第1节　功、热和内能的改变 教学设计

第1节功、热和内能的改变[学习目标]1．掌握从热力学角度认识内能的概念。了解焦耳的两个实验。2．知道做功与内能改变的数量关系。知道传热的热量与内能变化的关系。3．知道做功和传热是改变内能的两种方式，且对改变系统内能是等效的。知识点1焦耳的实验1．绝热过程：系统不从外界吸热，也不向外界放热的过程。2．代表性实验(1)重物下落时带动叶片搅拌容器中的水，引起水温上升；(2)电流通过浸在液体中的电阻丝，由电流的热效应给液体加热。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。4．内能：任何一个热力学系统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。鉴于功是能量变化的量度，所以这个物理量必定是系统的一种能量，我们把它称为系统的内能。知识点2功与内能的改变1．功与内能的改变在热力学系统的绝热过程中，当系统从状态1经过绝热过程达到状态2时，内能的变化量ΔU＝U2－U1，等于外界对系统所做的功W，即ΔU＝W。2．理解(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；系统对外做功，系统的内能减少。[判一判]1．(1)系统只从外界吸热，而不向外界放热的过程就是绝热过程。()(2)在绝热过程中，外界对系统做多少功，内能就能增加多少。()(3)功和内能都是能量转化的量度。()提示：(1)×(2)√(3)×知识点3热与内能的改变1．传热(1)条件：物体的温度不同。(2)定义：两个温度不同的物体相互接触时，温度高的物体要降温，温度低的物体要升温，热从高温物体传到了低温物体。2．热和内能的改变(1)热量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)传热和做功在改变系统内能上的异同：①做功和传热都能引起系统内能的改变。②做功是内能与其他形式的能发生转化；传热只是不同物体(或一个物体的不同部分)之间内能的转移。[判一判]2．(1)做功和传热都可改变物体的内能，从效果上是等效的。()(2)热量一定从内能多的物体传递给内能少的物体。()(3)传热只能发生在两个物体间，同一物体不能发生传热。()提示：(1)√(2)×(3)×1．(做功与内能变化的关系)在绝热过程中，外界压缩气体做功20J，下列说法正确的是()A．气体内能一定增加20JB．气体内能增加必定小于20JC．气体内能增加可能小于20JD．气体内能可能不变解析：选A。做功的过程是能量转化的过程，在绝热过程中，做多少功，内能就增加多少，所以A正确。2．(传热)关于传热，下列说法正确的是()A．传热是高温物体的温度传给低温物体B．并不接触的物体之间不会发生传热C．比热容相同的物体之间不会发生传热D．温度相同的物体之间不会发生传热解析：选D。传热实质是内能从高温物体转移到低温物体，传递的不是温度，传递的是热量，A错误；不接触的物体之间可以通过热辐射的方式进行传热，B错误；热量总是从温度高的物体传递给温度低的物体，和物体的比热容没有关系，C错误；温度相同的物体之间不存在温度差，不会发生传热，D正确。3．(做功、热量和内能的关系)(多选)下列关于热量、功和内能的说法正确的是()A.热量、功、内能三者的物理意义等同B．热量、功都可以作为物体内能的量度C．热量、功都可以作为物体内能变化的量度D．热量、功、内能的单位相同解析：选CD。物体的内能是指物体内所有分子动能和分子势能的总和，而要改变物体的内能可以通过做功和传热两种途径，这三者的物理意义不同，A错误；热量是表示在传热过程中物体内能变化了多少，而功也是用做功的方式量度物体内能变化了多少，B错误，C正确；三者的单位都是焦耳，D正确。4.(做功、热量和内能的关系)下列说法正确的是()A．做功和传热是改变物体内能的两种不同的物理过程B．做功和传热在改变物体内能上是等效的，因此对物体做功就是对物体传热C．热量是传热过程中，内能大的物体向内能小的物体或物体内能大的部分向内能小的部分转移的内能大小的量度D．高温物体具有的热量多，低温物体具有的热量少解析：选A。做功和传热是改变物体内能的两种不同的物理过程，故A正确；做功和传热在改变物体内能上是等效的，但是对物体做功与对物体传热的本质是不同的，故B错误；热量是传热过程中，温度高的物体向温度低的物体或物体温度高的部分向温度低的部分转移的内能大小的量度，故C错误；热量是传热过程中内能变化的量度，是过程量，故D错误。探究一做功与内能变化的关系【问题导引】1.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。(1)你能看到什么现象？实验现象说明了什么问题？(2)图中用力按压活塞时为什么一定要迅速？2．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？提示：1.(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传热，创造一个绝热条件。2．做功和传热对改变物体的内能是等效的。1．内能与内能变化(1)物体的内能是指物体内所有分子热运动的动能和分子势能之和。(2)当物体温度变化时，分子平均动能变化；物体体积变化时，分子势能发生变化，即物体的内能是由它的状态决定的，且物体的内能变化只由初、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。3．功和内能的区别(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，只有内能变化较大时，对应着做功较多。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】在下图焦耳的两个实验中，各是什么形式的能转化为系统的内能？[解析]题图1中，物体下落，减少的重力势能转化为物体的内能；题图2中，重物带动发电机工作，将机械能转化为电能，发电机工作，将电能转化为液体的内能。[答案]物体下落，减少的重力势能转化为物体的内能重物带动发电机工作，将机械能转化为电能，发电机工作，将电能转化为液体的内能【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。