(共21张PPT)
阶段复习课
第三章
核心整合·思维导图
必备考点·素养评价
素养一 物理观念
考点
做功与物体内能的改变
1.在没有传热的条件下,外界对系统做功,系统内能增加;系统对外界做功,系统内能减少。
2.在有传热的情况下,外界对系统做功,同时吸热,系统内能增加;系统对外界做功,同时放热,系统内能减少。
3.在有传热的情况下,外界对系统做功,同时放热;系统对外界做功,同时吸热,系统内能可能减少、可能增加、可能不变。
做功与物体内能的改变的关键词转化
【素养评价】
1.如图所示,绝热容器中间用隔板隔开,左侧装有气体,右侧为真空,现将隔板抽掉,让左侧气体自由膨胀到右侧直至平衡,在此过程中
( )
A.气体对外界做功,温度降低,内能减少
B.气体对外界做功,温度不变,内能不变
C.气体不做功,温度不变,内能不变
D.气体不做功,温度不变,内能减少
【解析】选C。右侧为真空,气体自由膨胀做功“没有对象”,当然不做功。根据热力学第一定律有:ΔU=W+Q,做功W=0,因为是绝热容器,所以没有热交换即Q=0,因此内能不变,理想气体,内能由温度决定,所以温度不变,故选C。
2.景颇族的祖先发明的点火器如图所示,用牛角做套筒,木质推杆前端粘着艾绒,猛推推杆,可点燃艾绒。当筒内封闭的气体被推杆压缩过程中
( )
A.气体温度升高,压强不变
B.气体温度升高,压强变大
C.气体对外界做正功,气体内能增加
D.外界对气体做正功,气体内能减少
【解析】选B。封闭的气体被推杆压缩过程中,由公式ΔU=W+Q知,在瞬间,Q=0,
W>0,所以内能增加,则温度升高,气体体积减小,压强增大,综上知B正确。
素养二 科学思维
考点
气体实验定律与热力学第一定律的综合应用
1.功、热和内能:
(1)绝热过程ΔU=W。
(2)单纯的传热过程ΔU=Q。
(3)热力学第一定律ΔU=W+Q。
2.内能的改变:
物理规律
情境
数量关系
单纯的传热过程
ΔU=Q
单纯的做功过程
ΔU=W
热力学第一定律
ΔU=W+Q
系统内能变化的关键词转化
【素养评价】
(多选)如图所示,汽缸和活塞与外界均无热交换,中间有一个固定的导热性良好的隔板,封闭着两部分气体A和B,活塞处于静止平衡状态。现通过电热丝对气体A加热一段时间,后来活塞达到新的平衡,不计气体分子势能,不计活塞与汽缸壁间的摩擦,大气压强保持不变,则下列判断正确的是
( )
A.气体A吸热,内能增加
B.气体B吸热,对外做功,内能不变
C.气体A分子的平均动能增大
D.气体B分子单位时间内对器壁单位面积碰撞次数减少
【解析】选A、C、D。气体A进行等容变化,则W=0,根据ΔU=W+Q可知气体A吸收热量,内能增加,温度升高,气体A分子的平均动能变大,但不是每个分子的动能都增加,选项A、C正确;因为中间是导热隔板,所以气体B吸收热量,温度升高,内能增加;又因为压强不变,故体积变大,气体对外做功,选项B错误;气体B的压强不变,但是体积增大,平均动能增大,所以气体B分子单位时间内对器壁单位面积的碰撞次数减少,选项D正确。
【补偿训练】
1.“蛟龙号”载人潜水艇是一艘由中国自行设计的载人潜水器。2012年6月27日潜水深度7
062.68
m,这标志着我国具备了载人到达全球99%以上海域深处进行作业的能力。潜水艇外壳是国产钛合金做成的,呈鸡蛋形状,舱内空间约为80
m3与外界导热良好。开始潜入时,舱内空气(看成理想气体)的压强为1
atm,温度为27
℃,水深7
062.68
m
处的温度为4
℃。
(1)当“蛟龙号”载人潜水艇在水深7
062.68
m处停留足够长的时间后,求舱内气体的压强为多少atm。
(2)在上述过程中舱内气体________(选填“放热”或“吸热”)。?
(3)从微观的角度解释舱内压强的变化:__________________________________
______________________________________________。
【解析】(1)舱内空气为等容变化,
初态:p1=1
atm,T1=300
K;末态:p2=?,T2=277
K
由查理定律得:
代入数据解得:
×1
atm≈0.92
atm。
(2)在上述过程中舱内气体的温度降低,内能减小,而体积不变,气体不做功,
由热力学第一定律判断得知,气体放热。
(3)舱内空气的体积不变,分子数密度不变,温度降低,分子的平均动能减小,
所以压强降低。
答案:(1)0.92
atm
(2)放热 (3)见解析
2.如图1所示,封闭有一定质量理想气体的汽缸固定在水平桌面上,开口向右放置,活塞的横截面积为S。活塞通过轻绳连接了一个质量为m的小物体,轻绳跨在定滑轮上。开始时汽缸内外压强相同,均为大气压p0(mg
(1)求物体刚离地时汽缸内气体的温度T1。
(2)求气体体积减半时的温度T2。
(3)在图2的坐标系中画出气体状态变化的整个过程。
【解析】(1)p1=p0,p2=p0-
,
等容过程:
,
(2)设开始时汽缸内气体和体积为V1,
等压过程:
(3)如图所示
答案:(1)
(2)
(3)见解析(共49张PPT)
单元素养评价(三)(第三章)
(90分钟 100分)
一、单项选择题:本题共10小题,每小题3分,共30分。在每小题给出的四个选项中,只有一项是符合题目要求的。
1.下列说法中正确的是
( )
A.温度低的物体内能小
B.外界对物体做功时,物体的内能一定增加
C.做加速运动的物体,由于速度越来越大,因此物体分子的平均动能越来越大
D.温度低的物体分子运动的平均动能小
【解析】选D。物体的内能与物体的物质的量、温度、体积以及物态有关,温度低的物体内能不一定小,故A错误;做功和传热是改变物体内能的两种方式,外界对物体做功时,物体的内能不一定增加,故B错误;分子的平均动能与物体的宏观的运动状态无关,故C错误;温度是分子平均动能的标志,温度低的物体分子运动的平均动能小,故D正确。
2.某同学用橡皮塞塞紧饮料瓶,并用打气筒向饮料瓶内打气,装置如图所示。当压强增大到一定程度时,橡皮塞冲出,发现饮料瓶内壁中有水蒸气凝结,产生这一现象的原因是饮料瓶中气体
( )
A.体积增大,压强减小
B.动能增大,温度升高
C.对外做功,温度降低
D.质量减少,温度降低
【解析】选C。由题意知,因瓶内气体膨胀,对外界做功,故橡皮塞冲出,W<0。又因时间很短,可得吸放热Q≈0,根据热力学第一定律ΔU=W+Q,得ΔU<0,所以内能减小,温度降低,故选C。
3.一定质量的理想气体做等温膨胀时,下列说法正确的是
( )
A.气体对外做正功,内能将减少
B.气体放热,外界对气体做负功
C.分子平均动能增大,但单位体积内的分子数减少,气体压强不变
D.分子平均动能不变,但单位体积内的分子数减少,气体压强降低
【解析】选D。根据
=C,等温膨胀时,压强减小,温度不变,气体的内能不变,
分子平均动能不变,由于体积增大,单位体积内的分子数减少;体积增大,气体对
外做正功,由于内能不变,由热力学第一定律知气体吸热。故选D。
4.下列对能量转化的描述,正确的是
( )
A.电暖器工作时,电能转化为动能
B.雨滴下落过程中,部分动能转化为重力势能
C.汽油发动机运转时,电能转化为化学能
D.水力发电机工作时,水的部分机械能转化为电能
【解析】选D。电暖器工作时,电能转化为内能,故A错误;雨滴下落过程中,重力势能减小,部分动能转化为内能,故B错误;汽油发动机运转时,部分化学能转化为机械能,故C错误;水力发电机工作时,水的部分机械能转化为电能,故D正确。
5.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.管内气体内能增加,压强变大
【解析】选D。绳克服与金属管间的摩擦做功,使管壁内能增加,温度升高。通过传热,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加,压强变大,故选D。
【补偿训练】
做功和传热都能够改变物体的内能。在下列改变物体内能的方法中,属于做功过程的是
( )
A.炉火上的壶水逐渐升温的过程
B.把烧红的铁块投入水中使铁块温度降低的过程
C.物体在阳光下被晒热的过程
D.柴油机汽缸内气体被压缩的过程
【解析】选D。A属于传热中的对流,A错误;B属于传热中的热传导,B错误;C属于传热中的热辐射,C错误;D属于做功改变内能,D正确。
6.图中的四个图像是一定质量的气体,按不同的方法由状态a变到状态b,则反映气体变化过程中从外界吸热的是
( )
【解析】选D。A项中体积减小,外界对气体做功,压强变大,气体做等温变化,温
度不变内能不变,根据热力学第一定律ΔU=Q+W,可以得知Q为负值,气体一定向外
界放热,A项错误;B项中体积和压强都在减小,外界对气体做功,根据理想气体状
态方程
=C,温度一定减小,内能减小,Q=ΔU-W,Q为负值,气体向外放热,B项错
误;C项中压强与温度成正比,气体发生等容变化,体积不变,外界做功为零,温度
减小,说明内能减小,气体对外界放热,所以C项错误;D项为等温变化,内能不变,
压强减小,体积一定增大,气体对外界做功,W为负值,Q一定为正值,气体吸热,所
以D项正确。
