center130175第十三章 内 能
00第十三章 内 能
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left101600★☆☆题型1 分子动理论的理解
★★☆题型2 区分温度、内能、热量
★★☆题型3 物体内能的改变
★★☆题型4 比热容理解及应用
★★★题型5 热量的计算
★★☆题型6 比热容图象分析
00★☆☆题型1 分子动理论的理解
★★☆题型2 区分温度、内能、热量
★★☆题型3 物体内能的改变
★★☆题型4 比热容理解及应用
★★★题型5 热量的计算
★★☆题型6 比热容图象分析
题型1 分子动理论的理解 ★☆☆
● 解题必备
1.物质的构成
常见的物质是由极其微小的粒子——分子 、原子构成的。如果把分子看成球形,一般分子的直径只有百亿分之几米,人们通常以10-10 m为单位来量度分子。
2.分子热运动
(1)扩散现象
right67310①扩散指的是不同物质相互接触此进入对方的现象。
②因为相互接触的物体的分子是在无规则运动着,所以可使不同物质以分子的形态进入对方,它应区别于用机械的方法对物体进行搅拌,或因重力、压力等外力使物体发生的宏观运动。
③扩散现象表明:一切物质的分子都在不停地做无规则运动。
④影响扩散的因素:当物质的温度越高时,扩散进行得越快。这就说明,温度越高,分子的无规则运动越剧烈。
(2)分子的热运动
①由于分子运动的剧烈程度与温度有关,分子永不停息的无规则运动又叫分子的热运动。
②扩散现象是分子热运动的宏观表现。
3.分子间的作用力
(1)分子间存在引力和斥力。
(2)固、液,气三态物质的宏观特性和微观特性
物态
微观特性
宏观特性
分子间距离
分子间作用力
有无固定形状
有无固定体积
固态
小
很大
有
有
液态
较大
较大
无
有
气态
很大
极小
无
无
4.分子动理论
常见的物质是由大量的分子、原子构成的;物质内的分子在不停地做热运动;分子之间存在引力和斥力。
● 解题模板
该题型主要考查分子热运动的识别及影响因素。在解此类问题时应注意:分子很小,用肉眼看见的并不是单个分子,而是大量分子的集合体,如灰尘、粉尘、烟雾等。
● 典型例题
典例一(2020 ?黄浦区)下列现象中,能用分子动理论解释的是( )
A.烟从烟囱里冒出来
B.水往低处流
C.滴在地砖上的污渍,时间越久越难擦净
D.风吹时,风车转动
解析:分子动理论包括:物质是由大量分子组成的,分子在永不停息地做无规则运动,据此进行分析判断即可。
解:A、从烟囱里冒出来的烟是固体颗粒,是宏观物体的运动,不是分子运动,故A错误;
B、水往低处流,水的流动是宏观物体的运动,不是分子的运动,故B错误;
C、滴在地砖上的污渍,由于分子的运动而进入地砖更深,故难以擦净,故C正确;
D、风吹时,风车的运动是宏观物体的运动,不是分子的运动,故D错误。
故选:C。
典例二(2020?驻马店)下列现象中,属于分子热运动的是( )
A.放在水中的花粉粒不停的无规则运动 B.桂花飘香
C.落叶随秋风四处游走 D.打扫校道时可见尘土飞扬
解析:热运动是分子的运动,不是固体颗粒的运动,热运动的剧烈程度只与温度有关;
在物理学里,一个物体相对于另一个物体的位置,或者一个物体的某些部分相对于其他部分的位置,随着时间而变化的过程叫做机械运动机械运动。
解:A、放在水中的花粉粒不停的无规则运动是机械运动,故A错误;B、桂花飘香是分子热运动的结果,是扩散现象,故B正确;C、落叶随秋风四处游走是落叶相对于地面发生了位置变化,是机械运动,故C错误;D、打扫校道时可见尘土飞扬是尘土相对于地面发生了位置变化,是机械运动,故D错误。
故选:B。
题型2 区分温度、内能、热量 ★★☆
● 解题必备
1. 内能
