末状态确定了，即在初、末状态的内能也相应地确定了，内能的变化ΔU也确定了．而功是能量转化的量度，所以ΔU＝W，即W为恒量，这也是判断绝热过程的一种方法．
1．一定质量的理想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大
B．外界对气体做功，气体分子的平均动能减小
C．气体对外界做功，气体分子的平均动能增大
D．气体对外界做功，气体分子的平均动能减小
D [绝热膨胀过程是指气体膨胀过程未发生热传递，膨胀过程气体体积增大，外界对气体做的功W＜0，由ΔU＝U2－U1＝W可知，气体内能减少．由于气体分子间的势能忽略，故气体分子的平均动能减小．故选项D正确．]
热和内能
1．热传递
(1)热量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，叫作热传递．
(2)热传递的三种方式：热传导、热对流和热辐射．
2．热传递的实质
热传递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．传递的热量与内能改变的关系
(1)在单纯热传递中，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)在单纯热传递中，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.
4．热传递具有方向性
热量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．
5．改变内能的两种方式的比较
比较项目
做功
热传递
内能变化
外界对物体做功，物体的内能增加；物体对外界做功，物体的内能减少
物体吸收热量，内能增加；物体放出热量，内能减少
物理实质
其他形式的能与内能之间的转化
不同物体间或同一物体不同部分之间内能的转移
相互联系
做一定量的功或传递一定量的热量在改变内能的效果上是相同的
【例2】 (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．在两者达到热平衡以前的任意一段时间内，铜块内能的减少量都等于铁块内能的增加量
D．达到热平衡时，铜块的温度比铁块的低
E．热平衡时，两者的温度相等
思路点拨：(1)热传递的方向从高温物体传向低温物体．
(2)热平衡的条件是温度相等．
ACE [热平衡条件是温度相等，热传递的方向是从温度高的物体传向温度低的物体．在热传递过程中高温物体放出的热量等于低温物体吸收的热量，因此A、C、E正确，B、D错误．]
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热传递时，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．
2．(多选)关于热量、功和内能的下列说法中正确的是( )
A．热量、功、内能三者的物理意义等同
B．热量、功都可以作为物体内能的量度
C．热量、功都可以作为物体内能变化的量度
D．热量、功、内能的单位相同
E．热量和功是由过程决定的，而内能是由物体状态决定的
CDE [物体的内能是指物体内所有分子动能和分子势能的总和，而要改变物体的内能可以通过做功和热传递两种途径，这三者的物理意义不同，A项错误；热量是表示在热传递过程中物体内能变化多少的，而功也是用做功的方式量度物体内能变化多少的，B项错误，C项正确；三者的单位都是焦耳，D项正确；热量和功是过程量，内能是状态量，E项正确．]
课 堂 小 结
知 识 脉 络
1.焦耳两个实验的原理和结论.
2.绝热过程中做功与内能变化的关系.
3.热传递过程中热量与内能变化的关系.
4.做功和热传递对改变内能是等效的.
1．在绝热过程中，外界压缩气体做功20 J，下列说法正确的是( )
A．气体内能一定增加20 J
B．气体内能增加必定小于20 J
C．气体内能增加可能小于20 J
D．气体内能可能不变
A [做功的过程是能量转化的过程，在绝热过程中，做多少功，内能就增加多少，所以选项A正确．]
2．关于热传递，下列说法正确的是( )
A．热传递是高温物体的温度传给低温物体
B．并不接触的物体之间不会发生热传递
C．比热容相同的物体之间不会发生热传递
D．温度相同的物体之间不会发生热传递
D [热传递实质是内能从高温物体转移到低温物体，传递的不是温度，传递的是热量，A项错误；不接触的物体之间可以通过热辐射的方式进行热传递，B项错误；热量总是从温度高的物体传递给温度低的物体，和物体的比热容没有关系，C项错误；温度相同的物体之间不存在温度差，不会发生热传递，D项正确．]
3．下列各事例通过热传递改变物体内能的是( )
A．车床上车刀切削工件后发热
B．擦火柴时火柴头温度升高