7.如图所示,汽缸内封闭一定质量的理想气体,活塞通过定滑轮与一重物m相连并
处于静止状态,此时活塞到缸口的距离h=0.2
m,活塞面积S=10
cm2,封闭气体的压
强p=5×104
Pa,现通过电热丝对缸内气体加热,使活塞缓慢上升直至缸口。在此
过程中封闭气体吸收了Q=60
J的热量,假设汽缸壁和活塞都是绝热的,活塞质量
及一切摩擦力不计,则在此过程中气体内能的增加量为
( )
A.70
J B.60
J
C.50
J D.10
J
【解析】选C。活塞移动过程,汽缸内气体对外界做功:W=Fx=pSh=5×104×10×
10-4×0.2
J=10
J,
由热力学第一定律得,汽缸内气体内能的变化:
ΔU=Q+(-W)=(60-10)
J=50
J。汽缸内的气体内能增加了50
J,故C正确,A、B、
D错误。
8.如图所示,固定容器及可动活塞P都是绝热的,中间有一导热的固定隔板B,B的两边分别盛有气体甲和乙。现将活塞缓慢地向B移动一段距离,已知气体的温度随内能的增加而升高,则在移动P的过程中
( )
A.外力对乙做功;甲的内能不变
B.外力对乙做功;乙的内能不变
C.乙传递热量给甲;乙的内能增加
D.乙的内能增加;甲的内能不变
【解析】选C。由于甲乙系统和外界是绝热的,因此不能和外界进行热交换Q=0,甲乙内能的变换只能通过外界做功引起,当活塞缓慢地向B移动一段距离时,乙气体体积减小,外界对乙做功,其内能增加,温度升高,然后通过隔板B将热量传递给甲一部分,最终甲乙内能都增加,故A、B、D错误,C正确。
9.下列关于热学现象和热学规律说法正确的是
( )
A.根据热力学第二定律可知热量能够从高温物体传到低温物体,但不可能从低温物体传到高温物体
B.一定量100
℃的水变成100
℃的水蒸气,其分子势能增加
C.物体的温度为0
℃时,物体分子的平均动能为零
D.用活塞压缩汽缸里的空气,对空气做功3.0×105
J,同时空气的内能增加了2×105
J,则空气从外界吸收热量1×105
J
【解析】选B。根据热力学第二定律可知热量能够从高温物体传到低温物体,也可能从低温物体传到高温物体,但要引起其他的变化,故A错误;一定量100
℃的水变成100
℃的水蒸气要吸收热量,而由于温度不变,故分子平均动能不变,分子总动能不变,则其分子势能增加,故B正确;分子在永不停息地做无规则运动,则当物体的温度为0
℃时,物体分子的平均动能不为零,故C错误;根据热力学第一定律,用活塞压缩汽缸里的空气,对空气做功3.0×105
J,同时空气的内能增加了2.0×105
J,则空气向外界放出热量1.0×105
J,故D错误。
10.如图所示,一个内壁光滑、绝热的汽缸固定在地面上,绝热的活塞下方封闭着
空气,若用竖直向上的力F将活塞缓慢向上拉一些距离。则缸内封闭着的气体(
)
A.分子平均动能不变
B.单位时间内缸壁单位面积上受到的气体分
子碰撞的次数减少
C.每个分子对缸壁的冲力都会减小
D.若活塞重力不计,拉力F对活塞做的功等于缸内气体内能的改变量
【解析】选B。向上拉活塞时,气体体积变大,气体对外做功,W<0,由于汽缸与活
塞是绝热的,在此过程中气体既不吸热,也不放热,则Q=0,由热力学第一定律可
知,ΔU=W+Q<0,气体内能减小,温度降低,分子平均动能变小,但并不是每一个分
子动能都减小,不是每个分子对缸壁的冲力都会减小,故A、C错误;气体物质的量
不变,气体体积变大,分子数密度变小,单位时间内缸壁单位面积上受到气体分子
碰撞的次数减少,故B正确;若活塞重力不计,则活塞质量不计,向上拉活塞时,活
塞动能与重力势能均为零,拉力F与大气压力对活塞做的总功等于缸内气体的内
能改变量,故D错误。
二、多项选择题:本题共5小题,每小题4分,共20分。在每小题给出的四个选项中,有多项符合题目要求。全部选对的得4分,选对但不全的得2分,有选错的得0分。
11.热现象过程中不可避免地出现能量耗散的现象。所谓能量耗散是指在能量转化的过程中无法把流散的能量重新收集、重新加以利用。下列关于能量耗散的说法中正确的是
( )
A.能量耗散说明能量不守恒
B.能量耗散不符合热力学第二定律
C.能量耗散过程中能量仍守恒
D.能量耗散是从能量转化的角度反映出自然界中的宏观过程具有方向性
【解析】选C、D。能量耗散说明能量转化的宏观过程具有方向性,符合热力学第二定律,B错误,D正确;能量耗散过程中,能量并没有消失,能量仍然守恒,A错误,C正确。
12.导热性能良好的汽缸和活塞,密封一定质量的理想气体,汽缸固定不动,保持环境温度不变,现在将活塞向下缓慢移动一段距离,则
( )
A.外界对气体做功,内能不变
B.气体放出热量,内能增大
C.汽缸内每个气体分子的动能保持不变
D.单位时间内撞击到缸壁上单位面积的分子数增多
【解析】选A、D。由于汽缸和活塞导热性能良好,且环境温度不变,因此在将活塞向下缓慢压一段距离过程中,气体温度不变,气体内能不变,由ΔU=W+Q可知,外界对气体做功,内能不变,气体将放出热量,故A正确,B错误;温度不变,说明气体分子平均动能不变,而并非指每个气体分子的动能均保持不变,故C错误;气体温度不变,体积缩小,根据理想气体状态方程可知,其压强增大,单位时间内撞击到缸壁上单位面积上的分子数增多,故D正确。
13.如图所示,两个相通的容器P、Q间装有阀门K,P中充满气体,Q为真空,整个系统与外界没有热交换。打开阀门K后,P中的气体进入Q中,最终达到平衡,则( )
A.气体体积膨胀,内能不变
B.气体分子势能减少,内能增加
C.气体分子势能增加,压强可能不变
D.Q中气体不可能自发地全部退回到P中
【解析】选A、D。气体的膨胀过程没有热交换,可以判断Q=0;由于容器Q内为真空,所以气体是自由膨胀,虽然体积变大,但是气体并不对外做功,即W=0;根据热力学第一定律ΔU=W+Q,由以上可以判断该过程ΔU=0,即气体的内能不变,显然选项A正确,B错误。由于气体分子间的作用力表现为引力,所以气体体积变大时分子引力做负功,分子势能增加,由此进一步推断分子动能减小,温度降低;体积变大、温度降低,则气体压强变小,所以选项C错误。宏观中的热现象都是不可逆的,所以D正确。
14.下列说法正确的是
( )
A.即使气体的温度很高,仍有一些分子的运动速率是非常小的
B.空调机作为制冷机使用时,将热量从温度较低的室内送到温度较高的室外,所
以制冷机的工作是不遵循热力学第二定律的
C.对于一定量的气体,当其温度降低时,速率大的分子数目减少,速率小的分子数
目增加
D.从单一热源吸取热量使之全部变成有用的机械功而不引起其他变化是不可能
的
【解析】选A、C、D。即使气体的温度很高,只是分子的平均速率较大,但是仍有一些分子的运动速率是非常小的,故A正确;空调机作为制冷机使用时,将热量从温度较低的室内送到温度较高的室外,要消耗电能,所以此过程是遵循热力学第二定律的,故B错误;对于一定量的气体,当其温度降低时,分子的平均速率减小,速率大的分子数目减少,速率小的分子数目增加,故C正确;根据热力学第二定律,从单一热源吸取热量使之全部变成有用的机械功而不引起其他变化是不可能的,故D正确。
15.如图所示,在较厚的有机玻璃筒底部,放置少量易燃物,如蓬松的硝化棉。迅
速压下筒中的活塞,可看到硝化棉被点燃而发出火光。对该实验现象的下列说法
中正确的是
( )
A.这个实验说明功可以变成能
B.这个实验说明做功可以改变筒内空气的内能
C.用厚有机玻璃做筒和迅速压缩都是为了保证该过程为绝热过程
D.活塞向下迅速压缩过程,筒内空气的分子平均动能和分子势能都增大了
【解析】选B、C。改变物体内能的方式有两种,一种是传热,另外一种是做功。这个实验说明做功可以改变筒内空气的内能,但并非说明功可以变成能,故A错误,B正确;这个实验的目的是说明做功可以改变筒内空气的内能,利用控制变量法,先保证气体和外界不进行热交换,所以用厚有机玻璃做筒和迅速压缩都是为了保证该过程为绝热过程,故C正确;活塞向下迅速压缩过程,筒内空气内能增大,分子平均动能也增大,但由于气体分子的距离很大,分子力可以忽略不计,分子势能也可以忽略不计,故D错误。
三、计算题:本题共4小题,共50分。要有必要的文字说明和解题步骤,有数值计算的要注明单位。
16.(8分)长时间旋转在恒温环境中的橡皮胎(可导热),胎内充有压强为p0,体积为V0的气体。在橡皮胎上压一重物,使其形变,胎内气体体积最终减小了ΔV,整个过程中橡皮胎对外界放出的热量为Q。不考虑气体分子势能。求:
(1)橡皮胎对气体做的功;
(2)胎内气体压强的变化量。
【解析】(1)橡皮胎内气体体积变化前后温度不变,故气体内能不变化,由热力学
第一定律可得:
W=Q。
(2分)
(2)由题意可得:
p0V0=p(V0-ΔV),
(2分)
Δp=p-p0,
(2分)
解得:Δp=
p0。
(2分)
答案:(1)Q (2)
p0
17.(10分)如图所示为一汽缸内封闭的一定质量的气体的p-V图像,当该系统从状
态a沿过程a→c→b到达状态b时,有335
J的热量传入系统,系统对外界做功
126
J。
(1)若沿a→d→b过程,系统对外做功42
J,则有多少热量传入系统?