(1)定义:构成物体的所有分子,其热运动的动能与分子势能的总和,叫物体的内能。
(2)单位:焦耳(J)。
(3 )物体内能的特点:
①任何温度下的一切物体都具有内能。
②同一个物体的温度越高,内能越大。
(4)影响物体内能大小的因素
①与物体的温度有关:物体的质量、体积一定时,温度越高,物体内部分子的无规则运动越剧烈,分子动能越大,物体的内能越大。
②与物体的体积大小有关:物体的质量、温度一定时,物体的体积大小影响分子之间的距离,就影响了分子间的相互作用力的大小,从而影响分子势能的大小,进而影响物体内能的大小。
③与物体的质量有关:物体的温度、体积一定时,质量越大,分子的数目就越多,物体的内能就越大。
④与构成物体的物质种类有关:因不同物质的分子大小、结构不同,在温度相同时,尽管它们的分子动能相同,但分子势能不相同。
⑤与物体的状态有关:物体的质量、温度一定时 ,物体的状态影响分子间的距离,同样能影响分子间相互作用力的大小,从而影响分子势能的大小,如相同质量0℃的冰和0℃的水,虽然它们温度相同,但是内能不相同。
(5)内能与机械能的区别与联系
内能
机械能
区别
研究对象
物体内所有分子
宏观物体
决定因素
由物体内所有分子的热运动和相对位置决定,与物体的温度、体积等因素有关。
动能和势能的总和,由物体的质量、速度、位置和形变量决定。
数值
永远大于零
可能等于零
联系
一个物体可以同时具有内能和机械能,内能和机械能在一定条件下可以相互转化。
2.热传递和热量
(1)热传递
①定义:使温度不同的物体互相接触,低温物体温度升高,高温物体温度降低的过程。
②热传递的条件:物体之间存在着温度差。
③热传递的方向:能量从高温物体传递到低温物体。
(2 )热量:在热传递过程中,传递能量的多少。
在热传递过程中,高温物体的内能减少,放出了热量;低温物体的内能增加,吸收了热量。物体放出或吸收的热量越多它的内能改变越大。
(3 )温度、热量、内能的区别
区别
温度
热量
内能
定义
宏观上:表示物体冷热程度。微观上:反映物体中大量分子无规则运动的剧烈程度。
在热传递过程中,吸收或放出能量的多少,是能量转移的数量。
物体内所有分子热运动的动能和分子势能的总和。
量的
性质
状态量
过程量
状态量
表述
只能说“是”、“降低”、“升高”。
只能说“放出”、“吸收”。
只能说“有”、“改变”。
单位
摄氏度(℃)
焦耳(J)
焦耳(J)
● 解题模板
第一步 解答此类问题要时刻牢记以下关键点:
(1)改变物体内能有两种方法——做功和热传递,这两种方法对改变物体的内能是等效的;如果没有看见内能的改变过程,则无法确定是用哪种方法使物体内能改变的。
(2 )晶体熔化、液体沸腾时吸热,温度不变。
(3 )描述热量的词是“吸收”或“放出”,不能说“含有”“具有”。
(4)内能的多少与温度、质量、状态等诸多因素有关。
第二步 根据具体情况进行作答。。
● 典型例题
典例一(2019 ?淮南)关于温度,热量和内能,说法正确的是( )
A.物体的内能增加,温度一定升高 B.物体温度降低,内能一定减少
C.物体温度升高,一定吸收了热量 D.物体吸收了热量,温度一定升高
解析:(1)同一物体的内能大小与温度有关,温度越高内能越大,分子的热运动越剧烈;(2)晶体熔化、凝固以及液体沸腾过程温度不变的特点;(3)改变物体内能的两种方法:做功和热传递。
解:A、在晶体熔化或液体沸腾的过程中,虽然吸收热量,内能增加,但温度不变,故A错误;B、对于同一物体来说,其温度降低,内能一定减少,故B正确;C、做功和热传递都可以改变物体的内能,若物体的温度升高,可能是吸收了热量,即发生热传递,也可能是由于其它物体对它做功造成的,故C错误;D、物体吸收了热量,物体内能增加,温度不一定升高,如晶体熔化,温度不变,只是状态变化,故D错误。
故选:B。
