第1节
功和内能
1.(2020·江苏省启东中学高二下学期期末)如图所示，瓶内装有少量的水，瓶口已塞紧，水上方空气中有水蒸气，用打气筒向瓶内打气，当塞子从瓶口跳出时，瓶内出现“白雾”，这一现象产生的原因可以用下面三句话解释：甲，水蒸气凝结成小水珠；乙，瓶内气体推动瓶塞做功，内能减小；丙，温度降低。三句话正确的顺序是( B )
A．甲、乙、丙
B．乙、丙、甲
C．丙、甲、乙
D．乙、甲、丙
解析：根据题意因果顺序的进程为：空气推动瓶塞做功——空气内能减小——瓶内空气温度降低——瓶内水蒸气液化成小水珠即“白雾”，而瓶塞跳起的原因是用打气筒往瓶内打气使气体压强增大所致。
2.(2020·江西省南昌二中高二下学期检测)如图所示，带有活塞的气缸中封闭着一定质量的气体(不考虑分子势能)。将一个热敏电阻(电阻值随温度升高而减小)置于气缸中，热敏电阻与气缸外的欧姆表连接，气缸和活塞均具有良好的绝热性能。下列说法正确的是( D )
A．若拉动活塞使气缸内气体体积增大，需加一定的拉力，说明气体分子间有引力
B．若拉动活塞使气缸内气体体积增大，则欧姆表读数将变小
C．若发现欧姆表读数变大，则气缸内气体内能一定增大
D．若发现欧姆表读数变大，则气缸内气体内能一定减小
解析：气体分子间的距离已经超过分子间作用力所研究的范围，所以不能说明分子间有引力，故A错误；若拉动活塞使气缸内气体体积增大，气体对外做功，内能减小，温度降低，电阻增大，则欧姆表示数将变大，故B错误；发现欧姆表读数变大时，热敏电阻变大，说明温度降低，则气体内能减小，故C错误，D正确。
3．(2020·河北省张家口市一中高二上学期期中)如图，一绝热容器被隔板K隔开成a，b两部分。已知a内有一定量的稀薄气体，b内为真空。抽开隔板K后，a内气体进入b，最终达到平衡状态。在此过程中( B )
A．气体对外界做功，内能减少
B．气体不做功，内能不变
C．气体压强变小，温度降低
D．外界对气体做功，内能增加
解析：因b内为真空，抽开隔板K后，a内气体对外界不做功，且内能不变，故选项A错误，选项B正确；稀薄气体可看作理想气体，其内能只与温度有关，气体的内能不变，温度也不变，由p1V1＝p1V2和V1p2，即气体压强变小，故选项C、D错误。
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-(共29张PPT)
第十章
热力学定律
〔情
景
切
入〕
地球上的能源很多，提供能量的形式各不相同。风、水、洋流和波浪等是以机械能的形式提供的，可以利用各种风力机械和水力机械转化为动力或电力。煤、石油和天然气等一般是通过燃烧把化学能转化为内能，内能可以直接利用。一些热力机械可以把内能转化为动力带动机械或交通工具工作，也可进行热力发电。能量可以互相转化，各种能量最终都转化为内能。你是否知道能量间的转化具有一定的规律呢？请你在本章的学习中得出答案吧。
〔知
识
导
航〕
本章主要讲述了改变物体内能的两种方式：做功和热传递，热力学第一定律和能量守恒定律，以及热力学第二定律和能量耗散。
本章从焦耳的热功当量实验切入，从功是能量转化的量度来认识内能，接着从内能改变的方式——热传递说明热与内能的关系，能的转化和守恒定律是自然界普遍适用的规律。接着以热力学定律来说明能量与热量的区别及联系，最后以新能源开发与应用来结束本章。
本章教材共六节，整章内容可分四部分：第一部分即第一、二节，了解做功和热传递与内能的关系；第二部分即第三节，学习热力学第一定律及其微观解释；第四部分即第四、五、六节，了解热力学第二定律及其微观解释、能源和可持续发展及开发新能源的意义。
本章重点：改变物体内能的两种方式——做功和热传递，热力学第一定律。
本章难点：能量守恒定律，热力学第二定律及微观解释。
