山东省专用2024-2025学年高中物理第十章热力学定律第12节功和内能热和内能讲义含解析新人教版选修3-3

PAGE1-第1、2节功和内能热和内能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，也不向外界放热的过程。2．绝热过程中系统内能的增加量等于外界对系统所做的功，即ΔU＝W。3．热传递：热量从物体的高温部分传递到低温部分，或从高温物体传递给低温物体的过程。4．系统在单纯的传热过程中，内能的增量ΔU等于外界向系统传递的热量Q，即ΔU＝Q。5．做功和热传递是变更内能的两种方式且具有等效性，但二者实质不同。一、焦耳的试验1．绝热过程系统只通过对外界做功或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．代表试验(1)重物下落带动叶片搅拌容器中的水，引起水温度上升。(2)通过电流的热效应给水加热。3．试验结论要使系统状态通过绝热过程发生变更，做功的数量只由过程始末两个状态确定，而与做功的方式无关。二、功和内能1．内能的概念(1)内能是描述热力学系统自身状态的物理量。(2)在绝热过程中做功可以变更热力学系统所处的状态。2．绝热过程中内能的变更(1)表达式：ΔU＝W。(2)外界对系统做功，W为正；系统对外界做功，W为负。三、热和内能1．热传递(1)条件：物体的温度不同。(2)过程：温度不同的物体发生热传递，温度高的物体要降温，温度低的物体要升温，热量从高温物体传到低温物体。(3)热传递的三种方式：热传导、热对流、热辐射。2．热和内能(1)单纯地对系统传热也能变更系统的热力学状态，即热传递能变更物体的内能。(2)热量：在单纯的传热过程中系统内能变更的量度。(3)单纯的传热过程中内能的变更。①公式：ΔU＝Q。②物体吸热，Q为正；物体放热，Q为负。1．自主思索——判一判(1)温度高的物体含有的热量多。(×)(2)内能大的物体含有的热量多。(×)(3)热量肯定从内能多的物体传递给内能少的物体。(×)(4)做功和热传递都可变更物体的内能，从效果上是等效的。(√)(5)在绝热过程中，外界对系统做的功小于系统内能的增加量。(×)(6)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．合作探究——议一议(1)焦耳的热功当量试验和电流热效应给水加热的试验中做功的方式相同吗？你能得出什么结论？提示：不同。在各种不同的绝热过程中，系统状态的变更与做功方式无关，仅与做功多少有关。(2)用锤子反复敲打一块铁，铁块会发生怎样的变更？为什么？提示：铁块的温度上升，同时会发生形变，在敲打铁块的过程中，锤头对铁块做功，使铁块的内能增加，温度上升。铁块由于受到力的作用，会发生形变。(3)热传递是热量从内能多的物体传递给内能少的物体吗？提示：不是。热传递是热量从高温物体传向低温物体，并非从内能多的物体传向内能少的物体。功和内能的关系1．功和内能的区分(1)功是过程量，内能是状态量。(2)在绝热过程中，做功肯定能引起内能的变更。(3)物体的内能大，并不意味着做功多。只有在绝热过程中，内能变更较大时，对应着做功较多。2．功和内能的关系(1)做功可以变更系统的内能，功是系统内能转化的量度。在国际单位制中，内能和功的单位都是焦耳。(2)绝热过程中功和内能变更的关系当系统从某一状态经过绝热过程达到另一状态时，内能的变更量ΔU就等于外界对系统所做的功W，即ΔU＝U2－U1＝W。即在绝热过程中，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，系统的内能削减，系统对外界做多少功，系统的内能就削减多少。3．做功变更物体内能的实质做功变更物体内能的过程是将其他形式的能(如机械能)与内能相互转化的过程，做功使物体内能发生变更时，内能变更了多少用做功的数值来度量。1．[多选]变更物体的内能的下列方式中，属于做功的方式的是()A．搓搓手会感到手温煦些B．汽油机汽缸内被压缩的气体C．车刀切下的炙热铁屑D．物体在阳光下被晒热解析：选ABC搓手时克服摩擦力做功，机械能转化为内能；汽缸压缩气体，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，使切下的铁屑温度上升，都是通过做功使物体的内能发生变更。物体在阳光下被晒热，不属于做功的方式。2．采纳绝热的方式使肯定量的气体由初状态A变更至末状态B。