典例二(2020?南京)下列关于热量、内能的说法中正确的是( )
A.0℃的冰水没有内能
B.物体的机械能增加,其内能也一定增加
C.0℃的冰熔化成0℃的水,由于温度不变,所以它的内能不变
D.热量是物体内能改变多少的量度
解析:(1)一切物体在任何温度下都有内能;(2)机械能和内能没有必然的联系;(3)内能的大小与物体的质量、温度和状态有关;(4)热量是物体内能改变多少的量度;
解:A、一切物体在任何温度下都有内能,故A错误;
B、机械能和内能没有必然的联系,故物体的机械能增加,其内能不一定增加,故B错误;
C、0℃的冰熔化成0℃的水,虽然温度不变,但需要吸热,所以内能增加,故C错误;
D、热量是物体内能改变多少的量度,故D正确;
故选:D。
题型3 物体内能的改变 ★★☆
● 解题必备
1.热传递对内能的改变
(1)热传递的结果:高温物体内能减少,低温物体内能增加,持续到物体的温度相同为止。
(2)在热传递过程中,物体的温度升高,内能增加;物体的温度降低,内能减少。
2.做功对内能的改变
(1 )对物体做功,物体的内能会增加。例如:钻木取火时木棍克服摩擦力做功,从而使物体的温度升高,内能增加。
(2)物体对外做功,物体的内能会减少。例如:气体膨胀对外做功,气体温度降低,内能减少。
3.虽然做功和热传递在改变物体的内能上是等效的,但它们也有本质的区别。做功是使其他形式的能与内能之间发生相互转化,而热传递是内能的转移。
right95885!注意:
(1)做功不一定都使物体的内能发生变化。做功是否一定会引起物体内能的改变,这要看物体消耗的能量是否转化为物内能。
(2)物体吸收热量,内能增加,但温度不一定升高、物体放出热量,内能减少,但温度不一定降低。如晶体的熔化和凝过程。
00!注意:
(1)做功不一定都使物体的内能发生变化。做功是否一定会引起物体内能的改变,这要看物体消耗的能量是否转化为物内能。
(2)物体吸收热量,内能增加,但温度不一定升高、物体放出热量,内能减少,但温度不一定降低。如晶体的熔化和凝过程。
● 解题模板
第一步改变物体的内能有两条途径:做功和热传递。
第二步内能和其他形式的能转化对应做功,内能的转移对应热传递。
第三步做功和热传递对改变物体的内能是等效的。如果没有看到内能改变的过程,则无法确定是通过做功还是热传递来改变物体内能的。
● 典型例题
4453255619760典例一 (2020?黄冈)将“气压火箭”发射筒内充满气体,并在发射管外安装好纸火箭外壳。如图所示,按下发射气阀,随着“砰”的一声响,火箭飞出,同时看到下端管口出现了明显的“白气”。下列叙述中正确的是( )
A.“白气”是水蒸气
B.“白气”是由于外界水蒸气吸热产生的
C.发射筒内气体与外界气体发生热传递,内能增加
D.发射筒内气体对筒身与纸火箭做功,内能减小
【解析】(1)物质由气态变为液态叫液化,液化放热;由液态变为气态叫汽化,汽化吸热;
(2)改变内能的方法有:做功和热传递;当气体膨胀对外做功时,气体的内能减小,温度降低。
解:AB、管口出现的“白气”是水蒸气遇冷时放热,液化形成的小水滴,故AB错误;CD、按下发射气阀,筒内气体对筒身与纸火箭做功,筒内气体的内能减小,温度降低,故C错误,D正确。
故选:D。
right358775典例二 (2020?门头沟区)如图所示,在试管内装适量水,用橡胶塞塞住管口,将水加热一段时间后,橡胶塞被推出,管口出现大量“白气”。此实验中,主要是通过做功改变物体内能的过程是( )
A.试管变热的过程 B.水变热的过程
C.水变成水蒸气的过程 D.水蒸气推出橡胶塞的过程
【解析】改变物体内能的方法:一是做功(能量转化),二是热传递(能量转移),两种方法对于改变物体内能来说是等效的。
解:A、试管变热,是试管从火吸收热量,内能增加,是通过热传递改变物体的内能,故A不符合题意;
