选修3-3（高中物理旧教材同步讲义）第10章 1-2同步讲义

1功和内能2热和内能[学科素养与目标要求]物理观念：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．科学思维：明确内能、功、热量、温度四个物理量的区别和联系．一、焦耳的实验1．绝热过程：系统只由于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．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1．内能微观：所有分子热运动的动能和分子势能之和．宏观：只依赖于热力学系统自身状态的物理量．2．功和内能：在绝热过程中，系统内能的增加量等于外界对系统做的功，即ΔU＝W.3．(1)ΔU＝W的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．三、热和内能1．热传递(1)条件：物体的温度不同．(2)热传递：热量总是从高温物体向低温物体传递．2．热和内能(1)热量：它是在单纯的传热过程中系统内能变化的量度．(2)表达式：ΔU＝Q.(3)热传递与做功在改变系统内能上的异同．①做功和热传递都能引起系统内能的改变．②做功时是内能与其他形式能的转化；热传递只是不同物体(或一个物体的不同部分)之间内能的转移．1．判断下列说法的正误．(1)热量一定从内能多的物体传递给内能少的物体．(×)(2)做功和热传递都可改变物体的内能，从效果上是等效的．(√)(3)在绝热过程中，外界对系统做的功小于系统内能的增加量．(×)(4)热传递只能发生在两个物体间，同一物体不能发生热传递．(×)2．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________；属于热传递使物体内能改变的是________．答案adfbce一、功和内能(1)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？(2)如图甲，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．①你能看到什么现象？实验现象说明了什么？②图中用力按压活塞时为什么一定要迅速？(3)如图乙，小孩沿滑梯下滑时屁股通常会感到发热，这是为什么？答案(1)做功和热传递对改变物体的内能是等效的．(2)①可以看到棉花燃烧．实验现象说明压缩空气做功，使空气内能增大，达到棉花的燃点后引起棉花燃烧．②迅速按下活塞是为了减少热传递，尽量创造一个绝热条件．(3)小孩沿滑梯下滑时克服摩擦力做功，内能增加．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，外界对物体做功，则W>0，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；物体对外界做功，则W<0.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．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．例1如图1所示，活塞将汽缸分成甲、乙两气室，汽缸、活塞(连同拉杆)是绝热的，且不漏气．以E甲、E乙分别表示甲、乙两气室中气体的内能，则在将拉杆缓慢向外拉的过程中()图1A．E甲不变，E乙减小 B．E甲不变，E乙增大C．E甲增大，E乙不变 D．E甲增大，E乙减小答案D解析本题解题的关键是明确甲、乙两气室气体都经历绝热过程，内能的改变取决于做功的情况．对甲室内的气体，在拉杆缓慢向外拉的过程中，活塞左移，压缩气体，外界对甲室内的气体做功，其内能应增大；对乙室内的气体，活塞左移，气体膨胀，乙室内的气体对外界做功，内能应减小．在绝热过程中，压缩气体，外界对气体做功，内能增大，温度升高，柴油机就是利用这个原理点火的．二、热和内能(1)用铁锤反复敲击铁棒，铁棒的温度会升高，把铁棒放在炭火上烧，铁棒的温度也会升高，这说明了什么问题？(2)如图所示是热传递的三种方式——传导、对流和辐射．①这三种方式在传递能量时有什么共同点？②热传递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？答案(1)说明做功和热传递都能改变物体的内能．(2)①三种方式都是热量从一个物体传递到另一个物体．②热传递是内能在物体间(或一个物体的不同部分之间)转移，做功是其他形式的能和内能之间的转化．1．在单纯传热中，系统从外界吸收多少热量，系统的内能就增加多少；系统向外界放出多少热量，系统的内能就减少多少．即ΔU＝U2－U1＝Q.2．传热改变物体内能的过程是不同物体之间(或同一物体不同部分之间)内能转移的过程．3．热传递与物体的内能的多少无关，只与两个物体(或一个物体的两部分)的温度差有关，热量总是从高温物体自发地传递到低温物体．