对于不同的绝热方式，下列说法正确的是()A．对气体所做的功不同B．对气体所做的功相同C．对气体不做功，因为没有能量的传递D．以上三种说法都不对解析：选B对于肯定质量的气体，不管采纳任何一种绝热方式由状态A变更到状态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ΔU＝UB－UA＝W知，W为恒量，所以B正确。3.[多选]如图为焦耳试验装置图，用绝热性能良好的材料将容器包好，重物下落带动叶片搅拌容器里的水，引起水温上升。关于这个试验，下列说法正确的是()A．这个装置可测定热功当量B．做功增加了水的热量C．做功增加了水的内能D．功和热量是完全等价的，无区分解析：选AC将做功过程和吸热过程在同等条件下比较，可测出热功当量，故A正确；做功增加了水的内能，热量只是热传递过程中内能变更的量度，故B错误，C正确；做功和传热产生的效果相同，但功和热量是不同的概念，D错误。热传递与内能的关系1．热传递与内能变更的关系(1)在单纯热传递中，系统从外界汲取多少热量，系统的内能就增加多少，即Q吸＝ΔU。(2)在单纯热传递中，系统向外界放出多少热量，系统的内能就削减多少，即Q放＝－ΔU。(3)热传递变更物体内能的过程是物体间内能转移的过程，热传递使物体的内能发生变更时，内能变更的多少可用热量来量度。2．变更内能的两种方式的比较做功热传递内能变更外界对物体做功，物体的内能增加；物体对外界做功，物体的内能削减物体汲取热量，内能增加；物体放出热量，内能削减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肯定量的功或传递肯定量的热量在变更内能的效果上是相同的3．对温度、内能、热量和功的比较概念含义区分和联系温度表示物体冷热程度的物理量，是物体分子平均动能的标记，是大量分子热运动的集体表现，对个别分子来说，温度没有意义(1)温度和内能是状态量，热量和功是过程量，就某一状态而言只有内能，而无“热量”和“功”(2)热传递的前提条件是存在温差，传递的是热量而不是温度，其实质是内能的转移(3)可以利用做功和热传递来变更物体的内能内能物体内全部分子的动能和势能的总和，是由大量分子的热运动和分子的相对位置所确定的能热量热量是热传递过程中内能的变更量，用来量度热传递过程中内能转移的多少功做功过程是机械能或其他形式的能和内能之间的转化过程1．以下所述现象中，属于通过热传递变更了物体内能的是()A．将一段铁丝反复弯折，弯折处会发热B．放在空气中的一杯热水会冷却C．在转动的砂轮上磨车刀，车刀发热D．电流通过电阻丝解析：选B不论物体是发热还是冷却，物体的温度都发生了变更，都是内能的变更。弯折铁丝是用力对物体做功，在转动的砂轮上磨车刀是摩擦力对车刀做功，电流通过电阻丝并做功，所以三者都是通过做功变更物体内能的，热水放在空气中，通过热辐射以及对流等方式向外传递了热量，而使自身的内能削减，温度下降，它是通过热传递方式变更内能的，所以应选B。2．物体的内能增加了20J，下列说法中正确的是()A．肯定是外界对物体做了20J的功B．肯定是物体汲取了20J的热量C．肯定是物体分子动能增加了20JD．物体分子的平均动能可能不变解析：选D做功和热传递都可以变更物体内能，物体内能变更20J，其方式是不确定的，因此A、B错误；物体内能包括全部分子的平均动能和分子势能，内能由分子数、分子平均动能、分子势能三者确定，故C错误。3．关于物体的内能以及变更，以下说法正确的是()A．物体的温度变更时，其内能必定变更B．物体对外做功，其内能不肯定变更；向物体传递热量，其内能也不肯定变更C．物体对外做功，其内能必定变更，物体向外传出肯定热量其内能必定变更D．若物体与外界不发生热交换，则物体的内能必定不变更解析：选B肯定质量的物体，其内能由温度和体积共同确定。物体的温度变更时，其内能不肯定变更，所以A错误；做功和热传递是变更物体内能的两种方式。若物体对外做功为W，同时汲取的热量为Q，且若W>Q，则物体的内能削减；若W＝Q，则物体的内能不变；若W<Q，则物体的内能增加。所以B正确，C、D错误。1．[多选]下列说法中正确的是()A．做功和热传递是变更物体内能的两种本质不同的物理过程B．外界对物体做功，物体的内能肯定增大C．物体向外界放热，物体的内能肯定增大D．