B、水变热,是水吸收热量,内能增大,是通过热传递改变物体的内能,故B不符合题意;
C、水吸热,温度升高,汽化成水蒸气,是通过热传递改变物体的内能,故C不符合题意;
D、水蒸气推出橡胶塞的同时变成“白气”的过程,是水蒸气膨胀做功,将水蒸气的内能转化为橡胶塞的机械能,是通过做功改变物体的内能,故D符合题意。
故选:D。
题型4 比热容的理解与应用 ★★☆
● 解题必备
1.比热容的定义
一定质量的某种物质,在温度升高时吸收的热量与它的质量和升高的温度乘积之比,叫这种物质的比热容。
2.单位
比热容的单位是J/(kg.℃),读作焦每千克摄氏度。
3.对比热容的理解
(1)比热容是物质的一种特性,每种物质都有自己的比热容。物质的比热容由物质本身决定,与其他因素无关。
(2)同种物质在不同状态时比热容不同,如水和冰的比热容不同。
right301625点拨:
单位质量的某种物质,温度降低1℃放出的热量,与它温度升高1℃吸收的热量相等,数值上等于它的比热容。
00点拨:
单位质量的某种物质,温度降低1℃放出的热量,与它温度升高1℃吸收的热量相等,数值上等于它的比热容。
(3)比热容是表示物质吸热能力强弱的物理量。
4.水的比热容
常见物质中水的比热容最大,为4.2×103J/(kg.℃),表示质量为1kg的水,温度升高1℃时,所吸收的热量为4.2×103J。
● 解题模板
比热容是物质的一种特性 ,应用比热容知识分析实际问题时,可以从以下两个角度进行:
第一步从温度变化的观点答题:根据公式Q=cm?t可有△t= Qcm由此可得出不同的物质在质量相同、吸收或放出相同热量的情况下,比热容大的物质的温度变化小。
第二步从热量的观点答题:根据公式Q=cm?t可知,在质量和温度变化相同的条件下,比热容大的物质,吸收或放出的热量多。
● 典型例题
典例一 (2020?邛崃市)如图是用相同的加热装置对a、b两种物质加热时(不计热量损失),它们的温度随时间变化的图象。下列对图象的分析正确的是( )
374840573025A.t1~t2时间内物质a的温度不变,内能不变
B.温度从T1升高到T2时,a物质吸收的热量比b多
C.若a、b质量相等,则a的比热容小于b的比热容
D.若a、b是同种物质,则a的质量大于b的质量
【解析】(1)液体的沸腾或晶体的熔化过程吸热温度不变,内能增加;
(2)用相同的加热装置对a、b两种物质加热,吸收热量的多少通过加热时间的长短来反映的;
(3)根据Q=cm△t分析a、b比热容的大小;
(4)根据Q=cm△t分析a、b质量的大小;
解:由图象知:
A、t1-t2时间内物质a的温度虽然不变,但继续吸收热量,所以其内能增加,故A错误;
B、用相同的加热装置对a、b两种物质加热,吸收热量的多少通过加热时间的长短来反映的;
温度从T1升高到T2时,a物质的加热时间比b物质短,所以a物质吸收的热量比b少,故B错误;
C、如果a、b质量相等,升高相同的温度时,a的加热时间短,则a吸收的热量少,根据Q=cm△t知,a的比热容小于b的比热容,故C正确;
D、如果a、b是同种物质,比热容相同,升高相同的温度时,a的加热时间短,则a吸收的热量少,根据Q=cm△t知,a的质量小于b的质量,故D错误。
故选:C。
典例二 (2020?福田区)在生活中水有多种用途,这些用途的背后也包含着许多物理原理,以下水的作用与运用原理都正确的是( )
A.气温骤降时,果农给没有成熟的橘子喷水-水的凝固吸热,防止橘子冻伤
B.汽车装有水箱作为散热器帮助气缸降温-水的比热容比较大,可以吸收较多的热量
C.炎热的夏天,在地上洒水可以降低室内气温-水的液化吸热,带走空气的热量
D.寒冷地区,岩石裂隙中的水结冰后会使岩石崩裂-水结冰密度变大,体积膨胀
