人教版（2019）高中物理 选择性必修第三册 第3章 第1节　功、热和内能的改变课件37 张PPT

第三章　热力学定律
第1节　功、热和内能的改变
核心素养
物理观念
科学思维
科学态度与责任
1.了解焦耳的两个实验的原理。
2.知道做功和传热是改变内能的两种方式及做功、传热与内能改变的关系。
3.会区别热量和内能。
体会通过焦耳实验的探究，培养科学探究的素养。
应用功、热与内能的改变解释生产生活中的实例。
知识点一　焦耳的实验
1.绝热过程：系统不从外界______热量，也不向外界______热量的过程。
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)通过电流的热效应给水加热。
3.实验结论：在各种不同的绝热过程中，系统状态变化相同，则外力所做的功相同，与做功的方式____关。
吸收
放出
上升
无
知识点二　功与内能的改变
[观图助学]
如图，在有机玻璃筒底放少量浸有乙醚的棉花，压下活塞，观察棉花的变化。
你能看到什么现象？实验现象说明了什么问题？
1.内能：依赖于一个热力学系统__________的物理量，是热力学系统的一种能量。
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变化量，即__________。
(1)ΔU＝W适用条件是绝热过程。
(2)在绝热过程中：外界对系统做功，系统的内能增加；系统对外界做功，系统的内能减少。
自身状态
ΔU＝W
[思考判断]
(1)从微观角度说，内能是所有分子的动能和势能之和。( )
(2)从宏观角度说，内能是只依赖于热力学系统自身状态的物理量。( )
(3)功是状态量，内能是过程量。( )
(4)外界对物体做功多，就意味着物体的内能大。( )
√
×
√
×
知识点三　热与内能的改变
1.传热
(1)条件：物体的______不同。
(2)过程：温度不同的物体发生传热，温度高的物体要降温，温度低的物体要升温，______从高温物体传到低温物体。
(3)传热的三种方式：________、________、________。
温度
热量
热传导
热对流
热辐射
2.热和内能
(1)单纯地对系统传热也能改变系统的____________，即传热能改变物体的______。
(2)热量：在单纯的传热过程中系统__________的量度。
(3)单纯的传热过程中内能的变化。
①公式：__________。
②物体______，Q为正；物体______，Q为负。
热力学状态
内能
内能变化
ΔU＝Q
吸热
放热
[思考判断]
(1)若A、B两物体接触但没有传热，则两物体所包含的热量相等。( )
(2)做功和传热的共同点是都能使系统内能改变。( )
(3)一物体先后经过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。( )
(4)高温物体内能多，低温物体内能少。( )
×
√
×
×
[要点归纳]
焦耳的两个代表性实验
核心要点
焦耳的实验
比较
重力做功与系统
温度变化的关系
电流做功与系统
温度变化的关系
实验过程
通过重物下落带动叶片搅拌容器中的水，由于叶片与水之间的摩擦而使水温升高
通过重物下落使发电机发电，让电流通过电阻丝，对液体加热，使其温度升高
实验条件
整个系统处于绝热过程，通过改变悬挂重物的质量和下落高度，进行多次实验测量
整个系统处于绝热过程，通过改变电流的大小或通电时间的长短，进行多次实验测量
比较
重力做功与系统
温度变化的关系
电流做功与系统
温度变化的关系
实验结论
只要重力所做的功相同，容器中水温上升的数值就是相同的，即系统的状态变化是相同的
只要所做的电功相等，则系统温度上升的数值是相同的，即系统的状态变化是相同的
说明
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，即在热力学系统的绝热过程中，外界对系统所做的功仅由过程的始末两个状态决定，不依赖于做功的具体过程和方式
[试题案例]
[例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　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，没有传热，改变内能的方式是做功，C正确；做功表示能量的转化，而热量表示传热中内能的转移，二者有区别，B、D错误。
答案　AC
温馨提示　该实验是测定热功当量的实验，传热与做功在改变内能的效果上是一致的。
[针对训练1] 如图所示实验装置，把浸有乙醚的一小块棉花放在厚玻璃筒内底部，当很快向下压活塞时，由于被压缩气体骤然变热，温度升高达到乙醚的燃点，使浸有乙醚的棉花燃烧起来，此实验的目的是要说明(　　)
A.对物体做功可以增加物体的热量
B.对物体做功可以改变物体的内能
C.对物体做功一定会升高物体的温度
D.做功一定会增加物体的内能
解析　热量是一过程量，内能是一状态量，A错误；做功可能只增大系统分子势能，使其内能增大，但分子动能不变，其温度不变，比如：两块0 ℃的冰相互摩擦时，冰熔化为0 ℃的水，C错误；若物体对外做功，其内能可能会减小，D错误；此实验说明了，对物体做功可以改变物体的内能，B正确。
答案　B
[观察探究]
如图所示，大口玻璃瓶内有一些水，水的上方有水蒸气，向瓶内打气，当瓶塞跳出时，观察瓶内的变化。
我们研究的是瓶塞跳出的过程，而研究的对象，即“系统”是什么？在瓶塞跳出的过程中，是外界在对系统做功还是系统在对外界做功？这个过程中系统的内能有什么变化？你从什么现象推断出它的内能发生了变化？
核心要点
功与内能的改变
观察瓶塞
跳出时瓶
内的变化
