《功、热和内能的改变》课件

1.功、热和内能的改变第三章内容索引0102课前篇自主预习课堂篇探究学习学习目标1.了解焦耳的两个实验的原理,知道做功和热传递的实质。(物理观念)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。(物理观念)3.明确内能、功、热量、温度四个物理量的区别和联系。(物理观念)思维导图课前篇自主预习必备知识一、焦耳的实验1.实验条件绝热过程: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)让重物下落带动叶片搅拌绝热容器中的水,引起水温上升。(2)通过电流的热效应给绝热容器中的水加热。3.实验结论在各种不同的绝热过程中,如果使系统从状态1变为状态2,所需外界做功的数量是相同的,即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1、2决定,而与做功的方式无关。二、功与内能的改变1.系统的内能: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做的功相联系,是系统的一种能量,我们把它称为系统的内能。2.绝热过程中做功与系统内能变化的关系:当系统从某一状态经过绝热过程达到另一状态时,内能的变化量ΔU就等于外界对系统所做的功W,即ΔU=W。三、热与内能的改变1.传热:热从高温物体传到低温物体的过程。2.实现传热的条件:两物体间存在着温度差。3.对热量的理解:热量是在单纯的传热过程中系统内能变化的量度,是一个过程量,不能说物体具有多少热量,只能说某一过程中物体吸收或放出了多少热量。4.传热与系统内能变化的关系:系统在单纯的传热过程中内能的变化量ΔU等于外界向系统传递的热量Q,即ΔU=Q。四、传热和做功的比较1.改变系统内能的方式:做功和传热。2.区别:做功时内能与其他形式的能发生转化;而传热只是不同物体(或一个物体的不同部分)间内能的转移。自我检测1.正误判断,判断结果为错误的小题请说明原因。(1)某一系统经历绝热过程时,只要初、末状态相同,则做功数量也一定相同。(

)答案

√(2)在绝热过程中,做功方式不同会直接影响系统状态变化的最终结果。(

)答案

×解析

在绝热过程中,只要做功的大小相同,做功方式(机械功、电功等)不同,不会影响系统状态变化的最终结果。(3)在绝热过程中,系统对外界做的功等于系统内能的增加量。(

)答案

×解析

在绝热过程中,系统对外界做功会引起内能的减小,所做功的数值就等于系统内能的减小量。(4)外界对物体做功多,就意味着物体的内能大。(

)答案

×解析

外界对物体做功,会引起内能的变化,做功越多,内能变化越大,物体的初或末态的内能不一定大。(5)温度高的物体含有的热量多。(

)答案

×解析

热量是与传热过程对应的物理量,不能说温度高的物体热量多。(6)热量一定从内能多的物体传递给内能少的物体。(

)答案

×解析

热量传递的条件是两个物体间有温度差,热量从温度高的物体传给温度低的物体,而物体的内能是由物质的量、温度、体积决定的,温度高的物体的内能不一定大。2.以下所述现象中,属于通过热传递改变了物体内能的是(

)A.汽油机汽缸内气体被压缩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.电流通过电阻丝答案

B解析

汽缸压缩气体,对气体做功;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改变物体内能的。热水放在空气中,通过热辐射等方式向外传递了热量,使自身的内能减少,温度降低,它是通过热传递方式改变内能的,所以应选B。3.采用绝热的方式使一定量的气体由初状态A变化至末状态B。对于不同的做功方式,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答案

B解析

在绝热过程中,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。课堂篇探究学习探究一焦耳的实验情境探究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?要点提示

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,而与做功方式无关。知识归纳焦耳的两个代表性实验

两个实验实验一实验二实验装置做功方式通过重物下落带动叶片搅水,靠叶片与水摩擦使水温升高,通过机械功实现能量的转化通过重物下落使发电机发电,电流通过电阻丝做功使水温升高,通过电功实现能量的转化两个实验实验一实验二实验条件容器及其中的水组成的系统与外界绝热共性外界对系统做功数值上相同,系统温度上升数值相同,内能改变相同实例引导例1

如图是研究内能改变与功之间关系的两个典型实验,那么从这两个实验中可得出的结论是(

)A.能量守恒定律B.机械能守恒定律C.在各种不同的绝热过程中,系统状态的改变与做功方式无关,仅与做功数量有关D.在各种不同的绝热过程中,系统状态的改变不仅与做功方式有关,还与做功数量有关答案