【解析】(1)物质由液态变成固态发生的是凝固现象,凝固过程放出热量;
(2)水的比热容大,相同质量的水和其它物质比较,吸收或放出相同的热量,水的温度升高或降低的少;升高或降低相同的温度,水吸收或放出的热量多;
(3)物质由液态变成气态发生的是汽化现象,汽化过程需要吸热;
(4)一定质量的水结冰体积膨胀,密度变小。
解:A、气温骤降时,果农给没有成熟的橘子喷水,水凝固成冰放出热量,使橘子的温度不会降得太低,能避免橘子被冻坏,故A错误;
B、因为水的比热容较大,在相同条件下水能带走较多的热量,所以汽车发动机用水做冷却剂,故B正确;
C、炎热的夏天在地上洒水,利用水汽化时能吸收大量热量来降低温度,故C错误;
D、水结冰后质量不变,密度变小,由ρ=mV可知,体积变大,故会使岩石崩裂,故D错误。
故选:B。
题型5 热量的计算 ★★★
● 解题必备
1.物体吸收热量公式:Q吸 =cm(t-to)。
2.物体放出热量公式:Q放 =cm(to-t)。
3.一般式:Q=cm?t,其中?t表示温度的变化量(升高或降低),则Q表示吸收的热量或放出的热量。
4.在利用热量公式进行计算时,需要注意以下四点:
(1)正确理解公式中各量的物理意义。
(2)同一公式中各物理量的单位必须统一。
比热容c的单位是J/(kg?℃),质量m的单位是kg,温度(t或t0或?t)的单位是℃,热量Q的单位是J。
(3)公式适用于物态不发生变化时物体升温(或降温)过程中吸热(或放热)的计算。如果过程中存在着物态变化,则不能使用这几个公式。例如:冰熔化为水,此时冰的温度(或冰水混合物的温度)没有变化,但需要从外界吸收热量。
(4)注意文字叙述中“升高了t℃”“降低了t℃”对应的是温度的改变量,而“升高到t℃”“降低到t℃”对应的是物体的末温。
● 解题模板
第一步明确题目中的已知物理量和待求物理量。
第二步择合适的公式代入数据进行计算求解,解题时一定要注意各物理量对应的数值。
● 典型例题
right92075典例一 (2020?泸县)如图所示,是某物质的凝固图象,第20min的内能 (填“大于”、“小于”或“等于”)第10min的内能;若该物质是均匀放热,且质量不变,那么500g该液体从A点降温到B点,要放出 J的热量;从图象可以看出,该物质液态与固态的比热容之比为 。(常见物质比热容:水4.2×103J/(kg?℃),酒精2.4×103J/(kg?℃),水银0.14×103J/(kg?℃))
【解析】(1)根据图象可知该物质的凝固时保持0℃不变,据此判断出该物质是水,水在凝固时,放出热量、内能较小,温度不变;
(2)由图可知水从A点降温到B点时降低的温度,根据Q放=cm△t求出此过程中放出的热量;该物质是均匀放热,且质量不变,据此得出液态降温10℃和固态降温20℃时放出的热量相等,根据Q放=cm△t求出该物质液态与固态的比热容之比。
解:(1)由凝固图象可知,该物质的凝固时温度保持0℃不变,则图线为水的凝固图象,
因水在凝固时,放出热量、内能变小,所以第20min的内能小于第10min的内能;
(2)由图象可知,水从A点降温到B点时,温度降低了10℃,
所以,此过程中放出的热量Q放=c水m△t=4.2×103J/(kg?℃)×0.5kg×10℃=2.1×104J;
因该物质是均匀放热,且质量不变,
所以,相同时间内,物质放出的热量相等,
由图象知,液态降温10℃和固态降温20℃所用的时间相等,所以它们放出的热量相等,
则该物质液态与固态的比热容之比:C液c固=Qm?t1Qm?t2=?t2?t1=20℃10℃=21
故答案为:小于;2.1×104;2:1;
典例二 (2019秋?营山县)将200g 80℃的热水和20℃的冷水混合,混合后水的温度为50℃,问:
(1)混合过程中热水放出多少热量?