(2)若系统由状态b沿曲线过程返回状态a时,外界对系统做功84
J,问系统是吸热
还是放热?热量传递是多少?
【解析】(1)沿a→c→b过程,由热力学第一定律
ΔU=W+Q=(-126+335)
J=209
J
(2分)
沿a→d→b过程,
由热力学第一定律ΔU=W′+Q′,
(2分)
得Q′=ΔU-W′=209
J-(-42)
J=251
J
(1分)
即有251
J的热量传入系统。
(2)因为由a→b,ΔU=209
J
(1分)
所以由b→a,ΔU′=-ΔU=-209
J
(1分)
由热力学第一定律ΔU′=W″+Q″
(1分)
得Q″=ΔU′-W″=(-209-84)
J=-293
J(2分)
负号说明系统放出热量。
答案:(1)251
J (2)放热 293
J
18.(16分)如图所示为一定质量的氦气(可视为理想气体)状态变化的V-T图像。已知该氦气所含的氦分子总数为N,氦气的摩尔质量为M,其在状态A时的压强为p0,阿伏加德罗常数为NA。
(1)求氦气分子的质量;
(2)求在C状态时氦气分子间的平均距离d;
(3)在第(2)小题的情境中,试求:
①氦气在B状态时的压强pB;
②若氦气从状态B到状态C过程,外界对氦气做功为W,则该过程中氦气是吸热还是放热?传递的热量为多少?
【解析】(1)氦气的摩尔质量为M,阿伏加德罗常数为NA
则氦气分子的质量:m=
;
(2分)
(2)C状态时气体的体积为V0,一个分子所占空间的平均体积为:V=
;
(2分)
把气体分子所占平均空间看成是立方体模型,有:
V=d3,
所以氦气在C状态时氦气分子间的平均距离
d=
;
(2分)
(3)①气体从A到B是等容变化过程,
根据查理定律有:
(2分)
解得:pB=
;
(2分)
②气体从B到C是等温变化过程,对于一定质量的理想气体,温度不变,内能不
变,ΔU=0,外界对氦气做功为W>0,
(2分)
根据热力学第一定律W+Q=ΔU,
有:Q=-W<0,
(2分)
则该过程中氦气是放热过程,传递的热量为W。
(2分)
答案:(1)
(2)
(3)①
②放热,传递的热量为W
19.(16分)如图所示,一个质量为m的T形活塞在汽缸内封闭一定量的理想气体,活塞体积可忽略不计,距汽缸底部h0处连接一U形细管(管内气体的体积忽略不计),细管内装有一定量水银,初始时,封闭气体温度为T0,活塞距离汽缸底部为1.5h0,U形管两边水银柱存在高度差。已知水银密度为ρ,大气压强为p0,汽缸横截面积为S,活塞竖直部分高为1.2h0,重力加速度为g。
(1)通过制冷装置缓慢降低气体温度,当温度为多少时两边水银面恰好相平?
(2)从开始至两水银面恰好相平的过程中,若气体放出的热量为Q,求气体内能的变化。
【解析】(1)初态时,对活塞受力分析,可求汽缸内气体
p1=p0+
(1分)
V1=1.5h0S
(1分)
T1=T0
(1分)
要使两边水银面相平,汽缸内气体的压强p2=p0
(1分)
此时活塞下端一定与汽缸底接触,
V2=1.2h0S
(2分)
设此时温度为T2,由理想气体状态方程有
(2分)
解得T2=
。
(2分)
(2)从开始至活塞竖直部分恰与汽缸底接触,气体压强不变,外界对气体做功
W=p1ΔV=
×0.3h0S
(2分)
由热力学第一定律有
ΔU=W-Q
(2分)
解得ΔU=0.3
h0S-Q。
(2分)
答案:(1)
(2)0.3
h0S-Q(共71张PPT)
4.热力学第二定律
必备知识·素养奠基
一、热力学第二定律的克劳修斯表述
1.热传导的方向性:一切与热现象有关的宏观自然过程都是_________。
2.热力学第二定律的克劳修斯表述:德国物理学家克劳修斯在1850年提出:热量
不能自发地从_____物体传到_____物体。热力学第二定律的克劳修斯表述,阐
述的是传热的_______。
不可逆的
低温
高温
方向性
二、热力学第二定律的开尔文表述
1.热机:
(1)热机工作的两个阶段:第一个阶段是燃烧燃料,把燃料中的_______变成工作
物质的_____。第二个阶段是工作物质对外_____,把自己的内能变成_______。
(2)热机用于做功的热量一定_____它从高温热库吸收的热量。
2.开尔文表述:不可能从单一热库吸收热量,使之___________,而不产生其他影
响。(该表述阐述了机械能与内能转化的方向性)
化学能
内能
做功
机械能
小于
完全变成功
关键能力·素养形成
一 热力学第二定律的应用
1.单一热库:指温度均匀并且恒定不变的系统。若一系统各部分温度不相同或者温度不稳定,则构成机器的工作物质可以在不同温度的两部分之间工作,从而可以对外做功。据报道,有些国家已在研究利用海水上下温度不同来发电。
2.其他影响:
(1)除了从单一热库吸收的热量以及所做的功以外的其他一切影响。
(2)除了从低温物体吸收热量、高温物体得到热量外,其他一切影响和变化。
3.关于“不可能”:实际上热机或制冷机系统循环终了时,除了从单一热库吸收热量对外做功,以及热量从低温热库传到高温热库以外,过程所产生的其他一切影响,不论用任何曲折复杂的办法都不可能加以消除。
4.适用条件:只能适用于由很大数目分子所构成的系统及有限范围内的宏观过程,而不适用于少量的微观体系,也不能把它扩展到无限的宇宙。
【思考·讨论】
如图是热量在传递过程中的情景。
讨论:
(1)在自然过程中热量是如何传递的?
提示:热量由温度高的物体传递给温度低的物体,或由温度高的地方传递到温度低的地方。
(2)空调和冰箱是如何传递热量的?
提示:空调和冰箱可以通过电机做功,把热量从温度比较低的房间内或冰箱内传递到房间外或冰箱外。
【典例示范】
(多选)下列关于宏观物体的热现象的说法中正确的是
( )
A.一切涉及热现象的宏观过程都具有方向性
B.一切不违背能量守恒定律的物理过程都是可能实现的
C.由热力学第二定律可以判断物理过程能否自发进行
D.一切物理过程都不可能自发地进行
E.功转变为热的实际宏观过程是不可逆的
【解析】选A、C、E。热力学第二定律是反映宏观自然过程的方向性的定律,热量不能自发地从低温物体传到高温物体,但可以自发地从高温物体传到低温物体;并不是所有符合能量守恒定律的宏观过程都能实现,故A、C正确,B、D错误;一切与热现象有关的宏观过程都是不可逆的,故E正确。
【误区警示】对热力学第二定律理解的两个误区
(1)误认为热量只能由高温物体传到低温物体,不能由低温物体传到高温物体。
热量可以由高温物体传到低温物体,也可以由低温物体传到高温物体;但是,前者可以自发完成,而后者则必须有外界参与。
(2)误认为机械能可以完全转化为内能,而内能不能完全转化为机械能。
机械能可以完全转化为内能,内能也可以完全转化为机械能;但是,前者可以不产生其他影响,而后者一定会产生其他影响。
【素养训练】
(多选)用两种不同材料的金属丝组成一个回路,接触点1插在热水中,接触点2插在冷水中,如图所示,电流计指针会发生偏转,这就是温差发电现象。关于这一现象的正确说法是
( )
A.这一实验不违背热力学第二定律
B.在实验过程中,热水温度降低,冷水温度升高
C.在实验过程中,热水的内能全部转化成电能,电能则部分转化成冷水的内能
D.在实验过程中,热水的内能只有部分转化成电能,电能则全部转化成冷水的内能
【解析】选A、B。自然界中的任何自然现象或过程都不违反热力学定律,本实验现象也不违反热力学第二定律,A正确;整个过程中能量守恒且传热有方向性,B正确;在实验过程中,热水中的内能除转化为电能外,还升高了金属丝的温度,内能不能全部转化为电能;电能除转化为冷水的内能外,还升高了金属丝的温度,电能不能全部转化为冷水的内能,C、D错误。
【补偿训练】
(多选)下列现象不可能发生的是
( )
A.在一与外界绝热的房间内,将一台正在工作的电冰箱的门打开,能使该房间降温
B.蒸汽机把蒸汽的内能全部转化为机械能
C.一个在粗糙的水平地面上运动的物体最终要停下来,物体的动能全部转化为内能
D.在热传导中,热量可以自发地从高温物体传向低温物体
【解析】选A、B。在一与外界绝热的房间内,将一台正在工作的电冰箱的门打开,消耗了电能,产生了焦耳热,所以房间温度不仅不能降低还会升高,故A不可能发生;蒸汽机把蒸汽的内能不可能全部转化为机械能,转化过程中必然存在能量耗散,故B不可能发生;一个在粗糙的水平地面上运动的物体最终要停下来,物体的动能全部转化为内能,C可能发生;在热传导中,热量可以自发地从高温物体传向低温物体,D可能发生。
二 热机和第二类永动机
1.热机的特点:
(1)热机不仅仅只有一个热库。
(2)热机的效率不可能达到100%。
2.第二类永动机不能制成的原因:违反了热力学第二定律(不违反能量守恒定律)。
3.第二类永动机不能制成的意义:
(1)机械能可全部转化成内能,但内能不能全部转化成机械能。
(2)机械能和内能的转化过程具有方向性。
(3)两类永动机的比较。
第一类永动机:不消耗任何能量,可以不断做功(或只给予很小的能量启动后,可以永远运动下去)。
第二类永动机:将内能全部转化为机械能,而不引起其他变化(或只有一个热源,实现内能与机械能的转化)。
【思考·讨论】
如图所示是制冷机和热机的工作过程示意图,请在图片基础上思考以下问题:
讨论:
(1)制冷机工作时热量是自发地从低温热库传到高温热库吗?