今对活塞施以一竖直向下的压力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，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]力F通过活塞对密闭的理想气体做正功，容器及活塞绝热，则Q＝0，由功和内能的关系知理想气体内能增加，温度T升高，再根据eq\f(pV,T)＝C，体积V减小，压强p增大，故选C。[答案]C[针对训练1](多选)(2021·吉林江城中学高二期中)下述各种改变物体内能的方法，属于做功方式的是()A．冷物体接触热物体后变热B．锯木头时，锯条发热C．电流通过电炉丝，电炉丝发热D．物体在火炉旁被烤热解析：选BC。冷物体接触热物体后变热是通过传热改变物体内能，A错误；锯木头时，锯条发热，锯条克服摩擦力做功，B正确；电流做功，电炉丝发热，C正确；物体在火炉旁被烤热是通过传热改变物体内能，D错误。探究二做功、热量和内能的关系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”，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。3．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和传递相同量的热量在改变内能的效果上是相同的【例3】下列说法中正确的是()A．100℃的水变为100℃的水蒸气的过程中内能增大B．0℃的冰熔化为0℃的水的过程中内能不变C．物体温度升高，内能一定增加D．物体吸热后温度一定升高[解析]100℃的水变为100℃的水蒸气过程中，温度不变，所以分子的平均动能不变，但分子势能增大，所以内能增大，故A正确；0℃的冰熔化成0℃水的过程中，温度不变，吸收热量，内能增加，故B错误；物体的内能由分子势能和分子动能共同决定，温度升高，分子平均动能增加，但是分子势能可能减少，所以总体内能不一定增加，故C错误；晶体在熔化时，吸收热量，温度不变，内能增加，故D错误。[答案]A【例4】(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，做功是其他形式的能和内能之间的转化，传热是物体内能的转移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．物体内能发生了改变，可能是做功引起的，也可能是传热引起的，还可能是两者共同引起的[解析]做功和传热改变物体内能的本质不同，因为做功的过程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，A正确；物体内能的变化取决于做功和传热两种途径，单就一个方面的改变不足以断定其内能的变化情况，B、C错误，D正确。[答案]AD[针对训练2]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．在传热过程中，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．在传热过程中，热量从高温物体传递到低温物体，直到两物体的温度相同为止解析：选D。物体的内能由温度、体积及物体的质量决定，不是只由温度决定，故A、B错误；在传热过程中，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C错误，D正确。1．下面例子中，通过做功来改变物体内能的是()A．阳光照射衣服，衣服的温度升高B．用打气筒打气，筒壁变热C．将高温金属块放在水中，水的温度升高D．放进冰箱冷冻室的水变成冰块解析：选B。阳光照射衣服，衣服的温度升高，是通过热传递改变内能，A错误；用打气筒打气，筒壁变热，是通过做功改变内能，B正确；将高温金属块放在水中，水的温度升高，是通过热传递改变内能，C错误；放进冰箱冷冻室的水变成冰块，是通过热传递改变内能，D错误。2．两物体接触后发生了热传递，下列说法正确的是()A．内能大的物体向内能小的物体传递热量B．密度大的物体向密度小的物体传递热量C．含热量多的物体向含热量少的物体传递D．分子平均动能大的物体向分子平均动能小的物体传递解析：选D。热传递时是热量从温度高的物体传向温度低的物体，而温度是平均动能大小的标志，温度越高，分子平均动能越大。因此两物体接触后发生了热传递时，是分子平均动能大的物体向分子平均动能小的物体传递。D正确，A、B、C错误。3．(多选)一铜块和一铁块，质量相等，铜块的温度T1比铁块的温度T2高，当它们接触在一起时，如果不和外界交换能量，则()A．从两者开始接触到热平衡的整个过程中，铜块内能的减少量等于铁块内能的增加量B．在两者达到热平衡以前的任意一段时间内，铜块内能的减少量不等于铁块内能的增加量C．在两者达到热平衡以前的任意一段时间内，铜块内能的减少量都等于铁块内能的增加量D．达到热平衡时，铜块的温度比铁块的低解析：选AC。热平衡条件是温度相等，传热的方向是从温度高的物体传向温度低的物体。在传热过程中高温物体放出的热量等于低温物体吸收的热量，因此A、C正确，B、D错误。4．(多选)在实验室将一容积比较大的烧瓶放入冰箱冷冻室内，经过几小时后，将烧瓶从冰箱内迅速取出，并立即用小气球紧紧地套在烧瓶的瓶口，然后将烧瓶放入装有热水的烧杯中，如图所示，将烧瓶及气球内的气体看成是理想气体。则下列说法正确的是()A．经过一段时间后气球会膨胀起来B．气球的体积一直都不会发生变化C．烧瓶及气球内的气体内能增加D．烧瓶及气球内的气体的压强一定变大解析：选ACD。由于热水的温度较高，将烧瓶放进盛满热水的烧杯里，烧瓶及气球内气体吸收了热水的热量，温度升高，内能增大，体积增大，故A、C正确，B错误；初始时烧瓶及气球内气体的压强等于大气压，吸收热量后，烧瓶及气球内气体的压强大于大气压，气球膨胀，故D正确。5．如图所示，瓶内装有少量的水，瓶口已塞紧，水上方空气中有水蒸气，用打气筒向瓶内打气，当塞子从瓶口跳出时，瓶内出现“白雾”，这一现象产生的原因可以用下面三句话解释：甲，水蒸气凝结成小水珠；乙，瓶内气体推动瓶塞做功，内能减小；丙，温度降低。三句话正确的顺序是()A．甲、乙、丙 B．乙、丙、甲C．丙、甲、乙 D．乙、甲、丙解析：选B。根据题意因果顺序