(共64张PPT)
第三章 热力学定律
1.功、热和内能的改变
必备知识·素养奠基
一、焦耳的实验
【思考】
问题:如何求得该装置机械能的减少量?
提示:机械能的减少由水的质量和升高的温度以及水的比热容求得。
1.绝热过程:系统不从外界_____,也不向外界_____。
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_____。
(2)通过电流的_______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_____决定,而与___________无关。
吸热
放热
上升
热效应
状态
做功的方式
二、功和内能的改变
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.绝热过程中做功与内能变化的关系:______。
三、热和内能的改变
1.传热:热量总是从_____物体向_____物体传递。
2.热量和内能:
(1)关系描述:热量是在单纯的传热过程中系统_________的量度。
(2)公式表达:______。
自身状态
ΔU=W
高温
低温
内能变化
ΔU=Q
关键能力·素养形成
一 做功与内能变化的关系
1.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。
2.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,相应地做功才越多。
【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。
【思考·讨论】
幼儿园里一般都有滑梯,小朋友沿滑梯下滑时屁股通常会感到发热,这是为什么?
提示:小朋友沿滑梯下滑时克服摩擦力做功,内能增加。
考查角度1
做功与内能的改变
【典例示范
1】拥有私家车的人们越来越多,说明人们生活水平不断提高。某汽车的发动机汽缸内装有汽油与空气的混合气体,如图所示,要使该混合气体达到其燃点,则( )
A.迅速向外拉活塞
B.迅速向里推活塞
C.缓慢向里推活塞
D.缓慢向外拉活塞
【解析】选B。气体压缩时外界对气体做功内能增大,气体膨胀时气体对外做功内能减少。将装有汽油与空气的混合气体的汽缸中的活塞迅速向里推,该汽缸内混合气体来不及与外界发生热交换,可以看作绝热过程,同时由于外界通过活塞对该气体做功,使该混合气体的内能增加,温度升高,从而达到汽油燃点,故B对。
考查角度2
改变物体内能方式的判断
【典例示范
2】下列过程中,主要通过做功方式改变物体内能的是( )
A.湿衣服中的水蒸发
B.水中的冰熔化
C.池水在阳光的照射下温度升高
D.锤子敲击钉子后钉子变热
【解析】选D。湿衣服中的水蒸发是因为传热,故A错误;水中的冰熔化是因为传热,故B错误;池水在阳光的照射下温度升高是热传递,故C错误;锤子敲击钉子后钉子变热是因为锤子对钉子做功转化为热量,故D正确。
【规律方法】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,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。
【素养训练】
1.冬天站在室外时,人们习惯地搓着双手以取暖,这个过程中
( )
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】选C。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化为双手的机械能,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.如图几幅图中,有关功与内能的说法中正确的是
( )
A.图1中迅速下压活塞,棉花会燃烧起来,说明热传递可以使物体的温度升高
B.图2中重物下落带动叶片转动,由于叶片向水传递热量而使水的温度升高
C.图3中降落的重物使发电机发电,电流对水做功使水的温度升高
D.做功和热传递都可以使物体的内能增加
【解析】选D。图1中通过压缩活塞对空气做功,气体内能增加,温度升高,达到棉花着火点,使棉花燃烧,并非是热传递使温度升高,故A错误;图2中重物下落带动叶片转动,由叶片对水做功而使水的温度升高,故B错误;图3中降落的重物使发电机发电,电流对电阻做功使电阻发热,然后电阻把热量传递给水,使水的温度升高,故C错误;做功和热传递都可以使物体的内能增加,故D正确。
【补偿训练】
1.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
( )
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】选B。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,内能减小,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,属于等容升温过程,压强要增大,大于外界气压,所以再打开开关时,筒内气体要流向筒外,B对。
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。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)
【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。
答案:1
030
J
二 功、内能、热量和温度的区别与联系
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。物体的温度升高,其内能一定增加。但向物体传递热量,物体的内能却不一定增加(可能同时对外做功)。
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。
(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,热量可以通过系统转化为功,功也可以通过系统转化为热量,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
【特别提醒】
(1)内能与热量的区别:内能是状态量,由系统的状态决定;热量是过程量,由传热过程决定。
(2)内能的改变与热量的联系:在单纯的传热过程中,系统内能的增加量等于外界向系统传的热量。
【思考·讨论】
如图所示是传热的三种方式——传导、对流和辐射,请在图片基础上思考以下问题:
讨论:
(1)这三种方式在传递能量时有什么共同点?
提示:热量从高温处向低温处传递。
(2)传热和做功都可以改变物体的内能,这两种方式在改变物体内能时本质上又有什么不同?