(2)热机工作时是否将从高温热库吸收的热量全部用来做功?
提示:(1)不是。热量从低温热库传到高温热库时需要有外界做功。
(2)否。热机工作时只将从高温热库吸收热量的一部分用来做功,剩余的释放到低温热库。
【典例示范】
在热学中,下列说法正确的是
( )
A.第一类永动机不可制成是由于它违背了能量守恒定律
B.第二类永动机不可制成是由于它违背了能量守恒定律
C.热力学第二定律告诉我们机械能可以转化为内能而内能不能转化为机械能
D.热量只能从高温物体传向低温物体,而不能从低温物体传向高温物体
【解析】选A。不消耗能量而不断对外做功的第一类永动机是不可能制成的,因为它违背了能量守恒定律,故A正确;从单一热库吸收热量而对外做功的第二类永动机不违反能量守恒定律,但违反了热力学第二定律,故B错误;热力学第二定律告诉我们机械能可以转化为内能,而内能在“一定的条件下”也能转化为机械能,故C错误;热量能从高温物体传向低温物体,在“一定的条件下”也能从低温物体传向高温物体。故D错误。
【素养训练】
1.(多选)关于第二类永动机,下列说法正确的是
( )
A.没有冷凝器,只有单一的热源,能将从单一热源吸收的热量全部用来做功,而不引起其他变化的热机叫作第二类永动机
B.第二类永动机违反了能量守恒定律,所以不可能制成
C.第二类永动机不可能制成,说明机械能可以全部转化为内能,内能却不可能全部转化为机械能
D.第二类永动机不可能制成,说明机械能可以全部转化为内能,内能却不可能全部转化为机械能,同时不引起其他变化
【解析】选A、D。根据第二类永动机的定义可知A正确,第二类永动机不违反能量守恒定律,而是违反热力学第二定律,所以B错误。机械能可以全部转化为内能,内能在引起其他变化时可能全部转化为机械能,C错误,D正确。
2.下列有关热学知识的论述正确的是
( )
A.两个温度不同的物体相互接触时,热量既能自发地从高温物体传给低温物体,也可以自发地从低温物体传给高温物体
B.无论用什么方式都不可能使能量从低温物体向高温物体传递
C.第一类永动机违背能的转化和守恒定律,第二类永动机不违背能的转化和守恒定律,随着科技的进步和发展,第二类永动机可以制造出来
D.温度是物体分子热运动平均动能的标志
【解析】选D。两个温度不同的物体相互接触时,热量能自发地从高温物体传给低温物体,但不能自发地从低温物体传给高温物体,故A错误;在外界的影响下,能使能量从低温物体向高温物体传递,空调、冰箱就是这个原理,故B错误;第一类永动机违背能的转化和守恒定律,不能制造出来,第二类永动机不违背能的转化和守恒定律,但违反了物理过程的方向性,同样不能制造成功,故C错误;温度是物体分子热运动激烈程度的反映,是物体分子热运动平均动能的标志,温度越高,分子热运动平均动能越大,故D正确。
【补偿训练】
1.第二类永动机不可以制成,是因为
( )
A.违背了能量守恒定律
B.热量总是从高温物体传递到低温物体
C.机械能不能全部转变为内能
D.内能不能全部转化为机械能,同时不引起其他变化
【解析】选D。第二类永动机设想虽然符合能量守恒定律,但是违背了能量转化中有些过程是不可逆的规律,所以不可能制成。
2.(多选)如图所示为电冰箱的工作原理示意图,压缩机工作时,强迫制冷剂在冰箱内外的管道中不断循环。在蒸发器中制冷剂汽化吸收箱体内的热量,经过冷凝器时制冷剂液化,放出热量到箱体外。下列说法正确的是
( )
A.热量可以自发地从冰箱内传到冰箱外
B.电冰箱的制冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界,是因为其消耗了电能
C.电冰箱的工作原理不违反热力学第一定律
D.电冰箱的工作原理违反热力学第一定律
【解析】选B、C。根据热力学第二定律,热量不能自发地从低温物体传到高温物体,必须借助于其他系统做功,A错误,B正确;热力学第一定律是热现象中内能与其他形式能的转化规律,是能量守恒定律的具体表现,适用于所有的热现象,故C正确,D错误。
【拓展例题】考查内容:热力学定律的综合应用
【典例】一种冷暖两用型空调,铭牌标注:输入功率1
kW,制冷能力1.2×
104
kJ/h,制热能力1.3×104
kJ/h。这样,该空调在制热时,每消耗1
J电能,将放出3
J的热量。标注是否错误?
【解析】空调制冷、制热是靠压缩机做功,通过内部的制冷剂将热量从温度低的地方向温度高的地方传递。在制热时,室内温度高,室外温度低,热量不会自发地从室外向室内传递。要实现这一过程就会引起其他的变化,这里的其他变化正是通过压缩机做功消耗电能的过程,题中放出3
J的热量是指将3
J的内能从室外传递到室内,需消耗
1
J
的电能。整个过程既不违背热力学第一定律的能量守恒,又符合热力学第二定律的方向性。因此标注没有错误。
答案:见解析
【课堂回眸】
课堂检测·素养达标
1.(多选)关于热机的效率,下列说法正确的是
( )
A.有可能达到80%
B.有可能达到100%
C.有可能超过80%
D.一定能达到100%
【解析】选A、C。根据热力学第二定律,热机效率永远也达不到100%。
2.关于能源和能量,下列说法正确的是
( )
A.自然界的能量是守恒的,所以地球上的能源永不枯竭
B.能源的利用过程中有能量耗散,所以自然界的能量在不断减少
C.能量耗散遵循能量守恒定律
D.人类在不断地开发和利用新能源,所以能量可以被创造
【解析】选C。自然界中的能量是守恒的,但地球上的化石能源的存储量是有限的,如果过量开采这些能源,就会存在能源危机,故A错误;能源的利用过程中有能量耗散,但自然界中的能量是守恒的,所以自然界中的能量不会减小,故B错误,C正确;能量既不会凭空产生,也不会凭空消失,它只能从一种形式转化为其他形式,或者从一个物体转移到别的物体,故D错误。
3.如图所示,汽缸内盛有一定量的理想气体,汽缸壁是导热的,缸外环境保持恒温,活塞与汽缸壁的接触是光滑的,但不漏气。现将活塞杆与外界连接,使其缓慢地向右移动,这样气体将等温膨胀并通过杆对外做功。若已知理想气体的内能只与温度有关,则下列说法正确的是
( )
A.气体是从单一热源吸热,全用来对外做功,因此此过程违反热力学第二定律
B.气体从单一热源吸热,但并未全用来对外做功,所以此过程不违反热力学第二定律
C.气体是从单一热源吸热,全用来对外做功,但此过程不违反热力学第二定律
D.A、B、C三种说法都不对
【解析】选C。热力学第二定律从机械能与内能转化过程的方向性来描述是不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功而不引起其他变化。本题中如果没有外界的帮助,比如外力拉动活塞杆使活塞向右移动,使气体膨胀对外做功,导致气体温度略微降低,是不可能从外界吸收热量的,即这一过程虽然是气体从单一热源吸热,全用来对外做功,但引起了其他变化,所以此过程不违反热力学第二定律。
4.对于永动机的认识,下列说法正确的是
( )
A.第一类永动机和第二类永动机都违背了能量守恒定律,所以都不可能制成
B.第一类永动机违背了能量守恒定律,第二类永动机没有违背能量守恒定律,因此,随着科学技术的迅猛发展,第二类永动机是可以制成的
C.第一类永动机违反了热力学第一定律,第二类永动机违反了热力学第二定律,这两类永动机都不可能制成
D.两类永动机的实质和工作原理是相同的,都是人们的美好设想,是永远不会实现的。
【解析】选C。第一类永动机违反了能量的转化与守恒,不可能实现,第二类永动机不违反能量守恒定律,但违反了热力学第二定律,内能在转化为机械能的过程中要生热,所以要引起其他变化。这两类永动机都不可能制成,故A、B、D错误,C正确。
【新思维·新考向】
情境:1821年,德国物理学家塞贝克发现了一种怪现象:把两根铜丝和一根铁丝与灵敏电流计串联成闭合电路,然后把铜铁丝的一个连接点放在盛有冰水混合物的容器里保持低温,另一个连接点放在火焰上加热,升到很高的温度时,发现灵敏电流计的指针发生了偏转,表明闭合电路中产生了电流,这就是温差发电现象。
问题:这一实验是否违反热力学第二定律?简述这一过程中能的转化情况。
【解析】不违反,内能不可能全部转化为电能,而不产生其他影响;产生的电能是由被火焰加热的铜铁丝的内能转化而来,其内能一部分转化为电能,一部分传递给冰水混合物。
答案:见解析
课时素养评价
十 热力学第二定律
【基础达标】（25分钟·60分）
一、选择题(本题共6小题,每题6分,共36分)
1.下列说法正确的是
( )
A.热量能够从高温物体传到低温物体,但不能从低温物体传到高温物体
B.不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功而不引起其他变化
C.功可以全部转化为热,但热不能全部转化为功
D.凡是不违反能量守恒定律的过程都一定能实现
【解析】选B。根据热力学第二定律,热量能够自发地从高温物体传到低温物体,但不能自发地从低温物体传到高温物体,故A错误;根据热力学第二定律,不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功而不引起其他变化,故B正确;根据热力学第二定律,功可以全部转化为热,但热不能全部转化为功,而不引起其他变化,故C错误;第二类永动机不违反能量守恒定律,但违反了热力学第二定律,故D错误。
2.根据热力学第二定律,下列现象能够发生的是
( )