(2)混合时加入的20℃的冷水质量是多少?(设混合过程中无热量损失)
【解析】(1)知道热水的质量和初温、末温以及比热容,根据Q放=cm(t0-t)求出混合过程中热水放出的热量;(2)混合过程中无热量损失时冷水吸收的热量和热水放出的热量相等,又知道冷水的初温、末温以及比热容,根据Q吸=cm(t-t0)求出混合时加入冷水的质量。
解:(1)混合过程中热水放出的热量:
Q放=cm(t0-t)=4.2×103J/(kg?℃)×0.2kg×(80℃-50℃)=2.52×104J;
(2)设混合过程中无热量损失,则冷水吸收的热量:
Q吸=Q放=3.36×104J,
由Q吸=cm(t-t0)可得,混合时加入冷水的质量:
m′=Q吸c(t-t0/)=2.54×104J4.2×103J/(kg.℃)×(50℃-20℃)=0.2kg=200g
答:(1)混合过程中热水放出2.52×104J的热量;
(2)混合时加入的20℃的冷水质量为200g。
题型6 比热容图象分析 ★★☆
● 解题必备
解答图象问题,注意把握以下几点:
1.明确横坐标和纵坐标表示的物理量。
2.在温度——时间图象中,既可以比较加热相同的时间(吸收相同的热量),不同物质升温的高低,也可以比较升高相同的温度,加热时间的长短。
3.在温度——时间图象中,根据C=Qm?t可知,有两种方法可比较不同物质比热容的大小,一是加热时间相同,升温慢的物质比热容大,二是升高相同的温度,加热时间长的物质比热容大。
● 解题模板
第一步 要看清两个坐标轴分别表示的是什么物理量,这两个物理量可以用什么公式联系起来。
第二步 找到对应公式后再结合图象分析。
● 典型例题
3948430368300典例一 (2019 ?苏州)把凉牛奶放在热水中加热,经过一段较长时间,它们的温度随时间变化的图象如图所示牛奶的质量与热水相同,则其中 (选填“甲”或“乙”)代表牛奶温度变化的图象若不考虑热损失。从图象可以发现,甲、乙的比热容之比为 。
【解析】要解答本题需掌握:
(1)水和牛奶的温度随时间变化的图象中各部分的意义。
(2)凉牛奶放在热水在相同时间里吸收和放出的热量相同。根据Q=cm△t判断液体比热容的大小。
解:(1)把凉牛奶放在热水中加热,牛奶吸热、温度升高,热水放热、温度降低,直至两者的末温相等,因此甲是水的温度变化图象,乙是牛奶的温度变化图象;
(2)若不考虑热损失,热水和凉牛奶发生热传递时,凉牛奶吸收的热量和热水放出的热量相同;
根据图象可知,凉牛奶温度升高了(60℃-20℃)=40℃,热水温度降低了(80℃-60℃)=20℃,即△t奶=2△t水;
不考虑热损失,则Q奶吸=Q水放,已知m奶=m水,且△t奶=2△t水,
由Q=cm△t可得甲、乙的比热容之比:
c甲C乙=Q水吸m水?t水:Q奶吸m奶?t水奶=11:1×11×2=21
故答案为:乙;2:1。
right449580典例二(2020?无锡一模)用相同的装置给质量相等的甲、乙两种物质(固态)加热,它们的温度随时间变化情况的一部分如图所示。当加热至2min时,甲吸收的热量 乙吸收的热量(选填“等于”、“大于”或“小于”);从图中可以看出固体物质甲的吸热能力? 固体物质乙的吸热能力(选填“大于”、“小于”或“等于”);根据图象分析固体甲? 晶体(选填“是”、“不是”或“可能是”)。
【解析】分析装置放出热量的多少可以分析甲和乙吸收热量的多少;吸收相同的热量温度变化越慢吸热能量越强;晶体有固定的熔点。
解:用相同的装置加热,在相同的时间内放出的热量相同,故甲吸收的热量等于乙吸收的热量;
从图中可以看出吸收相同的热量甲的温度低,故甲的吸热能力大于乙的吸热能力;
甲有可能还没有达到熔点,所以甲可能是晶体。
故答案为:等于;大于;可能是。