高中物理 第十章 热力学定律 1 功和内能教材梳理素材 新人教版选修3-3.doc

1 功和内能庖丁巧解牛知识巧学一、焦耳的实验1.热功当量实验（1）方法：在水中放置叶片，叶片上缠绕两条绳子，每条绳子各跨过一滑轮，且分别悬挂一个重物，盛水的容器用绝热性能良好的材料包好，如图10-1-1所示，当重物下落时便带动叶片转动，容器中的水受叶片的搅动，水由于摩擦而温度上升.图10-1-1（2）结论：悬挂物体的质量不同，下落高度不同，但只要所做功相同，系统状态的改变就相同.2.绝热过程 在这个过程中，系统仅由外界对它做功而与外界交换能量，它不从外界吸热，也不向外界放热，这样的过程叫做绝热过程.轻轻告诉你 深化升华 绝热过程是焦耳实验的实验条件，是实验成败的关键.3.利用电流的热效应给水加热的实验（1）方法：如图10-1-2所示，利用降落的重物使磁电机发电，电流通过浸在液体的电阻丝，引起液体温度上升.图10-1-2 重物使磁电机发电，电流通过电阻使液体升温（2）结论：对同一个系统，在绝热过程中，只要所做的电功相等，系统温度上升的数值就相同，即系统的状态变化相同.深化升华 在各种不同的绝热过程中，要使系统的状态发生变化，做功的数量只由过程的始末两个状态决定，而与做功的方式无关.例如，使一定质量的铁棒温度升高，可以采用摩擦做功的方式，也可以使电流通过铁棒，利用电流做功来加热，但不论采取哪种方式，只要是绝热过程使铁棒升温相同，做功的多少就一定相同.二、内能1.内能 任何一个热力学系统都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所做的功相联系.我们把这个物理量称为系统的内能.联想发散 在第七章中我们曾把系统中所有分子热运动的动能和分子间的相互作用热能的总和叫做系统的内能.而且已经认识到，当系统的状态改变时，例如温度或体积改变时，系统的内能会改变，也就是说，系统的内能是由它的状态所决定的，由此可见，第七章谈到的内能与这里的内能是一致的，前者为后者提供了微观解释.2.功和内能变化的关系 当系统从某一状态经过绝热过程达到另一状态时，内能的增加量u就等于外界对系统所做的功w，用式子表示为：u=u2-u1=w.联想发散 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.这一点与在力学中重力所做的功仅由物体的起点和终点两个位置决定，而与物体的运动路径无关相类似.深化升华 在绝热过程中，外界对系统做功，系统的内能增加，外界对系统做多少功，系统的内能就增加多少；系统对外界做功，系统的内能减少，系统对外界做多少功，系统的内能就减少多少.典题热题知识点一 做功引起内能变化例1 用下述方法改变物体的内能，属于做功方式的是（ ）a.搓搓手会感到手暖和些b.汽油机气缸内被压缩的气体c.车刀切下的炽热的铁屑d.物体在阳光下被晒热解析：搓手时克服摩擦力做功，机械能转化为内能，气缸压缩气体，对气体做功，车刀切削钢件，克服摩擦力做功，机械能转化为内能，使切下的铁屑温度升高，都是通过做功使内能发生改变，而物体在阳光下被晒热是通过热辐射，物体吸收太阳能，温度升高，没有做功，故本题答案为abc.答案：abc巧解提示 本题也可从能量转化的角度分析，只要有其他形式的能与内能的相互转化，就一定是做功的方式改变物体的内能.例2 金属制成的气缸中装有柴油与空气的混合物，有可能使气缸中柴油达到燃点的过程是（ ）a.迅速向里推活塞 b.迅速向外拉活塞c.缓慢向里推活塞 d.缓慢向外拉活塞解析：气体被压缩或膨胀时做功，气体的内能就发生变化.如果将装有柴油与空气混合物的气缸中的活塞迅速向里推，一方面柴油气体来不及与外界发生热交换，另一方面由于外界通过活塞对气体做功，使柴油气体的内能增加，温度升高，从而使柴油达到燃点，故正确选项为a.