A.一杯热茶打开杯盖后,茶会自动变得更热
B.氮气和氧气混合后会自动分开
C.桶中混浊的泥水静置一段时间后,泥沙下沉,上面的水变清
D.电冰箱不通电时热量也会自发从低温的箱内传到高温的箱外
【解析】选C。传热具有方向性,热量能自发地从高温物体传到低温物体,故一杯热茶在打开杯盖后,茶会自动变得凉,故A错误;一切自然现象都具有方向性,氮气和氧气混合后不能自动分开,故B错误;桶中混浊的泥水静置一段时间后,泥沙在重力的作用下下沉,上面的水变清,出现了泥、水自动分离现象,故C正确;电冰箱只有通电工作时,在消耗电能的情况下把热量从冰箱内部低温物体传到冰箱外部的高温物体,故D错误。
3.关于能量的转化下列说法中正确的是
( )
A.满足能量守恒定律的物理过程都能自发地进行
B.不但能量的总量保持不变,而且能量的可利用性在逐步提高
C.空调机既能制热又能制冷,说明传热不存在方向性
D.热量不可能由低温物体传给高温物体而不发生其他变化
【解析】选D。满足能量守恒定律的物理过程不一定能自发进行,还要遵守热力学第二定律,故A错误;自然界一切发生的能量转化过程都具有单向特性,遵守能量守恒定律,但能量的利用率将下降,即能量的品质在退化,故B错误;空调机既能制热又能制冷是由于消耗电能,不能说明传热不存在方向性,故C错误;根据热力学第二定律,热量不可能由低温物体传给高温物体而不发生其他变化,故D正确。
4.根据热力学定律,下列判断正确的是
( )
A.我们可以把火炉散失到周围环境中的能量全部收集到火炉中再次用来取暖
B.利用浅层海水和深层海水间的温度差制造出一种热机,将海水的一部分内能转化为机械能,这在原理上是可行的
C.制冷系统能将冰箱内的热量传给外界较高温度的空气,而不引起其他变化
D.满足能量守恒定律的客观过程都可以自发地进行
【解析】选B。热量不能自发地从低温物体传到高温物体,所以不能说把散失的能量全部收集起来重新加以利用,A错;由热力学第二定律可知,B正确;热量从低温物体传给高温物体时一定会发生其他变化,C错;只满足能量守恒定律而不满足热力学第二定律的过程是不可能发生的,D错。
5.下列说法正确的是
( )
A.热力学第二定律否定了以特殊方式利用能量的可能性
B.电流流过导体转化为内能,反过来,可将内能收集起来,再转化成相同大小的电流
C.可以做成一种热机,由热源吸取一定的热量而对外做功
D.冰可以熔化成水,水也可以结成冰,这个现象违背了热力学第二定律
【解析】选C。热力学第二定律说明了一切与热现象有关的宏观过程都是有方向性的,但并没有否定以特殊方式利用能量的可能性,故A项错误;功和内能的转化具有方向性,其逆过程是不可能自发实现的,故B项错误;只要不要求吸收的热量全部用来做功而不产生其他影响,可以做成一种热机,由热源吸取一定热量而对外做功,故C项正确;冰熔化成水,水结成冰,伴随着能量的转移,不是自发进行的,没有违背热力学第二定律,故D项错误。
6.能源是当今社会快速发展面临的一大难题。由此,人们想到了永动机,关于第二类永动机,甲、乙、丙、丁4名同学争论不休。
甲:第二类永动机不违反能量守恒定律,应该可以制造成功。
乙:虽然内能不可能全部转化为机械能,但在转化过程中可以不引起其他变化。
丙:摩擦、漏气等因素导致能量损失,第二类永动机也因此才不能制成。
丁:内能与机械能之间的转化具有方向性才是第二类永动机不可能制成的原因。
你认为以上说法正确的是
( )
A.甲 B.乙 C.丙 D.丁
【解析】选D。第二类永动机不违反能量守恒定律,但违反了热力学第二定律,甲同学说法错误;内能在转化为机械能的过程中要生热,所以要引起其他变化,乙同学说法错误;第二类永动机不能制成的原因是违反了热力学第二定律,丙同学说法错误;内能与机械能之间的转化具有方向性才是第二类永动机不可能制成的原因,丁同学说法正确。
二、非选择题(本题共2小题,共24分。要有必要的文字说明和解题步骤,有数值计算的要标明单位)
7.(12分)制冷机是一种利用工作物质,使热量从低温物体传到高温物体的装置,通过制冷机的工作可以使一定空间内的物体温度低于环境温度并维持低温状态。夏天,将房间一台正在工作的电冰箱的门打开,这是否可以降低室内的平均温度?为什么?
【解析】不会降低室内的平均温度。若将一台正在工作的电冰箱的门打开,尽管可以不断向室内释放冷气,但同时冰箱的箱体也向室内散热,就整个房间来说,由于外界通过导线不断有能量输入,室内的温度会不断升高。
答案:见解析
8.(12分)某地的平均风速为5
m/s,已知空气密度是1.2
kg/m3,有一风车,它的车叶转动时可形成半径为12
m的圆面,如果这个风车能将此圆内10%的气流的动能转变为电能,则该风车带动的发电机功率是多少?
【解析】首先可以求出在时间t内作用于风车的气流质量为m=πr2vtρ,
这些气流的动能为
mv2,
转变的电能为E=
mv2×10%,
故风车带动电动机功率为
πr2ρv3×10%,
代入数据得P≈3.4
kW。
答案:3.4
kW
9.(7分)(多选)下列说法正确的是
( )
A.物体吸收热量,其内能一定增加
B.不可能从单一热库吸收热量,使之完全变成功,而不产生其他影响
C.第二类永动机不能制成是因为违背了能量守恒定律
D.热量不能自发地从低温物体传递到高温物体
【解析】选B、D。根据热力学第一定律,物体吸收热量,但对外做功不明确,所以其内能不一定增加。故A错误;根据热力学第二定律,不可能从单一热库吸收热量,使之完全变成功,而不产生其他影响。故B正确;第二类永动机不能制成是因为违背了热力学第二定律。故C错误;根据热力学第二定律,热量不能自发地从低温物体传递到高温物体。故D正确。
10.(7分)(多选)下列说法正确的是
( )
A.能量耗散说明能量在不断减少
B.能量耗散从能量转化角度反映出自然界的宏观过程具有方向性
C.热量不可能从低温物体传给高温物体
D.根据热力学第二定律,在火力发电机中,燃气的内能不能全部转化为电能
【解析】选B、D。能量耗散是指能量的可利用价值越来越低,由于能量守恒,故能量不会减少,A选项错误;根据热力学定律可知,宏观自然过程自发进行有其方向性,能量耗散就是从能量的角度反映了这种方向性,B选项正确;根据热力学定律可知,能量转化和转移具有方向性,热量不能自发地从低温物体传给高温物体,C选项错误;火力发电机发电时,能量转化的过程为内能——机械能——电能,因为内能——机械能的转化过程中会对外放出热量,故燃气的内能不能全部变为电能,选项D正确。
【补偿训练】
(多选)下列对能量耗散的理解正确的有( )
A.能量耗散说明能量在不断减少
B.能量耗散遵守能量守恒定律
C.能量耗散说明能量不能凭空产生,但可以凭空消失
D.能量耗散从能量角度反映出自然界的宏观过程具有方向性
【解析】选B、D。在发生能量转化的宏观过程中,其他形式的能量最终会转化为流散到周围环境的内能,无法再回收利用,这种现象叫能量耗散。能量耗散并不违反能量守恒定律。宇宙的能量既没有减少,也没有消失,它只从能量角度反映出自然界的宏观过程具有方向性,故A、C错误,B、D正确。
11.(7分)下列说法中正确的是
( )
A.由于能量的转化过程符合能量守恒定律,所以不会发生能源危机
B.随着低温技术的发展,我们可以使温度逐渐降低,并最终达到绝对零度
C.第一类永动机违背热力学第一定律
D.自然界中涉及热现象的宏观过程都具有方向性
【解析】选D。由于能量转移或转化是有方向性的,虽然能量守恒,但是还会产生能源危机,故A错误;绝对零度只能无限接近,不能达到,故B错误;第一类永动机违背能的转化和守恒定律,不能制造出来,不是违背了热力学第一定律,故C错误;根据热力学第二定律,自然界中涉及热现象的宏观过程都具有方向性,故D正确。
12.(19分)炎炎夏日,两位同学在充满凉意的空调室内,就空调机的工作过程是否遵循热力学第二定律的问题发生了争论。
甲同学说:空调机工作时,不断地把热量从室内传到室外,即从低温物体传到高温物体,可见它并不遵循热力学第二定律。
乙同学说:热力学第二定律是热力学系统的普遍规律,空调机的工作过程不可能违反它。
两人各执一词,都无法使对方信服。请你对他们的论点作出评价。
【解析】空调机和电冰箱都是制冷机,它们的工作原理基本相同。为了便于解析,我们以电冰箱为研究对象,认识它的基本结构和工作过程。从冰箱的原理图可以知道,电冰箱由压缩机、冷凝器、毛细管(节流阀)、蒸发器四个部分组成。这四个部分由管道连接,组成一个密闭的连通器系统,制冷剂作为工作物质,由管道输送,经过这四个部分,完成工作循环。
压缩机是电冰箱的“心脏”,它消耗电能对来自蒸发器的制冷剂蒸汽做功,使它变成高温高压的蒸汽(如p≈9.1
atm,t≈46
℃)。然后这些高温高压的蒸汽来到冷凝器,向低温的环境(空气)放热,同时自身被冷却而凝成低温高压的液体(如p=8.9
atm,t=37.4
℃),这些低温高压的液态制冷剂由过滤器滤掉水分和杂质,进入毛细管,经节流阀膨胀,变为低温低压的液体(如p≈1.5
atm,t≈-20
℃),随后进入电冰箱的蒸发器。在那里,这些低温低压的液态制冷剂在低压条件下迅速汽化,从外界(电冰箱内)吸收大量的热量,使那儿的温度降低。这样就完成了一个制冷循环。由此可见乙同学的论点正确。
答案:乙同学说法正确(共77张PPT)
2.热力学第一定律
3.能量守恒定律
必备知识·素养奠基
一、热力学第一定律
【思考】
问题1:这个机械的动力力矩大于阻力力矩吗?