提示:传热改变内能是能量的转移过程,做功改变内能是能量的转化过程。
【典例示范】
关于热量、功和内能三个物理量,下列说法中正确的是
( )
A.热量、功和内能三者的物理意义相同,只是说法不同
B.热量、功都可以作为物体内能变化的量度
C.热量、功和内能的单位不同
D.功由过程决定,而热量和内能由物体的状态决定
【解析】选B。热量、功和内能是三个不同的物理量,它们的物理意义不同,故A错误;功与热量都是能量转化的量度,热量和功都可以作为物体内能变化的量度,故B正确;热量、功和内能的单位相同,都是焦耳,故C错误;功和热量由过程决定,内能由物体的状态决定,故D错误。
【误区警示】传热、做功和内能的改变的认知误区
(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热量传递都会改变物体的内能,但是如果做功的同时还有热量的传递,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小时,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。
【素养训练】
1.关于物体内能与热量、做功的关系,以下说法正确的是
( )
A.物体内能的多少可以用物体吸热或放热的多少来量度
B.内能大的物体热量多
C.两物体发生传热,达到平衡后,它们的内能必定相等
D.做功和传热对于改变物体内能是等效的
【解析】选D。物体的内能的变化可以用物体吸热或放热的多少来量度,故A错误。热量是传热的能量多少的量度,不是内能的量度,故B错误。物体发生传热,达到平衡后,温度相等,而不是内能相等,内能除了与温度有关,还与物质的量有关,故C错误。做功和传热对于改变物体内能是等效的,故D正确。
2.(多选)下面是某同学“物理学习笔记”中的摘录,其中正确的是( )
A.燃料的热值与燃料的质量没有关系
B.温度越高的物体含有的热量越多
C.做功和传热在改变物体的内能上是等效的
D.分子间相互作用的引力和斥力是同时存在的
【解析】选A、C、D。燃料的热值是指单位质量某种燃料完全燃烧时放出的热量,与燃料的质量没有关系,A正确;热量是个过程量,只有发生传热时说物体吸收或放出多少热量,不能说物体具有或含有多少热量,B错误;做功和传热在改变物体的内能上是等效的,C正确;分子间相互作用的引力和斥力是同时存在的,D正确。
3.真空中两物体彼此接触,但它们之间没有发生传热,其原因是
( )
A.它们具有相同的内能
B.它们具有相同的分子平均速率
C.它们具有相同的温度
D.它们具有相等的比热
【解析】选C。因为发生传热的条件是有温度差,如果两物体没发生传热,肯定是具有相同的温度。故选C。
【补偿训练】
(多选)下列说法中正确的是
( )
A.做功和传热是改变物体内能的两种本质不同的物理过程:做功使物体的内能改变,是其他形式的能和内能之间的转化;传热则不同,它是物体内能的转移
B.外界对物体做功,物体的内能一定增大
C.物体向外界放热,物体的内能一定增大
D.热量是在传热中,从一个物体向另一个物体或物体的一部分向另一部分转移内能的多少
【解析】选A、D。做功和传热改变物体内能的本质不同,因为做功的过程一定是不同形式的能相互转化的过程,而传热是同种形式的能量(内能)在不同的物体之间或物体不同的部分之间传递或转移,故A选项正确。物体内能的变化取决于做功和传热两种途径,单就一个方面不足以断定其内能的变化,故B、C选项不正确。热量是内能转移的量度,D选项正确。
【拓展例题】考查内容:对内能概念的理解
【典例】分子动理论中是怎样引入系统内能概念的?热力学中是怎样引入系统内能概念的?为什么说它们是一致的?