热量是在热传递过程中，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的内能的多少解析：选AD做功和热传递变更物体内能的本质不同，因为做功的过程肯定是不同形式的能相互转化的过程，而热传递是同种形式的能量(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。物体内能的变更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更，故B、C选项不正确，D选项正确。2．[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，假如不和外界交换能量，则()A．从两者起先接触到热平衡的整个过程中，铜块内能的削减量等于铁块内能的增加量B．在两者达到热平衡以前的随意一段时间内，铜块内能的削减量不等于铁块内能的增加量C．达到热平衡时，铜块的温度T＝eq\f(T1＋T2,2)D．达到热平衡时，两者的温度相等解析：选AD一个系统在热交换的过程中，假如不与外界发生热交换，温度高的物体放出的热量等于温度低的物体汲取的热量，直到温度相等，不再发生热交换为止，而热量是传热过程中内能的变更量，所以选项A和D都正确，选项B错误。依据热平衡方程：c铜m(T1－T)＝c铁m(T－T2)，解得T＝eq\f(c铜T1＋c铁T2,c铜＋c铁)，由此可知选项C错误。3．[多选]对于热量、功和内能三者的下列说法中正确的是()A．三者单位相同，物理意义相同B．热量和功是内能的量度C．热量和功由过程确定，而内能由物体状态确定D．系统内能增加了100J，可能是外界采纳绝热方式对系统做功100J，也可能是外界单纯地对系统传热100J解析：选CD热量、功和内能三者尽管单位相同，但物理意义有本质区分，A错。热量和功由过程确定，内能由物体状态确定，热量和功是内能变更的量度，C对，B错。对一个绝热过程ΔU＝W＝100J，对一个单纯热传递过程ΔU＝Q＝100J，D对。4.如图所示，肯定质量的志向气体密封在绝热(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。现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。若忽视活塞与容器壁间的摩擦力，则被密封的气体()A．温度上升，压强增大，内能削减B．温度降低，压强减小，内能削减C．温度上升，压强增大，内能增加D．温度降低，压强减小，内能增加解析：选C由于F对密闭的气体做功，容器及活塞绝热，所以Q＝0，由功和内能的关系知志向气体内能增大，T上升，再依据eq\f(pV,T)＝C，V减小，p增大，选项C正确。5.如图所示，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，则在将拉杆缓慢向左拉的过程中()A．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乙减小解析：选D接触面是绝热面，拉动拉杆，对乙部分气体来讲，系统对外界做功，内能减小，温度降低；对甲部分气体来讲，外界对系统做功，内能增加，故D对。6．[多选](2024·全国卷Ⅱ)如图，用隔板将一绝热汽缸分成两部分，隔板左侧充有志向气体，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()A．气体自发扩散前后内能相同B．气体在被压缩的过程中内能增大C．在自发扩散过程中，气体对外界做功D．气体在被压缩的过程中，外界对气体做功E．气体在被压缩的过程中，气体分子的平均动能不变解析：选ABD抽开隔板，气体自发扩散过程中，气体对外界不做功，与外界没有热交换，因此气体的内能不变，A项正确，C项错误；气体在被压缩的过程中，外界对气体做功，D项正确；由于气体与外界没有热交换，气体在被压缩的过程中内能增大，因此气体的温度上升，气体分子的平均动能增大，B项正确，E项错误。7．某同学想要估测每秒钟太阳辐射到地球表面上的能量，他用一个横截面积S＝3.2dm2的保温圆筒，内装有质量为m＝0.4kg的水，让太阳光垂直照耀t＝3min，水上升的温度Δt＝2.2℃，已知水的比热容c＝4.2×103J/(kg·℃)，地球半径为R＝6400km，试求出太阳向地球表面辐射能量的功率。解析：太阳辐射到水中的能量Q＝cmΔt＝4.2×103×0.4×2.2J≈3.7×103J。太阳光在1s内垂直照耀到1m2面积上的功率P＝eq\f(Q,S