问题2:这个机械能自动地转动下去永不停止吗?
提示:1.不大于,总动力力矩的和不大于总阻力力矩的和。
2.不能,因为违反了能量守恒定律。
1.改变内能的两种方式:做功与_____。两者在改变系统内能方面是_______。
2.热力学第一定律:
(1)内容:一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的_____与外界对它
_________的和。
(2)数学表达式:ΔU=____。
传热
等效的
热量
所做的功
Q+W
二、能量守恒定律
1.内容:能量既不会凭空产生,也不会凭空消失,它只能从一种形式_____为另
一种形式,或者从一个物体_____到别的物体,在转化或转移的过程中能量的总
量_________。
2.意义:
(1)各种形式的能可以_________。
(2)各种物理现象可以用_____________联系在一起。
转化
转移
保持不变
相互转化
能量守恒定律
关键能力·素养形成
一 热力学第一定律的应用
1.对公式ΔU=Q+W中ΔU、Q、W符号的规定:
符号
Q
W
ΔU
+
物体吸收热量
外界对物体做功
内能增加
-
物体放出热量
物体对外界做功
内能减少
2.几种特殊情况:
(1)若过程是绝热的,即Q=0,则ΔU=W,物体内能的增加量等于外界对物体做的功。
(2)若过程中不做功,即W=0,则ΔU=Q,物体内能的增加量等于物体从外界吸收的热量。
(3)若过程的始末状态物体的内能不变,即ΔU=0,则W=-Q(或Q=-W),外界对物体做的功等于物体放出的热量(或物体吸收的热量等于物体对外界做的功)。
3.判断是否做功的方法:一般情况下外界对物体做功与否,需看物体的体积是否变化。
(1)若物体体积增大,表明物体对外界做功,W<0。
(2)若物体体积减小,表明外界对物体做功,W>0。
【思考·讨论】
如图所示,一定质量的理想气体由a状态变化到b状态,请在图像基础上思考以下问题:
讨论:
(1)在变化过程中是气体对外做功,还是外界对气体做功?
(2)在变化过程中气体吸热,还是向外放热?气体内能增加了,还是减少了?
提示:(1)由图可知,气体的变化为等压膨胀,一定是对外做功。
(2)由日常经验可知,理想气体在等压膨胀过程中需要从外界吸收热量。由盖-吕萨克定律可知,理想气体在等压膨胀过程中温度升高,内能一定增加。
【典例示范】
(2019·全国卷Ⅰ)某容器中的空气被光滑活塞封住,容器和活塞绝热性能良好,空气可视为理想气体。初始时容器中空气的温度与外界相同,压强大于外界。现使活塞缓慢移动,直至容器中的空气压强与外界相同。此时,容器中空气的温度______(选填“高于”“低于”或“等于”)外界温度,容器中空气的密度________(选填“大于”“小于”或“等于”)外界空气的密度。?
【解析】容器与活塞绝热性能良好,容器中空气与外界不发生热交换(Q=0),活
塞移动的过程中,容器中空气压强减小,则容器中空气正在膨胀,体积增大,对
外界做功,即W<0。根据热力学第一定律ΔU=Q+W可知:容器中空气内能减小,温
度降低,容器中空气的温度低于外界温度。根据理想气体状态方程有
,
又ρ=
,联立解得:ρ=
。对容器外与容器内质量均为m的气体,因容器中
空气压强和容器外空气压强相同,容器内温度低于外界温度,则容器中空气的
密度大于外界空气的密度。
答案:低于 大于
【素养训练】
1.一定量的气体,从外界吸收热量6.2×105
J,内能增加4.7×105
J。则下列说法中正确的是
( )
A.气体对外做功1.5×105
J
B.外界对气体做功1.7×105
J
C.气体对外做功1.7×105
J
D.外界对气体做功1.5×105
J
【解析】选A。由题意,气体吸收热量为Q=6.2×105
J,内能增加了ΔU=4.7×
105
J,设外界对气体做功为W,根据热力学第一定律ΔU=Q+W得:W=ΔU-Q=4.7
×105
J-6.2×105
J=-1.5×105
J,即气体对外界做功1.5×105
J。故选A。
2.2019年12月1日,粤东农批·2019球王故里五华马拉松赛在五华粤东农批广场激情开跑。此次活动能圆满举行离不开一群可爱的志愿者,他们到了午餐时间也只是吃点自热米饭,对于自热米饭很多人还不是很了解,自热米饭盒内有一个发热包,遇水发生化学反应而产生大量热能,不需要明火,温度可超过100
℃,盖上盒盖便能在10～15分钟内迅速加热食品。自热米饭的盖子上有一个透气孔,如果透气孔堵塞,容易造成小型爆炸。有关自热米饭盒爆炸的说法,正确的是( )
A.自热米饭盒爆炸,是盒内气体温度升高,气体分子间斥力急剧增大的结果
B.在自热米饭盒爆炸的瞬间,盒内气体内能增加
C.在自热米饭盒爆炸的瞬间,盒内气体温度降低
D.自热米饭盒爆炸前,盒内气体温度升高,标志着每一个气体分子速率都增大了
【解析】选C。自热米饭盒爆炸前,盒内气体温度升高,由分子动理论知,体积不变,气体分子间作用力忽略不计,分子间的作用力不变,故A错误;根据热力学第一定律,爆裂前气体温度升高,内能增大,突然爆裂的瞬间气体对外界做功,其内能减少,温度也会有所下降,故B错误,C正确;自热米饭盒爆炸前,盒内气体温度升高,分子平均动能增加,但并不是每一个气体分子速率都增大,故D错误。
【补偿训练】
1.(多选)若一气泡从湖底上升到湖面的过程中温度保持不变,对外界做了0.6
J的功,则在此过程中关于气泡中的气体(可视为理想气体),下列说法正确的是
( )
A.气体的内能不变
B.气体体积要减小
C.气体向外界放出的热量大于0.6
J
D.气体从外界吸收的热量等于0.6
J
【解析】选A、D。温度是分子平均动能的标志,温度不变,则分子平均动能不变,理想气体分子势能不计,故在气泡上升过程中,气体的内能不变,故A正确;由题意知气泡对外界做功,则体积变大,B错误;由热力学第一定律可知:W+Q=
ΔU,气体对外做功,故W=Q=0.6
J,故气体从外界吸热,吸收的热量Q=0.6
J,故C错误、D正确。
2.一定量的气体在某一过程中,外界对气体做了8×104
J的功,气体的内能减少了1.2×105
J,则下列各式中正确的是
( )
A.W=8×104
J,ΔU=1.2×105
J,Q=4×104
J
B.W=8×104
J,ΔU=-1.2×105
J,Q=-2×105
J
C.W=-8×104
J,ΔU=1.2×105
J,Q=2×105
J
D.W=-8×104
J,ΔU=-1.2×105
J,Q=-4×104
J
【解析】选B。因为外界对气体做功,W取正值,即W=8×104
J,内能减少,ΔU取负值,即ΔU=-1.2×105
J,根据ΔU=Q+W,可得Q=ΔU-W=-1.2×105
J-8×104
J=-2
×105
J,B正确。
二 能量守恒定律的应用
1.能量的存在形式及相互转化:
(1)各种运动形式都有对应的能:机械运动有机械能,分子的热运动有内能,还有电磁能、化学能、原子能等。
(2)各种形式的能,通过某种力做功可以相互转化。例如,利用电炉取暖或烧水,电能转化为内能;煤燃烧,化学能转化为内能;列车刹车后,轮子温度升高,机械能转化为内能。
2.与某种运动形式对应的能是否守恒是有条件的。例如,物体的机械能守恒,必须是只有重力或系统内的弹力做功;而能量守恒定律是没有条件的,它是一切自然现象都遵守的基本规律。
3.第一类永动机失败的原因分析:如果没有外界热源供给热量,则有U2-U1=W,就是说,如果系统内能减少,即U2 【思考·讨论】
有一种所谓“全自动”机械手表,既不需要上发条,也不用任何电源,却能不停地走下去。
讨论:
(1)这是不是一种永动机?
提示:这不是永动机。
(2)如果不是,维持表针走动的能量是从哪儿来的?