〔学
法
指
导〕
本章内容规律较多，且较抽象，初学者理解起来不太容易，给学习带来一定难度，如何突破本章知识要点，把握重点，掌握方法是关键。要注意从实验和模型来建立物理图景，把抽象的事物形象化，更要注意利用科学的假说和模型来研究问题，把不能直接观测的对象转化为能够直接观测的对象。
第一节 功和内能
【素养目标定位】
※
了解焦耳的热功当量实验，明确实验原理
※※
理解内能的概念，并了解功是能量改变的量度
【素养思维脉络】
1
课前预习反馈
2
课内互动探究
3
核心素养提升
4
课堂巩固达标
5
课时强化作业
课前预习反馈
知识点
1
1．绝热过程
系统只通过对外界做功或____________做功而与外界__________能量，它不从外界________，也不向外界________。
2．代表实验
(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
在各种不同的绝热过程中，系统状态的改变与____________无关，仅与做功________有关。
焦耳的实验
外界对它
不交换
吸热
散热
上升
热效应
做功方式
数量
知识点
2
1．内能
任何一个热力学系统都存在一个________________________的物理量，叫系统的内能。
2．做功与内能的关系
做功可以改变系统的内能，功是系统内能转化的________，在国际单位制中，内能和功的单位都是焦耳(J)。
功和内能
只依赖于系统自身状态
量度
3．内能变化与做功的关系
(1)在绝热过程中，外界对系统做功，系统的____________。内能的增量就等于外界________________，即ΔU＝U2－U1＝_____。
(2)在绝热过程中，系统对外界做功，系统的____________。内能的减少量就等于系统________________，即ΔU＝U2－U1＝_______。
内能增加
对系统做的功
W
内能减少
对外界做的功
－W
『判一判』
(1)某一系统经历绝热过程时，只要初末状态相同，则做功数量也一定相同。
( )
(2)在绝热过程中，做功方式不同会直接影响系统状态变化的最终结果。
( )
(3)在绝热过程中，系统对外界做的功等于系统内能的增加量。
( )
(4)功和内能都是能量转化的量度。
( )
(5)搓搓手会感到手暖和些，是通过做功改变了手的内能。
( )
(6)外界对物体做功多，就意味着物体的内能大。
( )
√
×
×
×
√
×
辨析思考
『选一选』
(多选)一定质量的气体封闭在绝热的气缸内，当用活塞压缩气体时，一定增大的物理量有(不计气体分子势能)(
)
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：外力做功，气体体积减小，分子密度增大，内能增加，温度升高，分子的平均动能增加。
BCD
『想一想』
打气筒是日常生活中的一种工具，当我们用打气筒给自行车打气的时候，就是在克服气体压力和摩擦力做功。打气的过程中你有没有试着去摸一下打气筒的外壳？有什么感觉？打气筒的温度升高了，这是怎么回事呢？
答案：做功的过程是能量转化的过程，做功使得系统的内能增加了，所以温度升高。
课内互动探究
做功和内能变化的关系
探究
思考讨论
“火”不但可以用来取暖，还可以用来加热食物，“火”把人类带入了文明的殿堂。我们的祖先很早就发明了“钻木取火”的用具，使人们不再仅仅依靠自然的“恩赐”而得到“火”。
你知道“钻木取火”的道理吗？
提示：做功可以改变物体的内能，“钻木取火”就是通过外力做功，机械能转化为内能。木材内能增加，温度达到着火点而燃烧。
归纳总结
1．内能与内能变化
(1)物体的内能是指物体内所有分子热运动的动能和分子势能之和。