【解析】分子动理论中是从微观角度引入系统内能的概念,即系统中所有分子热运动的动能和分子间的相互作用势能的总和叫作系统的内能。热力学中是从宏观角度引入系统内能的概念,即内能是状态量,当系统的温度、体积改变时,系统的内能就要改变。由于系统中分子热运动的动能和分子势能是由系统的温度和体积决定的,故以上两种说法本质上是一致的。
答案:见解析
【课堂回眸】
课堂检测·素养达标
1.做功和传热是等效的,这里指的是
( )
A.它们能使物体改变相同的温度
B.它们能使物体改变相同的内能
C.它们能使物体增加相同的热量
D.它们本质上是相同的
【解析】选B。做的功与传递的热量相等时,物体内能的改变是相等的,由于不同的物体的比热不同,质量也可能不同,温度的改变不一定相同,故A错误。改变物体内能的方法有两种:做功和传热。两种方法对改变物体的内能来说是等效的,即做的功与传递的热量相等时,物体内能的改变是相等的,故B正确。做的功与传递的热量相等时,物体内能的改变是相等的,不能说一定增加相等的热量,故C错误。做功是把其他形式的能量转化为内能,而传热是物体之间内能的转移,二者本质不同,故D错误。
2.下列说法正确的是
( )
A.物体放出热量,其内能一定减小
B.物体对外做功,其内能一定减小
C.物体吸收热量,同时对外做功,其内能可能增加
D.物体放出热量,同时对外做功,其内能可能不变
【解析】选C。改变内能有两种方式——做功和传热,物体放出热量,内能不一定减少,物体对外做功,内能也不一定减少,选项A、B错误;物体吸收热量大于对外做功,内能可能增加,选项C正确;物体放出热量,同时对外做功,其内能一定减少,选项D错误。
3.用酒精灯给试管中的水加热,如图所示,在软木塞冲出试管口的过程中,下列说法正确的是
( )
A.水蒸气对软木塞做功,水蒸气的内能增大
B.水蒸气的内能转化为软木塞的机械能
C.能量的转化形式与热机压缩冲程能量转化相同
D.软木塞的机械能守恒
【解析】选B。水蒸气对软木塞做功,水蒸气内能减小,温度降低,故A错误;软木塞冲出的过程中是水蒸气的内能转化为软木塞机械能的过程,热机压缩冲程是将机械能转化为内能,故B正确,C错误;此过程中软木塞的动能和势能都增大,因此机械能增大,故D错误。
4.各种方法使物体的内能发生改变:a.电炉通电后发热;b.一杯开水放在桌面上冷却;c.阳光照射下冰块融化;d.锯木头时,锯片发烫;e.人坐在火炉旁取暖;f.用打气筒给自行车打气后,打气筒变热。其中属于做功使物体内能改变的是________;属于传热使物体内能改变的是________。?
【解析】a.电炉通电后发热是电流做功,使电炉发热;b.一杯开水放在桌面上冷却,是水的热量向空气中传递,水温下降;c.阳光照射下冰块融化:太阳的传热到冰块上,使冰吸热融化;d.锯木头时,锯片发烫,锯子摩擦木头做功,产生热量;e.人坐在火炉旁取暖,火炉的温度传递到人的身上,使人感觉暖和;f.用打气筒给自行车打气后,打气筒变热,打气筒的活塞摩擦筒壁产生热量,是做功。
答案:a、d、f b、c、e
【新思维·新考向】
情境:给你一小段细铁丝、一盒火柴和一小块粗糙的布片。
问题:请你用两种不同的方法使铁丝的温度升高。比较这两种方法的效果,并说出其中的道理。
【解析】第一种方法:用粗糙的布片摩擦铁丝,通过做功的方法来增大铁丝的内能,从而使铁丝的温度升高。
第二种方法:将火柴点燃,来加热铁丝,通过传热的方法来增大铁丝的内能,从而使铁丝的温度升高。
这两种方法可以达到同样的效果。做功的实质是能量的转化,传热的实质是能量的转移,在改变内能上两种方式是等效的。
答案:见解析
课时素养评价
八 功、热和内能的改变
【基础达标】
(15分钟·30分)
一、选择题(本题共4小题,每题4分,共16分)
1.(多选)下列实例中通过做功改变物体的内能的是( )
A.古人钻木取火
B.用火炉把水烧开
C.用打气筒打气,筒壁变热
D.瓶内的高压气体将瓶塞冲开,瓶内气体的温度降低
【解析】选A、C、D。钻木取火,属于做功改变物体内能;用打气筒打气,筒壁变热;瓶内的高压气体将瓶塞冲开,气体对外做功,瓶内气体的温度降低,故选项A、C、D正确;烧水改变内能属于传热,选项B错误。
2.下列改变物体内能的物理过程中,属于对物体传热来改变物体内能的有
( )
A.用锯子锯木料,锯条温度升高
B.阳光照射地面,地面温度升高