提示:手表戴在手腕上,通过手臂的运动,机械手表获得能量,供手表发条做机械运动。若将此手表长时间放置不动,它就会停下来。
【典例示范】
下列有关能量的描述正确的是
( )
A.“又要马儿跑得快,又要马儿不吃草”违背了能量守恒定律
B.工作中的电风扇,消耗的电能大于输出的机械能,该过程能量不守恒
C.滑块在粗糙的水平面上减速滑行,最终停了下来,动能消失,能量不守恒
D.同时做自由落体运动的物体,质量越大,势能减少越快,机械能减少也越快
【解析】选A。马儿跑的时候需要消耗能量,而草能够为马儿提供能量,因此“既要马儿跑,又要马儿不吃草”违背了能量转化和守恒定律,故A正确;工作中的电风扇,消耗的电能大于输出的机械能,损失的电能转化为内能,该过程能量仍守恒,故B错误;滑块在粗糙的水平面上减速滑行,最终停了下来,减小的动能转化为内能,能量守恒,故C错误;同时做自由落体运动的物体,运动的快慢与质量无关,减少的势能转化为动能,机械能不变,故D错误。
【素养训练】
1.“第一类永动机”是不可能制成的,这是因为它
( )
A.不符合热力学第一定律
B.做功产生的热量太少
C.由于有摩擦、热损失等因素的存在
D.找不到合适的材料和合理的设计方案
【解析】选A。第一类永动机是不可能制成的,因为它违背了能量守恒定律,即热力学第一定律,故A正确,B、C、D错误。
2.由能量守恒定律可知
( )
A.能量可以被消灭,也可以被创生
B.因为能量是守恒的,所以不可能发生能源危机
C.因为能量是守恒的,所以不需要节约能源
D.不同形式的能量之间可以相互转化
【解析】选D。能量不能被创生,也不能被消灭,故A错误;能量虽然是守恒的,总量不变,但是我们可以利用的能源是有限的,故一定要注意节约能源,防止能源危机,故B、C错误;不同形式的能量之间可以相互转化,总量不变,故D正确。
【补偿训练】
1.关于能量转化,以下说法中不正确的是
( )
A.正在运转中的电风扇是机械能变成电能
B.燃烧煤是化学能转变为内能
C.电热器是将电能转变为内能
D.水力发电站是使水流的机械能转变为电能
【解析】选A。电扇是消耗电能使风扇转动,是将电能转化为机械能,故A错误;燃烧发生化学变化,产生热量,故是化学能转变为内能,故B正确;电热器是通电后发热,消耗电能,产生热能,故C正确;水力发电站利用水流的机械能产生电能,故D正确。
2.如图所示,直立容器内部有被隔板隔开的A和B两部分气体,A的密度较小,B的密度较大,抽去隔板,加热气体,使两部分气体均匀混合,设在此过程中气体吸收的热量为Q,气体内能增量为ΔU,则
( )
A.ΔU=Q
B.ΔUC.ΔU>Q
D.无法比较
【解析】选B。据题意,A的密度小,B的密度大,两气体均匀混合后整体的重心升高,重力势能增加,吸收的热量一部分用来增加内能,一部分用来增加系统的重力势能,所以:ΔU【拓展例题】考查内容:热力学第一定律与气体实验定律的综合应用
【典例】(多选)如图所示,质量一定的活塞将一定质量的理想气体密封在汽缸内,活塞与汽缸壁之间无摩擦。a态时气体温度80
℃,b态时气体温度是20
℃。气体从a态缓慢变到b态的过程中,大气压强始终保持不变,活塞保持平衡,下列说法中正确的是
( )
A.从a态到b态的过程中外界对气体做的功一定小于气体向外界释放的热量
B.a态与b态的气体分子在单位面积上对活塞的作用力相等
C.a态气体分子的平均动能一定比b态气体分子的平均动能大
D.气体放出的热量等于气体减少的内能与活塞减少的重力势能之和
【解析】选A、B、C。不计分子间相互作用的势能,温度低内能就小,根据热力学第一定律知从a态到b态的过程中外界对气体做的功一定小于气体向外界释放的热量,A正确;由于压强不变,所以a态与b态的气体分子在单位面积上对活塞的作用力相等,B正确;温度是平均动能的标志,所以a态气体分子的平均动能一定比b态气体分子的平均动能大,C正确;气体放出的热量=气体减少的内能-活塞减少的重力势能-大气压力做功,D错误。
【课堂回眸】
课堂检测·素养达标
1.在热力学第一定律表达式ΔU=W+Q中,关于各个物理量的正负,下列说法正确的是
( )
A.外界对物体做功时W为正,吸热时Q为负,内能增加时ΔU为正
B.物体对外界做功时W为负,吸热时Q为正,内能增加时ΔU为负
C.物体对外界做功时W为负,吸热时Q为正,内能增加时ΔU为正
D.外界对物体做功时W为负,吸热时Q为负,内能增加时ΔU为负
【解析】选C。在热力学第一定律:ΔU=W+Q中,外界对物体做功时W为正的,物体对外界做功时W为负的;物体吸热时Q为正的,放热时Q为负的;内能增加时ΔU为正的,内能减少时ΔU为负的;故选C。
2.关于能量转化与守恒的理解,下列说法中正确的是
( )
A.能量是守恒的,不可能消失,所以不会发生能源危机
B.能量既会凭空产生,也会凭空消失
C.能量可以从一种形式转化为另一种形式
D.能量在转化的过程中,能量在数量上会减少
【解析】选C。能量虽然是守恒的,总量不变,但是我们可以利用的能源是有限的,随着可利用能源的消耗,能量可以利用的品质降低了,所以会有能源危机,故A错误;根据能量守恒定律可知,能量既不会凭空消失,也不会凭空产生,它只能从一种形式转化为另一种形式,或者从一个物体转移到另一个物体,在转移和转化过程中,能的总量保持不变,故B、D错误,C正确。
3.如图所示,一导热性能良好的金属汽缸内封闭一定质量的理想气体。现缓慢地向活塞上倒一定质量的沙土,忽略环境温度的变化,在此过程中
( )
A.单位时间内撞击汽缸壁单位面积上的分子数增多
B.汽缸内大量分子撞击汽缸壁的平均作用力增大
C.汽缸内大量分子的平均动能增大
D.气体的内能增大
【解析】选A。金属汽缸导热性能良好,由于热交换,汽缸内封闭气体温度与环境温度相同,过程为等温压缩,压强增大,体积减小,则单位时间内撞击汽缸壁单位面积上的分子数增多,故A正确;气体温度不变,温度是分子平均动能的标志,分子平均动能不变,汽缸内大量分子撞击气缸壁的平均作用力不变,故B、C错误;由于热交换,汽缸内封闭气体温度与环境温度相同,保持不变,分子平均动能不变,理想气体分子势能忽略,故气体内能不变,故D错误。
【新思维·新考向】
情境:如图为某同学设计的一个温度计,一金属球形容器上部有一开口的玻璃管,玻璃管内水银柱封闭着一定质量的理想气体,外界大气压保持不变。
问题:
(1)当水银柱缓慢上升时,容器内壁的单位面积上受到气体分子的平均作用力________(选填“增大”“不变”或“减小”),气体对外做功________(选填“大于”“等于”或“小于”)吸收的热量。?
(2)如果玻璃管内部横截面积为S,当外界热力学温度为T1时,空气柱长度为l1,现把容器浸在热力学温度为T2的热水中,空气柱长度变为l2,不计容器的热胀冷缩,试求该容器球形部分内部的容积V。
【解析】(1)封闭气体的压强p=p0+ρgh,水银柱的长度不变,压强不变,容器内
壁的单位面积上受到气体分子的平均作用力不变;水银柱缓慢上升时,气体体积
增大,气体对外界做功(W<0),根据理想气体状态方程
,温度一定升高,内
能增大(ΔU>0),再根据热力学第一定律:ΔU=Q+W>0,即Q>-W>0,所以Q>|W|,即气
体对外做功小于吸收的热量。
(2)气体初状态体积为V1=V+l1S,温度为T1
气体末状态体积为V2=V+l2S,温度为T2
气体等压变化,根据盖-吕萨克定律:
代入数据解得:
即该容器球形部分内部的容积为
。
答案:(1)不变 小于 (2)
课时素养评价
九 热力学第一定律 能量守恒定律
【基础达标】
(25分钟·60分)
一、选择题(本题共6小题,每题6分,共36分)
1.关于一定质量的气体,下列说法正确的是
( )
A.气体放出热量,其内能一定减小
B.气体对外做功,其内能一定减小
C.气体的温度降低,每个分子热运动的动能一定减小
D.气体的温度降低,分子热运动的平均动能一定减小
【解析】选D。根据热力学第一定律ΔU=W+Q可知,气体放出热量(Q<0),但气体做功不明确,其内能不一定减小,故A错误;根据热力学第一定律ΔU=W+Q可知,气体对外做功(W<0),但气体和外界热交换不明确,其内能不一定减小,故B错误;气体的温度降低,分子的平均动能减小,但并非每个分子热运动的动能都减小,故C错误,D正确。
2.如图所示,内壁光滑的汽缸水平放置,一定质量的理想气体被活塞密封在汽缸内,外界大气压强为p0。现对汽缸缓慢加热,气体吸收热量Q后,体积由V1增大为V2。则在此过程中
( )
A.气体分子平均动能增大
B.气体分子平均动能不变
C.气体分子平均动能减小
D.气体内能变化了Q+p0(V2-V1)
【解析】选A。气体等压膨胀,由
体积V增大,故温度T升高;温度是分子
热运动平均动能的标志,温度升高,气体分子平均动能增大,故选项A正确,B、C
错误;根据热力学第一定律得:ΔU=Q+W,而W=-p0SΔL=-p0ΔV=-p0(V2-V1),所以
气体内能变化了ΔU=Q-p0(V2-V1),故选项D错误。
3.下列有关说法正确的是
( )
A.能量能从一种形式转化为另一种形式,也能从一个物体转移到另一个物体
B.既然能量守恒,所以不必担心会发生“能源危机”
C.在水平路面行驶的汽车,关闭油门后慢慢停下来,说明能量正在消失
D.做功越多,物体的能量就越大
【解析】选A。根据能量守恒定律可知,能量能从一种形式转化为另一种形式,也能从一个物体转移到另一物体,故A正确;能的转化过程虽然符合能量守恒定律,但是在转化过程中存在着“能量耗散”和“品质降低”,能量向品质低的大气内能转化,不能再重复利用,因此要节约能源,故B错误;在水平路面行驶的汽车,关闭油门后慢慢停下来,能量不会消失,是在转化,故C错误;功是能量转化的量度,功是过程,能量是状态,做功多,说明能量转化的多,故D错误。
4.一定量的理想气体在某一过程中,从外界吸收热量2.5×104
J,气体对外界做功1.0×104
J,则该理想气体的
( )
A.温度降低,密度增大
B.温度降低,密度减小
C.温度升高,密度增大
D.温度升高,密度减小
【解析】选D。由热力学第一定律ΔU=W+Q,Q=2.5×104
J,W=-1.0×104
J,可知ΔU大于零,气体内能增加,温度升高,A、B错;气体对外做功,体积增大,密度减小,C错,D对。
【总结提升】应用热力学第一定律解题的思路与步骤
(1)应明确研究对象是哪个物体或者是哪个热力学系统。
(2)分别列出物体(或系统)吸收或放出的热量;外界对物体(或系统)所做的功或物体(或系统)对外界所做的功。
(3)根据热力学第一定律ΔU=Q+W列出方程进行求解。
(4)特别注意的就是物理量的正负号及其物理意义。
5.三峡水力发电站是我国最大的水力发电站。三峡水库蓄水后,平均水位落差约为100
m,用于发电的水流量约为1.0×104
m3/s。如果通过水轮机以后水的动能忽略不计,水流减少的机械能有90
%转化为电能,按照以上数据估算,三峡发电站的发电功率最大数量级最接近(g取10
m/s2)
( )
A.1010
W
B.108
W
C.107
W
D.105
W
【解析】选A。每秒钟水流质量m=ρQ,
每秒钟流水的势能Ep=mgh,
每秒钟流水转化的电能E=90
%Ep,
所以三峡发电站的发电功率
=0.9ρQgh
=0.9×1.0×103×1.0×104×10×100
W=0.9×1010
W,即三峡发电站的发电功
率最大数量级最接近1010
W,故A正确,B、C、D错误。
6.如图所示容器中,A、B各有一个可自由移动的轻活塞,活塞下面是水,上面为空气,大气压恒定。A、B底部由带有阀门K的管道相连,整个装置与外界绝热。原先A中的水面比B中高,打开阀门,使A中的水逐渐向B中流,最后达到平衡。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】选D。打开阀门K后,据连通器原理,最后A、B
两管中的水面将相平,如图所示,即A中水面下降,B中水
面上升;设A管横截面积为S1,水面下降距离为h1,B管横
截面积为S2,水面上升距离为h2,由于水的总体积保持不变,则有S1h1=S2h2,A管中大气压力对水做的功:W1=p0S1h1,B管中大气压力对水做的功:W2=-p0S2h2,大气压力对水做的总功:W=W1+W2=p0S1h1-p0S2h2,因为S1h1=S2h2,所以W=0,即大气压力对水不做功;由于水的重心降低,重力势能减小,由能量守恒定律知水的内能增加。故D正确。
二、非选择题(本题共2小题,共24分。要有必要的文字说明和解题步骤,有数值计算的要标明单位)
7.(10分)外界对一定质量的气体做了200
J的功,同时该气体又向外界放出了80
J的热量,则气体的内能________(选填“增加”或“减少”)了________J。?
