第三章热力学定律
1.功、热和内能的改变
课后篇巩固提升
基础巩固
1.下列哪个实例说明做功改变了系统的内能( )
A.热水袋取暖
B.用双手摩擦给手取暖
C.把手放在火炉旁取暖
D.用嘴对手呵气给手取暖
解析双手摩擦做功,使手的内能增加,感到暖和;A、C、D都是通过热传递来改变系统的内能,选项B正确。
答案B
2.如图所示,活塞将一定质量的气体封闭在直立圆筒形导热的汽缸中,活塞上堆放细沙,活塞处于静止,现逐渐取走细沙,使活塞缓慢上升,直到细沙全部取走。若活塞与汽缸之间的摩擦可忽略,则在此过程中
( )
A.气体对外做功,气体温度一定降低
B.气体对外做功,内能一定减少
C.气体压强减小,内能可能不变
D.气体从外界吸热,内能一定增加
解析汽缸是导热的,则可与外界进行热交换,细沙减少时,气体膨胀对外做功,可能由于与外界进行热交换吸热使内能不变。故只有选项C正确。
答案C
3.如图所示,A、B是两个完全相同的球,分别浸没在水和水银的同一深度内,A、B两球用同一种材料制成,当温度稍微升高时,球的体积会明显变大,如果开始水和水银的温度相同,且两液体温度同时缓慢升高同一值,两球膨胀后,体积相等,则( )
A.A球吸收的热量较多
B.B球吸收的热量较多
C.两球吸收的热量一样多
D.无法确定
解析两球初末态温度相同,初末态体积也相同,所以内能增量相同,但水银中的B球膨胀时对外做功多,所以吸热较多,故选B。
答案B
4.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.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。
答案A
5.(多选)如图所示,汽缸放置在水平地面上,质量为m的活塞将汽缸分成甲、乙两气室,两气室中均充有气体,汽缸、活塞是绝热的且不漏气。开始时活塞被销钉固定,现将销钉拔掉(仍不漏气),活塞最终静止在距原位置下方h处,设活塞移动前后甲气室内气体内能的变化量为ΔU,不计气体重心改变的影响,下列说法正确的是( )
A.ΔUB.ΔU>mgh
C.甲气室内气体温度升高,乙气室内气体温度降低
D.乙气室内气体内能的减少量等于甲气室内气体内能的增加量
解析甲气室气体体积减小,外界对它做正功W甲,其中包括活塞对气体做的功mgh和乙气室气体做的功W乙,且为正功,因甲气室内气体变化为绝热过程,所以W甲=ΔU,故ΔU=mgh+W乙,选项B正确,A、D错误。由于甲气室内气体做负功,乙气室内气体做正功,故甲气室内气体内能增加,乙气室内气体内能减小,所以甲气室内气体温度升高,乙气室内气体温度降低,C正确。
答案BC
能力提升
1.(多选)早些年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,然后用力快速推铁丝,马铃薯小块高速飞出,能打出十几米远。下列说法正确的是( )
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,对外做功,马铃薯小块高速飞出的动能来自气体内能,故C正确,D错误。
答案AC
2.若仅对物体做1
200
J的功,可使物体温度升高3
℃,若仅用热传递的方式,使物体温度同样升高3
℃,那么物体应吸收 J的热量,如果对该物体做3
000
J
的功,物体的温度升高5
℃,表明该过程中,物体还 (填“吸收”或“放出”)热量
J。?