C.搓搓手就感觉手暖和些
D.擦火柴时,火柴头燃烧起来
【解析】选B。锯木头时锯条和木头相互摩擦做功,机械能转化为内能,故锯条的温度升高,是通过做功的方式改变物体内能的,故A错误;阳光照射地面,地面温度升高是由于地面吸收太阳光的能量,属于传热,故B正确;用“搓手”的方法取暖,是通过做功的方式改变物体内能的,此过程中机械能转化成内能,故C错误;擦火柴是通过做功的方式改变物体内能的,此过程中机械能转化成内能,故D错误。
3.如图为某种椅子与其升降部分的结构示意图。M、N两筒间密闭了一定质量的气体,M可沿N的内壁上下滑动,设筒内气体不与外界发生热交换,在M向下滑动的过程中
( )
A.外界对气体做功,气体内能增大
B.外界对气体做功,气体内能减小
C.气体对外界做功,气体内能增大
D.气体对外界做功
,气体内能减小
【解析】选A。筒内气体不与外界发生热交换,当气体体积变小时,外界对气体做功,使气体的内能增大,故A正确。
【补偿训练】
下列有关热和能的说法中正确的是
( )
A.物体内能增大,一定从外界吸收热量
B.汽油机在做功冲程中把机械能转化为内能
C.物体的温度越高,分子无规则运动越剧烈
D.燃料的热值越大,燃烧时放出的热量越多
【解析】选C。物体内能增大,可能是从外界吸收了热量。也可能是外界对物体做了功,选项A错误;汽油机在做功冲程中把内能转化为机械能,选项B错误;分子运动的快慢与温度有关,物体的温度越高,分子无规则运动越剧烈,选项C正确;燃烧时放出的热量不仅跟燃料的热值有关,还跟燃料的多少及燃烧情况等都有关系,选项D错误。
【总结提升】功、传热、内能关系问题的分析方法
(1)要深入理解改变物体内能的两种方式——做功和传热。
(2)物体的内能即所有分子热运动的动能和分子势能的总和。
(3)传热是热量从高温物体向低温物体(或从一个物体高温部分向低温部分)的转移。
(4)做功的过程是能量转化的过程,分析做功过程时,一定要将各种能量分析全,弄清楚能量转化的实际情况。
4.如图所示,瓶内有一些水,用带孔的瓶塞把瓶口塞住,向瓶内打一会儿气后,瓶塞跳起,在瓶塞跳起的过程中,下列关于瓶内气体说法正确的是
( )
A.气体对瓶塞做功,气体的内能减少
B.瓶塞对气体做功,气体的内能减少
C.气体对瓶塞做功,气体的内能增加
D.瓶塞对气体做功,气体的内能增加
【解析】选A。向瓶内打气,在瓶塞跳起的过程中,瓶内气体对瓶塞做功,气体一部分内能转化为瓶塞的机械能;故A正确,B、C、D错误。
二、非选择题(14分)
5.一辆汽车停在路边卸货的过程中,可假设车胎内气体温度不变,且车胎不漏气,不计分子势能,则胎内气体________(选填“吸热”或“放热”)。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。随着人类文明进步,出现了“钻木取火”等方法。“钻木取火”是通过________(选填“做功”或“传热”)把机械能转变为内能。?
【解析】汽车在卸货的过程中,车胎内气体压强减小,而气体温度不变,所以体积变大,气体对外做功,内能不变,需要吸收热量;“钻木取火”是通过做功的方法增加内能。
答案:吸热 做功
【能力提升】（10分钟·20分）
6.(6分)(多选)关于物体的内能、温度和分子的平均动能,下列说法正确的是
( )
A.相对地面静止的物体不具有内能
B.温度低的物体分子平均动能一定小
C.外界对物体做功时,物体的内能不一定增加
D.物体自由下落时速度增大,所以物体分子的平均动能也增大
【解析】选B、C。内能是分子动能和分子势能的总和,一切物体都具有内能,所以在水平地面上静止的物体一样具有内能,故A错误;温度是分子平均动能的标志,温度低的物体分子平均动能一定小,故B正确;做功和传热都可以改变物体的内能,外界对物体做功,但传热不明确,物体的内能不一定增加,故C正确;物体自由下落时速度增大,是宏观物体的速度增大,而物体分子的平均动能增大反映的是微观分子运动的激烈程度变大,两者没有必然的联系,故D错误。
7.(14分)有一个10
m高的瀑布,水流在瀑布顶端时速度为2
m/s,在瀑布底与岩
石的撞击过程中,有10%的动能转化为水的内能,请问水的温度上升了多少摄氏
度?已知水的比热容为4.2×103
J/(kg·
℃),g取10
m/s2。
【解析】对质量为m的水,根据题意得(