C．用肥皂水淋车刀后车刀降温
D．搓搓手就会觉得手发热
C [车床上车刀切削工件后发热，擦火柴时火柴头温度升高，搓搓手就会觉得手发热都是通过做功改变物体内能；用肥皂水淋车刀后车刀降温是通过热传递改变物体内能的，选项C正确．]
课件44张PPT。第十章 热力学定律1 功和内能
2 热和内能234能量 吸热 放热 5上升 热效应 方式 6自身状态 绝热 变化 7温度 温度 热量 8内能 内能 转化 内能的转移 9×√×√×101112131415功和内能16171819202122232425热和内能 262728293031323334353637383940414243点击右图进入…Thank you for watching !课时分层作业(十三)
(时间：40分钟 分值：100分)
[基础达标练]
一、选择题(本题共6小题，每题6分)
1．(多选)下列说法正确的是( )
A．外界对气体做功，气体的内能一定增大
B．气体从外界吸收热量，气体的内能一定增大
C．气体温度越高，气体分子无规则运动的平均动能越大
D．做功和热传递对改变物体的内能是等效的
E．温度是气体分子无规则运动平均动能的标志
CDE [物体内能的变化与做功和热传递两个因素有关．外界对气体做功，同时物体有可能向外界放出热量，内能有可能不变甚至减小，故A错；同理，气体从外界吸收热量，同时也有可能对外界做功，气体的内能不一定增大，故B错；而温度是物体分子热运动平均动能的标志，气体的温度越高，气体分子无规则运动的平均动能越大，故C、D、E对．]
2．(多选)下列所述现象中属于利用热传导的方式来传热的是( )
A．冬天，用手去拿室外的铁块，手感到冷
B．夏天，开空调后一段时间整个房间内温度降低
C．在地面上晒小麦
D．冬天，用暖水袋暖手
E．用金属柄的铁勺子舀沸腾的热水时烫手
ADE [冬天，室外的铁块温度低，手温度高，用手拿铁块时，手上的热量直接通过热传导的方式传到铁块上．用暖水袋暖手，道理同上．开空调后整个房间内温度降低，是空气通过对流的方式使热空气降温．晒小麦是依靠太阳热辐射来吸收热量的，所以A、D、E正确．]
3．关于温度、热量、内能，以下说法正确的是( )
A．一个铁块的温度升高，其内能增大
B．物体吸收热量，其温度一定升高
C．温度高的物体比温度低的物体含有的热量多
D．温度总是从物体热的部分传递至冷的部分
A [选项B中，物体吸收热量，温度不一定就升高，例如晶体熔化、液体沸腾这些过程；选项C中热量是在热传递过程中传递能量的多少，是过程量，因此不能说物体含有热量；选项D中，在热传递的过程中，传递的是能量，不是温度，温度变化是能量变化的表象．]
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( )
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
E．物体的分子势能可能增加了50 J
BDE [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．(多选)在一个绝热汽缸里，若因气体膨胀，活塞把重物逐渐举高，则在这个过程中，汽缸中的气体(可视为理想气体)( )
A．温度升高 B．温度降低
C．内能增加 D．内能减少
BD [汽缸绝热，封闭气体膨胀对活塞做功，气体的内能减少．理想气体的内能只与气体的温度有关，可知气体内能减少，温度降低，故B、D两项正确．]
6．(多选)A、B两物体之间接触，但没有发生热传递，则( )
A．两物体所含有的热量相等
B．两物体的内能相等
C．两物体的温度相同
D．两物体的内能不一定相等
CD [处于热平衡的两物体温度相等，不发生热传递．物体的内能取决于物体的物质的量、温度和体积，温度相等，内能不一定相等，所以选项C、D正确．]
二、非选择题(14分)
7．(1)远古时代，取火是一件困难的事，火一般产生于雷击或磷的自燃．随着人类文明的进步，出现了“钻木取火”等方法. “钻木取火”是通过________方式改变物体的内能，把________转化为内能．
(2)某同学做了一个小实验：先把空的烧瓶放到冰箱冷冻，1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，这是因为烧瓶里的气体吸收了水的________，温度__________，体积________．
[解析] (1)钻木取火是通过做功方式把机械能转化为内能的．
(2)将烧瓶放进热水中，烧瓶内的气体吸热膨胀．
[答案] (1)做功 机械能 (2)热量 升高 增大
[能力提升练]
一、选择题(本题4个小题，每小题6分)
1．(多选)器壁透热的汽缸放在恒温环境中，如图所示．汽缸内封闭着一定量的气体，气体分子间相互作用的分子力可以忽略不计．当缓慢推动活塞(忽略摩擦)Q向左运动的过程中，有下列说法：