解析做功和热传递在改变物体内能上是等效的,因此若用吸热方式使温度升高3
℃,应吸收1
200
J的热量。
若对物体做功3
000
J,温度升高5
℃,而物体温度升高5
℃,需要的功或热量应为2
000
J。
因此物体应放出1
000
J的热量。
答案1
200 放出 1
000
3.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=,Q=cΔt
解析重物下落n=20次共做功W=nmgh
量热器中的水及容器和其他物体温度升高Δt需吸热Q=cΔt
由热功当量的定义得
J==4.23
J/cal。
答案4.23
J/cal(共33张PPT)
1.功、热和内能的改变
学习目标
1.了解焦耳的两个实验的原理,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。
思维导图
必备知识
自我检测
一、焦耳的实验
1.实验条件
绝热过程:系统不从外界吸热,也不向外界放热。
2.代表性实验
(1)让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
在各种不同的绝热过程中,如果使系统从状态1变为状态2,所需外界做功的数量是相同的,即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1、2决定,而与做功的方式无关。
必备知识
自我检测
二、功和内能
1.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,是系统的一种能量,我们把它称为系统的内能。
2.绝热过程中做功与系统内能变化的关系:当系统从某一状态经过绝热过程达到另一状态时,内能的变化量ΔU就等于外界对系统所做的功W,即ΔU=W。
必备知识
自我检测
三、热和内能
1.热传递:热量从高温物体传到低温物体的过程。
2.实现热传递的条件:两物体间存在着温度差。
3.热传递与系统内能变化的关系:系统在单纯的传热过程中内能的变化量ΔU等于外界向系统传递的热量Q,即ΔU=Q。
4.对热量的理解:热量是用来衡量热传递过程中内能变化多少的一个物理量,是一个过程量,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。
四、热和功的比较
1.改变系统内能的方式:做功和热传递。
2.做功和热传递在改变物体内能方面的区别:做功时内能与其他形式的能发生转化;而热传递只是不同物体间内能的转移。
必备知识
自我检测
1.正误判断
(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。( )
(7)热传递过程具有一定的方向性。( )
必备知识
自我检测
(8)在任何情况下,公式ΔU=Q都适用。( )
(9)温度高的物体含有的热量多。( )
(10)热量一定从内能多的物体传递给内能少的物体。( )
(11)做功和热传递都能改变物体的内能。( )
(12)热传递改变内能的实质是能量的转移。( )
答案(1)√ (2)× (3)× (4)× (5)√ (6)× (7)√ (8)× (9)× (10)× (11)√ (12)√
必备知识
自我检测
2.以下所述现象中,属于通过热传递改变了物体内能的是( )
A.汽油机汽缸内气体被压缩
B.放在空气中的一杯热水会冷却
C.在转动的砂轮上磨车刀,车刀发热
D.电流通过电阻丝
解析汽缸压缩气体,对气体做功;在转动的砂轮上磨车刀是摩擦力对车刀做功;电流通过电阻丝并做功,所以三者都是通过做功改变物体内能的。热水放在空气中,通过热辐射等方式向外传递了热量,使自身的内能减少,温度降低,它是通过热传递方式改变内能的,所以应选B。
答案B
必备知识
自我检测
3.采用绝热的方式使一定量的气体由初状态A变化至末状态B。对于不同的做功方式,下列说法正确的是( )
A.对气体所做的功不同
B.对气体所做的功相同
C.对气体不做功,因为没有能量的传递
D.以上三种说法都不对
解析在绝热过程中,气体在初状态A有一确定的内能UA,在状态B有另一确定的内能UB,由绝热过程中ΔU=UB-UA=W知,W为恒量,所以B正确。
答案B
必备知识
自我检测
4.(多选)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
解析绝热过程,外力做功,气体体积减小,分子密度增大,内能增大,温度升高,分子的平均动能增大。
答案BCD
探究一
探究二
探究三
随堂检测
焦耳的实验
情境探究
在焦耳的许多实验中,有两个最具有代表性:一个实验是让重物下落带动叶片搅拌容器中的水,引起水温上升;另一个实验是通过电流的热效应给水加热。焦耳的这两个实验说明了什么问题?
要点提示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,而与做功方式无关。
两个实验
实验一
实验二
实验装置
?
?
探究一
探究二
探究三
随堂检测
知识归纳
焦耳的两个代表性实验
探究一
探究二
探究三
随堂检测
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
探究一
探究二
探究三
随堂检测
实例引导
例1
如图所示是研究内能与功之间关系的两个典型实验,那么从这两个实验中可得出的结论是( )
探究一
探究二
探究三
随堂检测
A.能量守恒定律
B.机械能守恒定律
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
解析通过这两个实验,可得出的结论是,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。故选项C正确,其余选项不是这两个实验的结论。
答案C
探究一
探究二
探究三
随堂检测
变式训练1(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.这个装置可测定热量与做功的关系
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
探究一
探究二
探究三
随堂检测
解析该实验可测定做功和热量的关系,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。
答案AC
探究一
探究二
探究三
随堂检测
功与内能的改变
情境探究
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时,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?