例2关于热传递，下列说法正确的是()A．热传递的实质是温度的传递B．物体间存在温度差，才能发生热传递C．热传递可以在任何情况下进行D．物体内能发生改变，一定是吸收或放出了热量答案B解析热传递的实质是物体间能量的转移，故A错误；热传递的条件是物体间存在着温度差，高温物体放出热量，低温物体吸收热量，若两物体温度相同，它们之间便不会发生热传递，故B正确，C错误；物体吸收或放出热量，内能会发生变化，但内能变化不一定是热传递引起的，也可能是做功引起的，故D错误．三、内能和相关概念的辨析1．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，可以通过热传递和做功两种方式来完成．(2)热量是热传递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”，不存在“热量”和“功”．不能说一个系统中含有多少热量．2．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．热传递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．3．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．4．改变内能的两种方式的比较比较项目做功热传递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和传递相同量的热量在改变内能的效果上是相同的例3(2019·长沙市模拟)下列说法正确的是()A．热量和功是由过程决定的，而内能是由物体状态决定的B．外界对物体做功，物体的内能一定增大C．物体吸收热量，温度一定升高D．热量总是由内能大的物体流向内能小的物体答案A解析热量和功是过程量，内能是状态量，故A选项正确；引起物体内能的变化有做功和热传递两种途径，单就一个方面不足以断定其内能的变化，故B选项错误；在晶体熔化和液体沸腾过程中，物体要不断地吸收热量，但物体的温度不变，这时内能的增加主要表现在内部分子势能的增加，C选项错误；两物体之间热量的流向只与它们的温度有关，与它们内能的大小无关，D选项错误．例4关于物体的内能和热量，下列说法中正确的是()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．在热传递过程中，内能大的物体其内能将减小，内能小的物体其内能将增大，直到两物体的内能相等D．热量是热传递过程中内能转移的量度答案D解析物体的内能由温度、体积、物质的量及物态决定，不是只由温度决定，故选项A、B错误；在热传递过程中，热量由高温物体传给低温物体，而与物体的内能大小无关，所以完全有可能是内能大的物体内能继续增大，内能小的物体内能继续减小，故选项C错误；关于热量的论述，选项D是正确的．1．(功与内能的关系)(多选)通过做功改变物体内能的是()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答案ACD2．(热和内能的关系)下列例子中通过热传递改变物体内能的是()A．用砂轮磨刀具的时候，刀具的温度升高B．灼热的火炉使周围物体的温度升高C．手感到冷时，搓搓手就会觉得暖和些D．擦火柴时，火柴头上的易燃物质燃烧起来答案B3．(温度、热量、功和内能的关系)关于温度、热量、功和内能，以下说法正确的是()A．同一物体温度高时，含有的热量多B．物体的内能越大，含有的热量就越多，温度也越高C．外界对系统做功W，内能必定增加D．发生热传递的条件是两物体之间存在温度差答案D解析热量是物体间进行热传递时内能的转移，不能说物体含有多少热量，故A、B错；由于做功和热传递都可引起物体内能的变化，只根据做功无法准确判断物体内能的变化，故C错；物体间发生热传递的条件是存在温度差，故D对．一、选择题考点一功与内能的关系1．(多选)在下述各种现象中，不是由做功引起系统温度变化的是()A．在阳光照射下，水的温度升高B．用铁锤不断锤打铅块，铅块温度会升高C．在炉火上烧水，水的温度升高D．电视机工作一段时间，其内部元件温度升高答案AC解析阳光照射下水温升高是热辐射使水的温度升高，在炉火上烧水是热传导和对流使水的温度升高，用铁锤锤打铅块的过程，是做功的过程，铅块温度升高，是由于外界做功引起的．电视机工作时，电流通过各元件，电流做功使其温度升高．可见A、C不是由做功引起温度变化的，故选A、C.2．(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答案BCD解析绝热过程外界对系统做功，气体内能增加，温度升高，分子平均动能增加．压缩气体，气体体积减小，而气体质量一定，故气体分子密度增大．3．如图1所示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()图1A．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，气体内能减小答案A4．