【解题指南】解答本题时应注意以下两点:
(1)热力学第一定律的公式ΔU=W+Q。
(2)外界对物体做功、吸收热量、内能增加皆取正号;物体对外界做功、放出热量、内能减少皆取负号。
【解析】外界对气体做了200
J的功,则W=200
J,气体向外界放出了80
J的热量,则Q=-80
J,根据热力学第一定律ΔU=W+Q得:ΔU=200
J-80
J=120
J>0,故内能增加,增加了120
J。
答案:增加 120
8.(14分)如图所示,有人设计了这样一台“永动机”:距地面
一定高度架设一个水槽,水从槽底的管中流出,冲击一个水轮
机,水轮机的轴上安装一个抽水机和一个砂轮。他指望抽水
机把地面水槽里的水抽上去,这样循环不已,机器不停地转动,
就可以永久地用砂轮磨制工件做功了。请你分析一下,高处
水槽中水的势能转变成哪几种形式的能,说明这个机器是否能够永远运动下去。
【解析】取顶部水槽中流出的水为研究对象,在其从顶部水槽中流出至底部水槽的过程中,它的重力势能一部分转化为自身的动能,一部分转化为水轮机、抽水机、砂轮的动能,一部分转化为砂轮和工件的内能,还有一部分转化为抽水机抽上的水的重力势能。由能的转化和守恒定律知,抽水机抽上的水的重力势能必然小于流下的水的重力势能,如果上抽的水管的横截面积大于或等于下流的水管的横截面积,则根本不可能将底部水槽中的水抽至顶部水槽,即使上抽水管的横截面积小于下流水管的横截面积也不一定能将水抽上去,如果上抽水管比下流水管细很多且能够将底部水槽中的水抽至顶部水槽,则相等时间里抽上去的水也要比流下的水的质量小得多,最后顶部水槽中的水很快就会流光。
答案:见解析
【能力提升】（15分钟·40分）
9.(6分)(多选)如图所示,a、b、c、d表示一定质量的理想气体状态变化过程中的四个状态,图中ad平行于横坐标轴,ab的延长线过原点,以下说法正确的是
( )
A.从状态d到c,气体不吸热也不放热
B.从状态c到b,气体放热
C.从状态a到d,气体对外做功
D.从状态b到a,气体吸热
【解析】选B、C、D。从状态d到c,温度不变,理想气体内能不变,但是由于压强减小,所以体积增大,对外做功,还要保持内能不变,一定要吸收热量,故选项A错;气体从状态c到状态b是一个降压、降温过程,同时体积减小,外界对气体做功,而气体的内能还要减小(降温)就一定要伴随放热的过程,故选项B对;气体从状态a到状态d是一个等压升温的过程,同时体积增大,
所以气体要对外做功,选项C正确;气体从状态b到状态a是个等容变化过程,随压强的增大,气体的温度升高,内能增大,而在这个过程中气体的体积没有变化,就没有做功,气体内能的增大是因为气体吸热,故选项D对。
10.(6分)(多选)如图所示,将一空的铝制易拉罐开口向下压入恒温游泳池的水中,则易拉罐在水中缓慢下降过程中,罐内空气(可视为理想气体)
( )
A.每个分子的动能都不变
B.分子间的平均距离减小
C.向外界放热
D.对外界做正功
【解题指南】解答本题时应明确以下几点:
(1)易拉罐在水中缓慢下降时内部气体温度不变。
(2)易拉罐在水中缓慢下降时内部气体压强变大。
(3)易拉罐在水中缓慢下降时内部气体体积减小。
【解析】选B、C。易拉罐在水中缓慢下降时内部空气温度不变、压强增大,由玻意耳定律可知气体体积减小。由于温度不变,分子的平均动能不变,但有的分子动能可能增大,有的分子动能可能减小,故选项A错误;由于气体体积减小,故气体对外做负功,分子间的平均距离减小,选项B正确,选项D错误;由热力学第一定律可知,气体向外界放出热量,选项C正确。
11.(6分)(多选)如图,一定质量的理想气体从状态a开始,经历过程①、②、③、④到达状态e。对此气体,下列说法正确的是
( )
A.过程①中气体的压强逐渐减小
B.过程②中气体对外界做正功
C.过程④中气体从外界吸收了热量
D.状态c、d的内能相等
【解析】选B、D。过程①为等容变化,根据查理定律有
因为温度逐渐
增加,则气体的压强逐渐增加,故选项A错误;过程②气体体积增加,则气体对外
界做正功,故选项B正确;过程④中为体积不变,则气体对外界不做功,外界对气
体也不做功,即W=0,理想气体的温度降低,则内能减少,即ΔU<0,根据热力学第
一定律ΔU=W+Q可知Q<0,则气体向外界放出了热量,故选项C错误;状态c、d的
温度相等,则分子平均动能相等,理想气体没有分子势能,则内能相等,故选项D
正确。
12.(6分)如图所示,竖直放置的粗细均匀的U形管,右端封闭有
一段空气柱,两管内水银面高度差为h=19
cm,封闭空气柱长度
为L1=40
cm。为了使左、右两管中的水银面相平(设外界大气压
强p0=76
cmHg,空气柱温度保持不变),则:
(1)需从左管的开口端再缓慢注入高度多少的水银柱?此时封闭端空气柱的长度是多少?
(2)注入水银过程中,外界对封闭空气做______(选填“正功”或“负功”),气体将________(选填“吸热”或“放热”)。?
【解析】(1)假设两管中水银面相平时右管中空气柱长度为L2。由玻意耳定律p1V1=p2V2得:(p0-h)SL1=p0SL2,
解得:L2=30
cm,
需要再注入的水银柱长度为:x=2(L1-L2)+19
cm=39
cm。
(2)在注入水银的过程中右管中气体体积减小,故外界对封闭空气做正功;由于气体温度保持不变,故内能不变,由热力学第一定律可知气体一定是放热。
答案:(1)39
cm 30
cm (2)正功 放热
13.(16分)如图所示,导热良好的汽缸直立在水平地面上,汽
缸的质量为m,高度为L,底面面积为
S。用活塞把一定量的气
体封闭在汽缸内,活塞可沿汽缸壁无摩擦移动,活塞及气体的
质量可忽略不计,气体可看作理想气体。平衡时,活塞处于距汽缸底
处。现用
力F缓慢向上拉动活塞,直至汽缸刚要离开地面,此过程中活塞未移动到汽缸口
处。(环境温度保持不变,环境气体压强为p0)求:
(1)汽缸刚要离开地面时,活塞距汽缸底的距离;
(2)若此过程中力F做功为W,则封闭气体需从外界吸收多少热量?
【解析】(1)汽缸刚要离开地面时,对整体由平衡条件可知:F=mg,
活塞处于平衡状态,设此时封闭气体压强为p,
有F+pS=p0S,
此过程气体做等温变化,设此时活塞距汽缸底的距离为L′,
则由玻意尔定律得:pSL′=p0S×
L,
联立各式,解得:
(2)此过程中力F对活塞做正功,环境气体对活塞做负功,封闭气体对活塞做正
功,总功为零,设封闭气体做功为W0,有W+W0=p0S(L′-
L),
由于封闭气体温度不变,所以其内能保持不变,
由热力学定律知,封闭气体对活塞所做的功等于其吸收的热量,有Q=W0,
解得
答案:(1)
(2)(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