mv2+mgh)×10%=cmΔt,代入数据解得
Δt=2.4×10-3
℃。
答案:2.4×10-3
℃
【补偿训练】
斜面的高度为0.6
m,其倾角为37°,质量为1
kg
的物体由斜面的顶端滑到底端的过程中,求系统内能的改变量。已知物体与斜面间的动摩擦因数为0.25,g取10
m/s2,sin
37°=0.6,cos
37°=0.8。
【解析】由于物体与斜面有摩擦,故物体的机械能有损失,因为摩擦力做功转
化为物体的内能,故其内能增加,由题意得:
系统内能的增加量
ΔU=μmgcos
37°×
=0.25×1×10×0.8×
J=2
J。
答案:增加2
J“课时素养评价”
八 功、热和内能的改变
(15分钟·30分)
一、选择题(本题共4小题,每题4分,共16分)
1.(多选)下列实例中通过做功改变物体的内能的是( )
A.古人钻木取火
B.用火炉把水烧开
C.用打气筒打气,筒壁变热
D.瓶内的高压气体将瓶塞冲开,瓶内气体的温度降低
【解析】选A、C、D。钻木取火,属于做功改变物体内能;用打气筒打气,筒壁变热;瓶内的高压气体将瓶塞冲开,气体对外做功,瓶内气体的温度降低,故选项A、C、D正确;烧水改变内能属于传热,选项B错误。
2.下列改变物体内能的物理过程中,属于对物体传热来改变物体内能的有
( )
A.用锯子锯木料,锯条温度升高
B.阳光照射地面,地面温度升高
C.搓搓手就感觉手暖和些
D.擦火柴时,火柴头燃烧起来
【解析】选B。锯木头时锯条和木头相互摩擦做功,机械能转化为内能,故锯条的温度升高,是通过做功的方式改变物体内能的,故A错误;阳光照射地面,地面温度升高是由于地面吸收太阳光的能量,属于传热,故B正确;用“搓手”的方法取暖,是通过做功的方式改变物体内能的,此过程中机械能转化成内能,故C错误;擦火柴是通过做功的方式改变物体内能的,此过程中机械能转化成内能,故D错误。
3.如图为某种椅子与其升降部分的结构示意图。M、N两筒间密闭了一定质量的气体,M可沿N的内壁上下滑动,设筒内气体不与外界发生热交换,在M向下滑动的过程中
( )
A.外界对气体做功,气体内能增大
B.外界对气体做功,气体内能减小
C.气体对外界做功,气体内能增大
D.气体对外界做功
,气体内能减小
【解析】选A。筒内气体不与外界发生热交换,当气体体积变小时,外界对气体做功,使气体的内能增大,故A正确。
【补偿训练】
下列有关热和能的说法中正确的是
( )
A.物体内能增大,一定从外界吸收热量
B.汽油机在做功冲程中把机械能转化为内能
C.物体的温度越高,分子无规则运动越剧烈
D.燃料的热值越大,燃烧时放出的热量越多
【解析】选C。物体内能增大,可能是从外界吸收了热量。也可能是外界对物体做了功,选项A错误;汽油机在做功冲程中把内能转化为机械能,选项B错误;分子运动的快慢与温度有关,物体的温度越高,分子无规则运动越剧烈,选项C正确;燃烧时放出的热量不仅跟燃料的热值有关,还跟燃料的多少及燃烧情况等都有关系,选项D错误。
【总结提升】功、传热、内能关系问题的分析方法
(1)要深入理解改变物体内能的两种方式——做功和传热。
(2)物体的内能即所有分子热运动的动能和分子势能的总和。
(3)传热是热量从高温物体向低温物体(或从一个物体高温部分向低温部分)的转移。
(4)做功的过程是能量转化的过程,分析做功过程时,一定要将各种能量分析全,弄清楚能量转化的实际情况。
4.如图所示,瓶内有一些水,用带孔的瓶塞把瓶口塞住,向瓶内打一会儿气后,瓶塞跳起,在瓶塞跳起的过程中,下列关于瓶内气体说法正确的是
( )
A.气体对瓶塞做功,气体的内能减少
B.瓶塞对气体做功,气体的内能减少
C.气体对瓶塞做功,气体的内能增加
D.瓶塞对气体做功,气体的内能增加
【解析】选A。向瓶内打气,在瓶塞跳起的过程中,瓶内气体对瓶塞做功,气体一部分内能转化为瓶塞的机械能;故A正确,B、C、D错误。
二、非选择题(14分)
5.一辆汽车停在路边卸货的过程中,可假设车胎内气体温度不变,且车胎不漏气,不计分子势能,则胎内气体________(选填“吸热”或“放热”)。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。随着人类文明进步,出现了“钻木取火”等方法。“钻木取火”是通过________(选填“做功”或“传热”)把机械能转变为内能。?