(多选)(2019·南充市高三第二次高考适应性考试)如图2，用隔板将一绝热汽缸分成两部分，隔板左侧充有理想气体，隔板右侧与绝热活塞之间是真空．现将隔板抽开，气体会自发扩散至整个汽缸．待气体达到稳定后缓慢推压活塞，将气体压回到原来的体积．假设整个系统不漏气．下列说法正确的是()图2A．气体自发扩散前后内能减少B．气体在被压缩的过程中内能增大C．在自发扩散过程中，气体对外界没做功D．气体在被压缩的过程中，外界对气体做负功E．气体在被压缩过程中，气体分子的平均动能变大答案BCE解析气体向真空自发扩散，对外界不做功，且没有热传递，气体的内能不会改变，则C正确，A错误；气体在被压缩的过程中，活塞对气体做功，因汽缸绝热，故气体内能增大，故B正确；气体在被压缩的过程中，外界对气体做正功，选项D错误；气体在被压缩的过程中内能增加，而理想气体无分子势能，故气体分子的平均动能增加，选项E正确．5.(2019·青冈一中高二下期中)如图3所示，用一根与轻质活塞相连的细线将绝热汽缸悬挂在某一高度静止不动，汽缸开口向上，内封闭一定质量的气体，缸内活塞可自由活动且不漏气．现将细线剪断，让汽缸自由下落，则下列说法正确的是()图3A．气体压强减小，内能增大B．外界对气体做功，气体内能不变C．气体的压强增大，内能增大D．气体对外界做功，气体内能减小答案C解析设大气压为p0，汽缸质量为M，横截面积为S，则汽缸内气体压强p＝p0－eq\f(Mg,S)，剪断细线后，汽缸自由下落，处于完全失重状态，汽缸内气体压强p＝p0，缸内气体压强变大，所以气体体积减小，外界对气体做功，汽缸绝热，气体内能增大，所以C正确，A、B、D错误．考点二热和内能6．下列关于内能与热量的说法中，正确的是()A．马铃薯所含热量高B．内能越大的物体热量也越多C．热量自发地从内能大的物体传向内能小的物体D．热量自发地从温度高的物体传向温度低的物体答案D7．(多选)关于热传递，下列说法正确的是()A．热传递中，热量一定从含热量多的物体传向含热量少的物体B．两个物体间发生热传递的条件是它们之间有温度差C．在热传递中热量一定从内能多的物体传向内能少的物体D．内能相等的两个物体相互接触时，也可能发生热传递答案BD解析热量的概念只有在涉及热传递时才有意义，所以不能说物体含有多少热量，A错误；物体间发生热传递的条件是物体间存在温度差，B正确；在热传递中，热量一定从温度高的物体传向温度低的物体，温度高的物体内能不一定多，故C错误，D正确．8．(多选)在外界不做功的情况下，物体的内能增加了50J，下列说法中正确的是()A．一定是物体放出了50J的热量B．一定是物体吸收了50J的热量C．一定是物体分子动能增加了50JD．物体分子的平均动能可能不变答案BD解析在外界不做功的情况下，内能的改变量等于传递的热量，内能增加50J，一定是吸收了50J的热量，故A错，B对；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50J并不一定是分子动能增加了50J，物体分子的平均动能有可能不变，这时吸收的50J热量全部用来增加分子势能，故C错，D对．考点三综合应用9．(多选)对于热量、功、内能三个量，下列说法中正确的是()A．热量、功、内能三个量的物理意义是等同的B．热量和功二者可作为物体内能大小的量度C．热量、功和内能的国际单位都相同D．热量和功是由过程决定的，而内能是由物体的状态决定的答案CD解析热量、功和内能的国际单位都是焦耳，但热量、功和内能三个量的物理意义是不同的，热量和功是过程量，内能是状态量，热量和功二者可作为物体内能变化的量度而不是内能大小的量度．故A、B错误，C、D正确．10．某驾驶员发现中午时车胎内的气压高于清晨时的，且车胎体积增大．若这段时间胎内气体质量不变且可视为理想气体，那么()A．外界对胎内气体做功，气体内能减小B．外界对胎内气体做功，气体内能增大C．胎内气体对外界做功，内能减小D．胎内气体对外界做功，内能增大答案D解析中午，车胎体积增大，故胎内气体对外界做功，胎内气体温度升高，故胎内气体内能增大，D项正确．11．(2019·龙泉中学高二上期末)如图4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P缓慢地向B移动一段距离，已知气体的温度随其内能的增加而升高，则在移动P的过程中()图4A．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．乙的内能增加；乙传递热量给甲D．乙的内能增加；甲的内能不变答案C解析活塞P压缩气体乙，则外力对气体乙做功，因P与外界隔热，可知乙的内能增加，因B是导热的隔板，可知乙的热量将传给甲，最终甲、乙的内能都增加，故选C.二、非选择题12.(1)某同学做了一个小实验；先把空的烧瓶放入冰箱冷冻，一小时后取出烧瓶，并迅速把一个气球紧密地套在瓶颈上，然后将烧瓶放进盛满热水的烧杯里，气球逐渐膨胀起来，如图5所示．这是因为烧瓶里的气体吸收