(2)当物体温度变化时，分子平均动能变化。物体体积变化时，分子势能发生变化，即物体的内能是由它的状态决定的，且物体的内能变化只由初、末状态决定，与中间过程及方式无关。
2．做功与内能变化的关系
(1)做功改变物体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。
(2)在绝热过程中，外界对物体做多少功，就有多少其他形式的能转化为内能，物体的内能就增加多少。
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，只有内能变化较大时，对应着做功较多。
特别提醒
(1)外界对某一系统做功时，系统的内能不一定增加，还要看该系统有没有向外放热，以及向外放热的多少。
(2)在绝热过程中，系统内能的增加量等于外界对系统所做的功。
特别提醒
(1)外界对某一系统做功时，系统的内能不一定增加，还要看该系统有没有向外放热，以及向外放热的多少。
(2)在绝热过程中，系统内能的增加量等于外界对系统所做的功。
典例剖析
(多选)(2020·山东省济宁市实验中学高二下学期检测)用密封性好、充满气体的塑料袋包裹易碎品，如图所示。充气袋四周被挤压时，假设袋内气体与外界无热交换，则袋内气体( )
A．体积减小，内能增大
B．体积减小，压强减小
C．对外界做负功，内能增大
D．对外界做正功，压强减小
AC
典
例
解题指导：(1)气体体积减小，外界对气体做正功。
(2)应用做功与内能变化的关系判断内能的变化。
对点训练
如图所示，在紫铜管内滴入乙醚，盖紧管塞。用手拉住绳子两端迅速往复拉动，管塞会被冲开。管塞被冲开前( )
A．外界对管内气体做功，气体内能增大
B．管内气体对外界做功，气体内能减小
C．管内气体内能不变，压强变大
D．管内气体内能增大，压强变大
解析：克服绳与金属管间的摩擦做功，使管壁内能增大，温度升高。通过热传递，乙醚的内能增大，温度升高，直至沸腾，管塞会被冲开。管塞被冲开前管内气体内能增大，压强变大。选项D正确。
D
核心素养提升
焦耳的两个代表性实验
两个实验
实验一
实验二
做功方式
通过重物下落带动叶片搅水，靠叶片与水摩擦使水温升高，通过机械功实现能量转化
通过重物下落使发电机发电，电流通过电阻丝做功使水温升高，通过电功实现能量转化
实验条件
容器及其中的水组成的系统与外界绝热
共性
外界对系统做功数值上相同，系统温度上升数值相同，内能改变相同
(多选)如图为焦耳实验装置图，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
案
例
AC
解析：该实验测定做功和内能变化的关系。可以测定热功当量，A正确；该实验是绝热过程，没有热传递，内能的改变是由于做功，C正确；做功表示能量的转化，而热量表示热传递中内能的转移，二者有区别，B、D错误。第1节
功和内能
(时间：30分钟 总分：50分)
基础夯实
一、选择题(1～3题为单选题，4、5题为多选题)
1．(2020·四川省泸县校级期末)冬天站在室外时，人们习惯地搓着双手以取暖，这个过程中( C )
A．人站着不动就没有做功
B．即使双手光滑也能搓手取暖
C．人体内的化学能转换为双手的机械能
D．双手的内能转换为机械能
解析：搓着双手以取暖，是通过克服摩擦力做功发热取暖的，是人体内的化学能转换为双手的机械能，再通过克服摩擦力做功转化为内能，若双手光滑，就无法克服摩擦力做功，无法取暖，故A、B、D错误，C正确。
2．(2020·河北省张家口市一中高二下学期期中)如图是压力保温瓶的结构简图，活塞a与液面之间密闭了一定质量的气体。假设封闭气体为理想气体且与外界没有热交换，则向下压a的过程中，瓶内气体( A )