【解析】汽车在卸货的过程中,车胎内气体压强减小,而气体温度不变,所以体积变大,气体对外做功,内能不变,需要吸收热量;“钻木取火”是通过做功的方法增加内能。
答案:吸热 做功
(10分钟·20分)
6.(6分)(多选)关于物体的内能、温度和分子的平均动能,下列说法正确的是
( )
A.相对地面静止的物体不具有内能
B.温度低的物体分子平均动能一定小
C.外界对物体做功时,物体的内能不一定增加
D.物体自由下落时速度增大,所以物体分子的平均动能也增大
【解析】选B、C。内能是分子动能和分子势能的总和,一切物体都具有内能,所以在水平地面上静止的物体一样具有内能,故A错误;温度是分子平均动能的标志,温度低的物体分子平均动能一定小,故B正确;做功和传热都可以改变物体的内能,外界对物体做功,但传热不明确,物体的内能不一定增加,故C正确;物体自由下落时速度增大,是宏观物体的速度增大,而物体分子的平均动能增大反映的是微观分子运动的激烈程度变大,两者没有必然的联系,故D错误。
7.(14分)有一个10
m高的瀑布,水流在瀑布顶端时速度为2
m/s,在瀑布底与岩石的撞击过程中,有10%的动能转化为水的内能,请问水的温度上升了多少摄氏度?已知水的比热容为4.2×103
J/(kg·
℃),g取10
m/s2。
【解析】对质量为m的水,根据题意得(mv2+mgh)×10%=cmΔt,代入数据解得Δt=2.4×10-3
℃。
答案:2.4×10-3
℃
【补偿训练】
斜面的高度为0.6
m,其倾角为37°,质量为1
kg
的物体由斜面的顶端滑到底端的过程中,求系统内能的改变量。已知物体与斜面间的动摩擦因数为0.25,g取10
m/s2,sin
37°=0.6,cos
37°=0.8。
【解析】由于物体与斜面有摩擦,故物体的机械能有损失,因为摩擦力做功转化为物体的内能,故其内能增加,由题意得:
系统内能的增加量
ΔU=μmgcos
37°×=0.25×1×10×0.8×
J=2
J。
答案:增加2
J
关闭Word文档返回原板块第三章 热力学定律
1.功、热和内能的改变
必备知识·素养奠基
一、焦耳的实验
问题:如何求得该装置机械能的减少量?
提示:机械能的减少由水的质量和升高的温度以及水的比热容求得。
1.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)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。
二、功和内能的改变
1.内能:依赖于一个热力学系统自身状态的物理量,是热力学系统的一种能量。
2.绝热过程中做功与内能变化的关系:ΔU=W。
三、热和内能的改变
1.传热:热量总是从高温物体向低温物体传递。
2.热量和内能:
(1)关系描述:热量是在单纯的传热过程中系统内能变化的量度。
(2)公式表达:ΔU=Q。
关键能力·素养形成
一 做功与内能变化的关系
1.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。
2.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,相应地做功才越多。
(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。
【思考·讨论】
幼儿园里一般都有滑梯,小朋友沿滑梯下滑时屁股通常会感到发热,这是为什么?
提示:小朋友沿滑梯下滑时克服摩擦力做功,内能增加。
考查角度1做功与内能的改变
【典例示范】拥有私家车的人们越来越多,说明人们生活水平不断提高。某汽车的发动机汽缸内装有汽油与空气的混合气体,如图所示,要使该混合气体达到其燃点,则
( )
A.迅速向外拉活塞
B.迅速向里推活塞
C.缓慢向里推活塞
D.缓慢向外拉活塞
【解析】选B。气体压缩时外界对气体做功内能增大,气体膨胀时气体对外做功内能减少。将装有汽油与空气的混合气体的汽缸中的活塞迅速向里推,该汽缸内混合气体来不及与外界发生热交换,可以看作绝热过程,同时由于外界通过活塞对该气体做功,使该混合气体的内能增加,温度升高,从而达到汽油燃点,故B对。
考查角度2改变物体内能方式的判断
【典例示范】下列过程中,主要通过做功方式改变物体内能的是( )
A.湿衣服中的水蒸发
B.水中的冰熔化
C.池水在阳光的照射下温度升高
D.锤子敲击钉子后钉子变热
【解析】选D。湿衣服中的水蒸发是因为传热,故A错误;水中的冰熔化是因为传热,故B错误;池水在阳光的照射下温度升高是热传递,故C错误;锤子敲击钉子后钉子变热是因为锤子对钉子做功转化为热量,故D正确。
【规律方法】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,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。
【素养训练】
1.冬天站在室外时,人们习惯地搓着双手以取暖,这个过程中( )
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】选C。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
化学能转化为双手的机械能,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.如图几幅图中,有关功与内能的说法中正确的是( )
A.图1中迅速下压活塞,棉花会燃烧起来,说明热传递可以使物体的温度升高
B.图2中重物下落带动叶片转动,由于叶片向水传递热量而使水的温度升高
C.图3中降落的重物使发电机发电,电流对水做功使水的温度升高
D.做功和热传递都可以使物体的内能增加
【解析】选D。图1中通过压缩活塞对空气做功,气体内能增加,温度升高,达到棉花着火点,使棉花燃烧,并非是热传递使温度升高,故A错误;图2中重物下落带动叶片转动,由叶片对水做功而使水的温度升高,故B错误;图3中降落的重物使发电机发电,电流对电阻做功使电阻发热,然后电阻把热量传递给水,使水的温度升高,故C错误;做功和热传递都可以使物体的内能增加,故D正确。