答案：a方法归纳 在绝热过程中，外界对系统做功，系统内能增加，温度升高，做功越快，内能增加得也越快.知识点二 功是内能变化的量度例3 采用绝热（即不交换热量）的方式使一定量的气体由初状态a变化至终态b，对于不同的绝热方式，下面说法正确的是（ ）a.对气体所做的功不同b.对气体所做的功相同c.对气体不需做功，因为没有能量的传递d.可以确定a状态的内能解析：对于一定质量的气体，不管采用任何一种绝热方式由状态a变化到状态b，都是绝热过程，在这一过程中，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u=ub-ua=w知，w为恒量，所以b选项正确.答案：b误区警示 在绝热过程中，末态内能大于初态内能时，u为正，w为正，外界对系统做功，末态内能小于初态内能时，u为负，w为负，系统对外界做功，内能和其他形式的能一样，是状态量，物体的状态一定时，它的内能也一定，我们能确定的只是内能的变化，因为任何状态的内能，只有在标准参考态的值确定后，才可能做出相应的确定值.由此可知，要测得物体某一状态内能的绝对值是不可能的.例4 绝热过程中，外界压缩气体做功20 j，下列说法中正确的是（ ）a.气体内能一定增加20 j b.气体内能增加必定小于20 jc.气体内能增加可能小于20 j d.气体内能可能不变解析：绝热过程中，做功的过程是能量转化的过程，做了多少功，就有多少内能发生变化.答案：a巧妙变式 本题亦可这样问：在绝热过程中气体的内能减少了20 j，做功情况怎样.知识点三 综合例5 在墙壁与外界无热传递的封闭房间里，夏天为了降低温度，同时打开电冰箱和电风扇，两电器工作较长时间后，房内的气温将会怎样变化，并说明原因.解析：电冰箱是把里面热量转移到外面，达到降温的效果；电风扇是通过风扇转动带动空气流动，使身体汗液蒸发起到人体降温的作用，但从总体上电冰箱、电风扇消耗的电能最后都转化为内能，因而房内温度升高.误区警示 本题中易犯的错误是想当然地认为冰箱和电风扇都是降温的装置，故温度降低.在此题中要选对系统，到底是哪一系统处于绝热过程，弄明白究竟是系统对外界做功，还是外界对系统做功，此题中的绝热系统为房间内的所有物体，包括空气，由题意可知，是外界电流做功，使系统内能增加.例6 暖瓶中盛有0.5 kg、25 的水，一个学生想用上下摇晃的方法使冷水变为开水，设每摇晃一次水的落差为15 cm，每分钟摇晃30次，不计所有热散失，他约需多长时间可以把水“摇开”？c水=4.2103 j/（kg），g取10 m/s2解析：此问题中能量转化方向是：上摇时学生消耗自身的能量通过对水做功转化为水的重力势能，下降时水的重力势能转化为动能再转化为水的内能，由于不计一切热散失，水的重力势能的减少量等于水的内能的增加量. 设“摇开”水需t min，水升温t，由w=u得：30mght=cmtt= min=7103 min 即“摇开”水约需7103 min，约为5天.方法归纳 不计热散失就是指绝热过程，水的内能的增加来源于做功，其他形式的能转化为内能.问题探究交流讨论探究问题 如何改变物体内能，你是怎样认为的？探究过程： 刘强：做功可以使物体内能改变，外界对物体做功，物体内能增大，物体对外界做功，物体内能减小. 王振：改变物体温度可以改变物体的内能. 曹波：改变物体的质量也可以使物体的内能改变，同一温度质量不同的物体，质量大的物体内能大，质量小的物体内能小.探究结论：无论用哪种方法改变了物体的体积、温度、质量就会改变物体的内能.交流讨论探究问题 做压缩空气引火实验时，难度较高，应注意什么？探究过程： 刘金：密封性要好，主要是活塞与管壁的密封，当把活塞从管内拉出时，感到阻力比较大，且当活塞离开管口的瞬间能听到“嘭”的响声，这种情况可以密封较好，实验时应在活塞上涂少许蓖麻油，起密封和润滑作用. 张亮：管内保持足够的氧气，实验时可用尖嘴吹风球，向管内注入新鲜空气.