A．内能增大
B．体积增大
C．压强不变
D．温度不变
解析：向下压a的过程中，外界对气体做功，瓶内气体内能增大，选项A正确；向下压a的过程中，瓶内气体体积减小，压强增大，温度升高，选项B、C、D错误。
3．下列有关焦耳及焦耳实验的说法中正确的有( D )
A．焦耳是法国物理学家，他的主要贡献是焦耳定律及热功当量
B．焦耳实验中用到的容器可以用普通玻璃杯代替
C．焦耳实验中的研究对象是容器中的水
D．焦耳实验中要使容器及其中的水升高相同的温度，实验中悬挂重物的质量、下落的高度可以不相同，但做功必须相同
解析：焦耳是英国物理家，A错误；焦耳实验的要求是研究对象为绝热系统，普通玻璃杯达不到绝热要求，B错误；实验的研究对象是容器及其中的水组成的系统，C错误；要使水及容器升高相同的温度即内能增加相同，则必须做功相同，D正确。
4.如图所示，在固定的真空容器A内部固定着一个绝热气缸B，用质量为m的绝热活塞P将一部分理想气体封闭在气缸内。撤去阀门
K，不计摩擦阻力，活塞将向右运动，该过程( BD )
A．气体膨胀时对外不做功
B．气体膨胀时对外做功
C．气体膨胀时是否对外做功无法确定
D．活塞做加速运动，缸内气体温度降低
解析：虽然A内为真空，但气体膨胀时会推动活塞使其向右做加速运动，即气体对外做了功，所以选项A、C错误，选项B正确；缸内理想气体对外做功，内能减小，温度降低，选项D正确。
5．早些年农村的小孩子常用旧圆珠笔芯做一种玩具，铁丝的一端缠绕棉花，用水打湿后从一端塞入笔芯内，将笔芯的另一端用力在马铃薯上触一下拔出来，然后用力推铁丝，马铃薯小块高速飞出，能打出十几米远。下列说法正确的是( AC )
A．在推铁丝而马铃薯小块未飞出的过程中，笔芯内密封的气体的温度升高
B．在推铁丝而马铃薯小块未飞出的过程中，气体对外做功
C．马铃薯小块高速飞出的动能来自气体内能
D．马铃薯小块高速飞出时外界对笔芯内气体做功
解析：在快速推铁丝而马铃薯小块未飞出的过程中，笔芯内密封的气体经历绝热压缩的过程，外界对气体做功，内能增加，故笔芯内密封的气体的温度升高，故A正确；在推铁丝而马铃薯小块未飞出的过程中，气体被压缩，是外界对气体做功，故B错误；封闭气体经历绝热膨胀过程，推出马铃薯，故马铃薯小块高速飞出的动能来自于气体内能，这里的气体类似弹簧，故C正确，D错误。
二、非选择题
6．冬季，由于温度太低，很难启动摩托车(在农村启动195型拖拉机也会遇到类似情况)。这时驾驶者往往先关闭油门，连续踏下启动摇杆若干次，然后再打开油门，踏下启动摇杆即可启动，运用的原理是什么？
答案：连续踏下启动摇杆，活塞不断压缩气缸里的气体做功，增加气体的内能，使气体的温度升高，当达到汽油的燃点后，即可启动。
7.如图所示，一个质量为20
kg的绝热汽缸竖直放置，绝热活塞的质量为5
kg，面积为0.1
m2，处于静止状态时被封闭气体的高度为50
cm，现在活塞上方加一15
kg的物体，待稳定后，被封闭气体的高度变为40
cm。求在这一过程中气体的内能增加了多少？(p0＝1.01×105
Pa，g取10
m/s2)
答案：1
030
J
解析：由于汽缸及活塞均绝热，故外界对气体所做的功全部转化为气体的内能，即ΔU＝W外＝(m活塞＋m物体)gΔh＋p0SΔh＝(5＋15)×10×0.1
J＋1.01×105×0.1×0.1
J＝1
030
J。
能力提升
一、选择题(1～4题为单选题，5题为多选题)
1.某汽车后备箱内安装有撑起箱盖的装置，它主要由气缸和活塞组成。开箱时，密闭于气缸内的压缩气体膨胀，将箱盖顶起，如图所示。在此过程中，若缸内气体与外界无热交换，忽略气体分子间相互作用，则缸内气体( A )
A．对外做正功，分子的平均动能减小
B．对外做正功，内能增大