①活塞对气体做功，气体的平均动能增加；
②活塞对气体做功，气体的平均动能不变；
③气体的单位体积内的分子数增大，压强增大；
④气体的单位体积内的分子数增大，压强不变；
⑤活塞对气体做功，气体的内能不变．
其中不正确的是( )
A．①③ B．①④
C．②③ D．②④
E．③⑤
ABD [解决本题的关键是理解缓慢推动活塞Q的物理含义．推动活塞Q使活塞对气体做功，本来气体的温度应升高，但是由于缓慢推动活塞，所以使气体增加的内能又以热量的形式释放到周围环境中，由于环境温度恒定，所以汽缸内气体的温度不变，气体的平均动能不变，忽略分子力时，气体的内能不变，①错误，②⑤正确．由于气体被压缩，气体单位体积内的分子数增大，所以单位面积上汽缸受到气体分子的碰撞次数增多，因此，气体的压强增大，③正确，④错误．]
2．(多选)如图所示，柱形容器内封有一定质量的空气，质量为m的光滑活塞与容器都用良好的隔热材料制成．另有质量为M的物体从活塞上方的A点自由下落到活塞上，并随活塞一起到达最低点B而静止．在这一过程中，下述空气内能的改变量ΔU、外界对气体所做的功W与物体及活塞的重力势能的变化关系中不正确的是( )
A．Mgh＋mgΔh＝ΔU＋W
B．ΔU＝W，W＝Mgh＋mgΔh
C．ΔU＝W，WD．ΔU≠W，W＝Mgh＋mgΔh
E．Mgh＋mgΔh>ΔU
ABD [物体与活塞碰撞时有机械能损失，因此物体和活塞重力势能的减少量大于气体内能的增加量；根据功与内能增加量的关系可知，外界对气体所做的功W与空气内能的变化量相等，因此ΔU＝W，W3．(多选)如图所示，A、B两装置均由一支一端封闭、一端开口且带有玻璃泡的管状容器和水银槽组成，除玻璃泡在管上的位置不同外，其他条件都相同．将两管抽成真空后，开口向下竖直插入水银槽中(插入过程没有空气进入管内)，水银柱上升至图示位置停止．假设这一过程水银与外界没有热交换，则下列说法不正确的是( )
A．A中水银的内能增量大于B中水银的内能增量
B．A管内水银的重力势能大于B管的
C．B中水银的内能增量大于A中水银的内能增量
D．A和B中水银体积保持不变，故内能增量相同
E．A和B中水银温度始终相同，故内能增量相同
ADE [大气压对水银槽内的水银做相同的功，因为玻璃管内吸进的水银一样多，所以水银槽内的液面下降相同的高度，A管重心高于B管，A管内水银重力势能大于B管的，故A管内水银的内能增量小于B管的，B、C正确．]
4．(多选)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．用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的下列说法不正确的是( )
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
E．甲中内能的增加量大于乙中内能的减少量
ABC [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．对于甲室内的气体，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，其内能应增大；对乙室内的气体，活塞左移，气体膨胀，气体对外界做功，内能应减小；外力做的正功应等于甲、乙内能变化量的代数和，故E正确．]
二、非选择题(本题共2小题，共26分)
5．(12分)如图所示，绝热隔板S把绝热的汽缸分隔成体积相等的两部分，S与汽缸壁的接触是光滑的．两部分中分别盛有相同质量、相同温度的同种气体a和b.气体分子之间相互作用可忽略不计．现通过电热丝对气体a缓慢加热一段时间后，a、b各自达到新的平衡状态．试分析a、b两部分气体与初状态相比，体积、压强、温度、内能各如何变化？
[解析] 汽缸和隔板绝热，电热丝对气体a加热，a温度升高，压强增大，体积增大，内能增大；
a对b做功，b的体积减小，温度升高，压强增大，内能增大．
[答案] 见解析
6．(14分)某同学想要估测每秒钟太阳辐射到地球表面上的能量，他用一个横截面积S＝3.2 dm2的保温圆筒，筒内装有质量为m＝0.4 kg的水，让太阳光垂直照射t＝3 min，水升高的温度Δt＝2.2 ℃，已知水的比热容c＝4.2×103 J/(kg·℃)，地球半径为R＝6 400 km，试求出太阳向地球表面辐射能量的功率．
[解析] 水吸收的能量：
Q＝cmΔt＝4.2×103×0.4×2.2 J＝3 696 J
太阳光在1 s内垂直照射到S0＝1 m2面积上的功率：
P＝＝W＝6.4×102 W
太阳辐射到地球表面上能量的功率：
P′＝P×＝6.4×102×3.14×(6 400×103)2 W＝8.2×1016 W.
[答案] 8.2×1016 W