【补偿训练】
1.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( )
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】选B。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,内能减小,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,属于等容升温过程,压强要增大,大于外界气压,所以再打开开关时,筒内气体要流向筒外,B对。
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。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)
【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。
答案:1
030
J
二 功、内能、热量和温度的区别与联系
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。物体的温度升高,其内能一定增加。但向物体传递热量,物体的内能却不一定增加(可能同时对外做功)。
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。
(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,热量可以通过系统转化为功,功也可以通过系统转化为热量,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
(1)内能与热量的区别:内能是状态量,由系统的状态决定;热量是过程量,由传热过程决定。
(2)内能的改变与热量的联系:在单纯的传热过程中,系统内能的增加量等于外界向系统传的热量。
【思考·讨论】
如图所示是传热的三种方式——传导、对流和辐射,请在图片基础上思考以下问题:
讨论:
(1)这三种方式在传递能量时有什么共同点?
提示:热量从高温处向低温处传递。
(2)传热和做功都可以改变物体的内能,这两种方式在改变物体内能时本质上又有什么不同?
提示:传热改变内能是能量的转移过程,做功改变内能是能量的转化过程。
【典例示范】
关于热量、功和内能三个物理量,下列说法中正确的是( )
A.热量、功和内能三者的物理意义相同,只是说法不同
B.热量、功都可以作为物体内能变化的量度
C.热量、功和内能的单位不同
D.功由过程决定,而热量和内能由物体的状态决定
【解析】选B。热量、功和内能是三个不同的物理量,它们的物理意义不同,故A错误;功与热量都是能量转化的量度,热量和功都可以作为物体内能变化的量度,故B正确;热量、功和内能的单位相同,都是焦耳,故C错误;功和热量由过程决定,内能由物体的状态决定,故D错误。
【误区警示】传热、做功和内能的改变的认知误区
(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热量传递都会改变物体的内能,但是如果做功的同时还有热量的传递,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小时,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。
【素养训练】
1.关于物体内能与热量、做功的关系,以下说法正确的是( )
A.物体内能的多少可以用物体吸热或放热的多少来量度
B.内能大的物体热量多
C.两物体发生传热,达到平衡后,它们的内能必定相等
D.做功和传热对于改变物体内能是等效的
【解析】选D。物体的内能的变化可以用物体吸热或放热的多少来量度,故A错误。热量是传热的能量多少的量度,不是内能的量度,故B错误。物体发生传热,达到平衡后,温度相等,而不是内能相等,内能除了与温度有关,还与物质的量有关,故C错误。做功和传热对于改变物体内能是等效的,故D正确。
2.(多选)下面是某同学“物理学习笔记”中的摘录,其中正确的是( )
A.燃料的热值与燃料的质量没有关系
B.温度越高的物体含有的热量越多
C.做功和传热在改变物体的内能上是等效的
D.分子间相互作用的引力和斥力是同时存在的
【解析】选A、C、D。燃料的热值是指单位质量某种燃料完全燃烧时放出的热量,与燃料的质量没有关系,A正确;热量是个过程量,只有发生传热时说物体吸收或放出多少热量,不能说物体具有或含有多少热量,B错误;做功和传热在改变物体的内能上是等效的,C正确;分子间相互作用的引力和斥力是同时存在的,D正确。
3.真空中两物体彼此接触,但它们之间没有发生传热,其原因是( )
A.它们具有相同的内能
B.它们具有相同的分子平均速率
C.它们具有相同的温度
D.它们具有相等的比热
【解析】选C。因为发生传热的条件是有温度差,如果两物体没发生传热,肯定是具有相同的温度。故选C。
【补偿训练】
(多选)下列说法中正确的是( )
A.做功和传热是改变物体内能的两种本质不同的物理过程:做功使物体的内能改变,是其他形式的能和内能之间的转化;传热则不同,它是物体内能的转移
B.外界对物体做功,物体的内能一定增大
C.物体向外界放热,物体的内能一定增大
D.热量是在传热中,从一个物体向另一个物体或物体的一部分向另一部分转移内能的多少
【解析】选A、D。做功和传热改变物体内能的本质不同,因为做功的过程一定是不同形式的能相互转化的过程,而传热是同种形式的能量(内能)在不同的物体之间或物体不同的部分之间传递或转移,故A选项正确。物体内能的变化取决于做功和传热两种途径,单就一个方面不足以断定其内能的变化,故B、C选项不正确。热量是内能转移的量度,D选项正确。
【拓展例题】考查内容:对内能概念的理解
【典例】分子动理论中是怎样引入系统内能概念的?热力学中是怎样引入系统内能概念的?为什么说它们是一致的?