C．对外做负功，分子的平均动能增大
D．对外做负功，内能减小
解析：绝热过程中，气体膨胀，对外做功；内能减小，温度降低，分子的平均动能减小，A选项正确。
2.如图所示，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( D )
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
解析：本题解题的关键是明确甲、乙两气室气体都历经绝热过程，内能改变取决于做功的情况。对甲室内的理想气体，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。
3.如图所示，气缸放置在水平地面上，质量为m的活塞将气缸分成甲、乙两气室，两气室中均充有气体，气缸、活塞是绝热的且不漏气。开始活塞被销钉固定，现将销钉拔掉，活塞最终静止在距原位置下方h处，设活塞移动前后甲气体内能的变化量为ΔE，不计气体重心改变的影响，下列说法正确的是( B )
A．ΔE＝mgh
B．ΔE>mgh
C．ΔED．以上三种情况均有可能
解析：气体甲体积减小，外界对它做正功，其中包括mgh和乙气体分子对活塞的力做功W乙，且为正功，ΔE＝mgh＋W乙。
4．金属筒内装有与外界温度相同的压缩空气，打开筒的开关，筒内高压空气迅速向外溢出，待筒内外压强相等时，立即关闭开关。在外界保持恒温的条件下，经过一段较长的时间后，再次打开开关，这时出现的现象是( B )
A．筒外空气流向筒内
B．筒内空气流向筒外
C．筒内外有空气交换，处于动态平衡，筒内空气质量不变
D．筒内外无空气交换
解析：因高压空气急剧外溢时，气体来不及充分与外界发生热交换，可近似看成绝热膨胀过程，气体对外做功，内能减少，所以关闭开关时，筒内气体温度较外界偏低，再经过较长时间后，筒内外气体温度相同。对筒内剩余气体分析，属等容升温过程，压强要升高，大于外界气压，所以再打开开关时，筒内气体要流向筒外。
5．如图所示，带有活塞的气缸中封闭着一定质量的理想气体(不考虑气体分子势能)，气缸和活塞均具有良好的绝热性能。将一个热敏(电阻随温度升高而减小)电阻置于气缸中，热敏电阻与气缸外的欧姆表连接，气缸固定不动，缸内活塞可自由移动且不漏气，活塞下挂一沙桶，沙桶装满沙子时活塞恰好静止。现将沙桶底部钻一小洞，细沙缓缓漏出。则下列说法正确的是( ACD )
A．外界对气体做功，气体的内能增大
B．气体对外界做功，气体的内能减小
C．气体的压强增大，体积减小
D．欧姆表的指针逐渐向右偏转
解析：沙子漏出，活塞上移压缩气体，气体的体积减小内能增大，故A、C正确，B错误；温度升高，热敏电阻的阻值变小，欧姆表指针右偏，D正确。
二、非选择题
6．汽车内胎放完气后，气门的温度可达到0
℃以下，请你解释一下原因。
答案：以内胎中的气体为系统，气体推动周围大气做功，(对外界气体做功)大气的内能增加，内胎中的气体内能减少，温度降低。如果在较短时间内做较多的功，气门来不及吸热，气门温度就可达到0
℃以下。
7．如图所示为焦耳测定热功当量的实验装置，若重物P、P′的质量共为m＝26.320
kg，每次下落的高度均为h＝160.5
cm，共下落n＝20次，量热器及其中的水和其他物体的平均热容量为c＝6
316
cal/℃，实验中测得温度升高Δt＝0.31
℃，试根据这些数据算出热功当量的值。(热功当量J＝)
答案：4.23
J/cal
解析：重物下落n＝20次共做功
W＝nmgh
量热器中的水及容器等温度升高Δt需吸热Q＝cΔt
由热功当量的定义得
J＝＝
＝
≈4.23
J/cal。
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