要点提示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。
探究一
探究二
探究三
随堂检测
知识归纳
1.内能与内能的变化
(1)物体的内能是指物体内所有分子的动能和势能之和。物体的内能是一个状态量。
(2)当物体温度变化时,分子的平均动能变化,物体的体积变化时,分子势能发生变化,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,即ΔU=W。
探究一
探究二
探究三
随堂检测
3.功和内能的区别
(1)功是能量转化的量度,是过程量,而内能是状态量。
(2)做功过程中,能量一定会发生转化,而内能不一定变化,只有在绝热过程中,做功才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,才对应着做功较多。
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,系统内能的变化量等于外界对系统所做的功。
探究一
探究二
探究三
随堂检测
实例引导
例2
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。则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)
探究一
探究二
探究三
随堂检测
解析汽缸及活塞均绝热,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。
答案1
030
J
规律方法
判断绝热过程中内能变化的方法
判断气体绝热过程的内能变化一般情况下只需看气体的体积变化:
若体积增大,气体对外界做功,W<0,即ΔU<0,内能减小;
若体积缩小,外界对气体做功,W>0,即ΔU>0,内能增加。
温馨提示气体自由膨胀时,气体与外界相互不做功,因为这种情况下虽然气体体积增大但是没有外界阻力,也就不需要对外界做功。
探究一
探究二
探究三
随堂检测
变式训练2如图所示,在紫铜管内滴入乙醚,盖紧管塞,乙醚变为气体。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
解析绳与紫铜管间的摩擦力做功,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。管塞被冲开前管内气体内能增大,压强变大。选项D正确。
答案D
探究一
探究二
探究三
随堂检测
热与内能的改变
情境探究
“围炉夜话”是古代中国文人认为非常有生活情趣的一种生活方式。在“围炉”的过程中,人的身体并没有和炉子本身发生接触,为什么还能够感到温暖?现代取暖的方式主要是暖气,暖气和炉子在能量传递方面有什么相同点?
要点提示炉子和人身体没有发生接触也可以感到温暖是因为热量可以通过热传递向外扩散,这和暖气的散热方式是相同的。
探究一
探究二
探究三
随堂检测
知识归纳
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。
探究一
探究二
探究三
随堂检测
实例引导
例3
(多选)在实验室将一容积比较大的烧瓶放入冰箱冷冻室内,经过几小时后,将烧瓶从冰箱内迅速取出,并立即用小气球紧紧地套在烧瓶的瓶口,然后将烧瓶放入装有热水的烧杯中,如图所示,将烧瓶及气球内的气体看成是理想气体,气球弹性良好。则下列说法正确的是( )
A.经过一段时间后气球会膨胀起来
B.气球的体积一直都不会发生变化
C.烧瓶及气球内的气体内能增加
D.烧瓶及气球内的气体的压强一定变大
探究一
探究二
探究三
随堂检测
解析由于热水的温度较高,将烧瓶放进盛满热水的烧杯里,烧瓶及气球内气体吸收了热水的热量,温度升高,内能增大,体积增大,故选项A、C正确,B错误;初始时烧瓶及气球内气体的压强等于大气压,吸收热量后,烧瓶及气球内气体的压强大于大气压,故选项D正确。
答案ACD
探究一
探究二
探究三
随堂检测
规律方法
温度、内能和热量的区别与联系
概念
区别
联系
温度
表示物体的冷热程度,其实质是反映了物体内部大量分子无规则运动的激烈程度
温度是衡量内能多少的因素之一;热量是用来衡量热传递过程中内能变化多少的物理量
内能
物体内部所有分子的动能和分子势能的总和。一切物体都具有内能
热量
在热传递过程中,传递内能的多少,与物质的种类(比热容)、质量和温度的变化量有关
注意:温度不能“传”,热量不能“含”
吸热不一定升温(如:晶体的熔化、水的沸腾)
升温不一定吸热(也可以通过做功实现)
探究一
探究二
探究三
随堂检测
变式训练3(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
解析在外力不做功的情况下,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,故选项A错误,选项B正确;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并不一定是分子平均动能增加了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,比如晶体的熔化,故选项C错误,选项D正确。
答案BD
探究一
探究二
探究三
随堂检测
1.下面例子中通过热传递改变物体内能的是( )
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红磷的燃点,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
解析A、B、D均是通过做功改变物体的内能,C项是通过热传递的方式来改变物体内能,故C项正确。
答案C
探究一
探究二
探究三
随堂检测
2.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,水蒸气液化成小水珠;乙,瓶内气体推动瓶塞做功;丙,内能减小,温度降低。三句话正确的顺序是( )
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顺序为:空气推动瓶塞做功——空气内能减小温度降低——瓶内水蒸气液化成小水珠。
答案B
探究一
探究二
探究三
随堂检测
3.如图所示是古人锻造铁器的过程,关于改变物体内能的方式,下列说法正确的是( )
A.加热和锻打属于热传递,淬火属于做功
B.加热属于热传递,锻打和淬火属于做功
C.加热和淬火属于热传递,锻打属于做功
D.加热和淬火属于做功,锻打属于热传递
解析用铁锤锻打铁器,铁器会发热,属于做功改变物体内能;用火对铁器加热,铁器从火中吸收热量,把铁器放在水中淬火,铁器向水中放热,所以加热和淬火属于热传递改变物体内能,故选项C正确。
答案C