答案　当瓶塞跳出时，我们会发现瓶内的瓶口处有“白雾”产生。我们所选的研究对象是瓶内水面上方的水蒸汽，在瓶塞跳出的过程中，是系统膨胀对外界做功，在这个过程中系统的内能减少，瓶内的瓶口处的“白雾”实际上是瓶内的水蒸汽液化形成的无数小液滴，水蒸汽液化过程中内能减少。
[要点归纳]
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。在微观上由分子数和分子热运动剧烈程度和相互作用力决定，宏观上由物体温度、体积、物质的量、物态决定，因此物体的内能是一个状态量。
(2)物体温度变化时，分子热运动剧烈程度发生改变，分子平均动能变化。物体体积变化时，分子间距离变化，分子势能发生变化，因此物体的内能的变化只由初、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，物体对外界做多少功，就有多少内能转化为其他形式的能，物体的内能就减少多少。
3.功与内能的区别
(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，只有内能变化越大时，对应着做功较多。
[试题案例]
[例2] 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。今对活塞施加一竖直向下的压力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(　　)
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
解析　向下压活塞，活塞对气体做功，气体的内能增加，温度升高，气体的体积减小，可得出气体的压强增大，故选项C正确。
答案　C
方法凝炼　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的量度。
(2)在绝热过程中，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，这也是判断绝热过程的一种方法。
[针对训练2] 如图所示的容器中，A、B中各有一个可自由移动的活塞，活塞下面是水，上面是大气，大气压恒定，A、B的底部由带阀门K的管道相连，整个装置与外界绝热。打开阀门前，A中水面比B中水面高，打开阀门后，A中的水逐渐向B中流，最后达到同一高度，在这个过程中(　　)
A.大气压力对水做功，水的内能增加
B.水克服大气压力做功，水的内能减少
C.大气压力对水不做功，水的内能不变
D.大气压力对水不做功，水的内能增加
解析　打开阀门K稳定后，容器A、B中的水面相平，相当于图中画斜线部分的水从A移到B，这部分水的重力势能减少了，即重力对水做了功，同时大气压力对A容器中的水做正功为p0SAhA，对B容器中的水做负功为p0SBhB，因为两部分水的体积相等，所以大气压力对水做的总功为零。由于容器绝热，系统与外界之间没有热交换，而重力对系统做正功，故水的内能增加，选项D正确。
答案　D
[要点归纳]
1.内能与温度：从宏观上看，温度表示的是物体的冷热程度；从微观上看，温度反映了分子热运动的剧烈程度，是分子平均动能的标志。物体的内能由温度、体积及物质的量决定。
2.热量和内能
(1)内能是由系统的状态决定的，状态确定，系统的内能也随之确定。要使系统的内能发生变化，可以通过传热和做功两种方式来完成。
核心要点
热与内能的改变
(2)热量是传热过程中的特征物理量，热量只是反映物体在状态变化过程中所转移的能量，是用来衡量物体内能变化的，有过程，才有变化，离开过程，毫无意义。
(3)对某一状态而言，只有“内能”，根本不存在“热量”和“功”。不能说一个系统中含有多少热量。
3.热量与温度：热量是系统的内能变化的量度，而温度是系统内大量分子做无规则运动剧烈程度的标志。
传热的前提条件是两个系统之间要有温度差，传递的是热量而不是温度。
4.热量与功：热量和功都是系统内能变化的量度，都是过程量，一定量的热量与一定量的功相当，但它们之间有着本质的区别。
5.改变内能的两种方式的比较
比较项目
做功
传热
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
[试题案例]
[例3] 一个气泡从恒温水槽的底部缓慢向上浮起(若不计气泡内空气分子势能的变化)，则(　　)
A.气泡对外做功，内能不变，同时放热
B.气泡对外做功，内能不变，同时吸热
C.气泡内能减少，同时放热
D.气泡内能不变，不吸热也不放热
解析　在气泡缓慢上升的过程中，气泡外部的压强逐渐减小，气泡膨胀，对外做功，故气泡中空气分子的内能减少，温度降低。但由于外部恒温，且气泡缓慢上升，故可以认为上升过程中气泡内空气的温度始终等于外界温度，内能不变，故需从外界吸收热量，且吸收的热量等于对外界所做的功。
答案　B
温馨提示　传热、做功和内能改变的认知误区
(1)误认为有传热或做功时，内能一定变化。
如果只是做功或只是进行传热都会改变物体的内能，但是如果做功的同时还有传热，则内能不一定会发生变化。
(2)对做功与内能变化关系认识不清。
在判断内能增加或减少时，一定要搞清是对内做功还是对外做功，是从外界吸收热量还是向外界放出热量。
[针对训练3] 下列说法正确的是(　　)
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.物体从外界吸收热量，其内能不一定增加
D.物体对外界做功，其内能一定减少
解析　物体的内能由温度、体积及物质的量决定，不是只由温度决定，故A、B错误；物体从外界吸收热量，有可能同时对外做功，其内能不一定增加，同时，物体对外做功，有可能同时从外界吸收热量，其内能不一定减少，故C正确，D错误。
答案　C