【解析】分子动理论中是从微观角度引入系统内能的概念,即系统中所有分子热运动的动能和分子间的相互作用势能的总和叫作系统的内能。热力学中是从宏观角度引入系统内能的概念,即内能是状态量,当系统的温度、体积改变时,系统的内能就要改变。由于系统中分子热运动的动能和分子势能是由系统的温度和体积决定的,故以上两种说法本质上是一致的。
答案:见解析
课堂检测·素养达标
1.做功和传热是等效的,这里指的是( )
A.它们能使物体改变相同的温度
B.它们能使物体改变相同的内能
C.它们能使物体增加相同的热量
D.它们本质上是相同的
【解析】选B。做的功与传递的热量相等时,物体内能的改变是相等的,由于不同的物体的比热不同,质量也可能不同,温度的改变不一定相同,故A错误。改变物体内能的方法有两种:做功和传热。两种方法对改变物体的内能来说是等效的,即做的功与传递的热量相等时,物体内能的改变是相等的,故B正确。做的功与传递的热量相等时,物体内能的改变是相等的,不能说一定增加相等的热量,故C错误。做功是把其他形式的能量转化为内能,而传热是物体之间内能的转移,二者本质不同,故D错误。
2.下列说法正确的是( )
A.物体放出热量,其内能一定减小
B.物体对外做功,其内能一定减小
C.物体吸收热量,同时对外做功,其内能可能增加
D.物体放出热量,同时对外做功,其内能可能不变
【解析】选C。改变内能有两种方式——做功和传热,物体放出热量,内能不一定
减少,物体对外做功,内能也不一定减少,选项A、B错误;物体吸收热量大于对外
做功,内能可能增加,选项C正确;物体放出热量,同时对外做功,其内能一定减少,选项D错误。
3.用酒精灯给试管中的水加热,如图所示,在软木塞冲出试管口的过程中,下列说法正确的是
( )
A.水蒸气对软木塞做功,水蒸气的内能增大
B.水蒸气的内能转化为软木塞的机械能
C.能量的转化形式与热机压缩冲程能量转化相同
D.软木塞的机械能守恒
【解析】选B。水蒸气对软木塞做功,水蒸气内能减小,温度降低,故A错误;软木塞冲出的过程中是水蒸气的内能转化为软木塞机械能的过程,热机压缩冲程是将机械能转化为内能,故B正确,C错误;此过程中软木塞的动能和势能都增大,因此机械能增大,故D错误。
4.各种方法使物体的内能发生改变:a.电炉通电后发热;b.一杯开水放在桌面上冷却;c.阳光照射下冰块融化;d.锯木头时,锯片发烫;e.人坐在火炉旁取暖;f.用打气筒给自行车打气后,打气筒变热。其中属于做功使物体内能改变的是________;属于传热使物体内能改变的是________。?
【解析】a.电炉通电后发热是电流做功,使电炉发热;b.一杯开水放在桌面上冷却,是水的热量向空气中传递,水温下降;c.阳光照射下冰块融化:太阳的传热到冰块上,使冰吸热融化;d.锯木头时,锯片发烫,锯子摩擦木头做功,产生热量;e.人坐在火炉旁取暖,火炉的温度传递到人的身上,使人感觉暖和;f.用打
气筒给自行车打气后,打气筒变热,打气筒的活塞摩擦筒壁产生热量,是做功。
答案:a、d、f b、c、e
情境:给你一小段细铁丝、一盒火柴和一小块粗糙的布片。
问题:请你用两种不同的方法使铁丝的温度升高。比较这两种方法的效果,并说出其中的道理。
【解析】第一种方法:用粗糙的布片摩擦铁丝,通过做功的方法来增大铁丝的内能,从而使铁丝的温度升高。
第二种方法:将火柴点燃,来加热铁丝,通过传热的方法来增大铁丝的内能,从而使铁丝的温度升高。
这两种方法可以达到同样的效果。做功的实质是能量的转化,传热的实质是能量的转移,在改变内能上两种方式是等效的。
答案:见解析