C解析

通过这两个实验,可得出的结论是,在各种不同的绝热过程中,系统状态的改变与做功方式无关,仅与做功数量有关。故选项C正确,其余选项不是这两个实验的结论。变式训练1(多选)如图为焦耳实验装置图,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,引起水温升高,关于这个实验,下列说法正确的是(

)A.这个装置可测定热量与做功的关系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,无区别答案

AC解析

该实验可测定做功和热量的关系,A正确;该实验是绝热过程,没有热传递,内能的改变是由于做功,C正确;做功表示能量的转化,而热量表示热传递中内能的转移,二者有区别,B、D错误。探究二功与内能的改变情境探究打气筒是日常生活中的一种工具,当我们用打气筒给自行车打气时,就是在克服气体压力和摩擦力做功。打气的过程中你试着去摸一下打气筒的外壳,有什么感觉?这是怎么回事呢?要点提示

做功的过程是能量转化的过程,做功使得系统的内能增加了,所以温度升高。

知识归纳1.内能与内能的变化

“末减初”(1)物体的内能是指物体内所有分子的动能和分子势能之和。物体的内能是一个状态量。(2)物体的内能变化是指末态的内能与初态的内能之差,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,系统内能的变化量等于外界对系统所做的功。即①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,即ΔU=W外。②在绝热过程中,系统对外界做多少功,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,即-ΔU=W。3.功和内能的区别(1)功是能量转化的量度,是过程量,而内能是状态量。(2)做功过程中,能量一定会发生转化,而内能不一定变化,只有在绝热过程中,做功才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,才对应着做功较多。特别提醒

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吸热或放热,以及吸热或放热的多少。实例引导例2

如图,一个质量为20kg的绝热汽缸竖直放置,绝热活塞的质量为5kg,面积为0.1m2,处于静止状态时被封闭气体的高度为50cm,现在活塞上方加一质量为15kg的物体,待稳定后,被封闭气体的高度变为40cm。则在这一过程中气体的内能增加了多少?(p0=1.01×105Pa,g取10m/s2)答案

1030J解析

汽缸及活塞均绝热,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。规律方法

判断绝热过程中内能变化的方法判断气体绝热过程的内能变化一般情况下只需看气体的体积变化:若体积增大,气体对外界做功,W<0,即ΔU<0,内能减小;若体积缩小,外界对气体做功,W>0,即ΔU>0,内能增加。温馨提示

气体自由膨胀时,气体对外界不做功,因为这种情况下虽然气体体积增大但是没有外界阻力,也就不需要对外界做功。

变式训练2如图,在紫铜管内滴入乙醚,盖紧管塞,乙醚变为气体。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.管内气体内能增大,压强变大答案

D解析

绳与紫铜管间的摩擦力做功,使管壁内能增大,温度升高。通过热传递,乙醚的内能增大,温度升高。管塞被冲开前管内气体内能增大,压强变大。选项D正确。探究三热与内能的改变情境探究“围炉夜话”是中国古代文人认为非常有生活情趣的一种生活方式。在“围炉”的过程中,人的身体并没有和炉子本身发生接触,为什么还能够感到温暖?现代取暖的方式主要是暖气,暖气和炉子在能量传递方面有什么相同点?要点提示

炉子和人身体没有发生接触也可以感到温暖是因为热量可以通过热传递向外扩散,这和暖气的散热方式是相同的。

知识归纳1.传热(1)热从高温物体传递到低温物体,或从物体的高温部分传递到低温部分,叫作传热。(2)传热的三种方式:热传导、热对流和热辐射。2.传热的实质传热实质上传递的是能量,结果是改变了系统的内能。传递能量的多少用热量来量度。3.传递的热量与内能改变的关系在单纯的传热过程中,系统内能的变化量等于外界向系统传递的热量,即(1)在单纯热传递中,系统从外界吸收多少热量,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,系统的内能就减少多少,即Q放=-ΔU。实例引导例3(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理想气体,气球弹性良好。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答案

ACD解析

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,故选项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,故选项D正确。规律方法

温度、内能和热量的区别与联系

概念区别联系温度表示物体的冷热程度,其实质是反映了物体内部大量分子平均动能的大小温度是衡量内能多少的因素之一;热量是用来衡量单纯传热过程中内能变化多少的物理量内能物体内部所有分子的动能和分子势能的总和。一切物体都具有内能热量在单纯传热过程中,量度内能变化多少的物理量,与物质的种类(比热容)、质量和温度的变化量有关注意:温度不能“传”,热量不能“含”;吸热不一定升温(如:晶体的熔化、水的沸腾);升温不一定吸热(也可以通过做功实现)变式训练3(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.物体的分子平均动能可能不变答案

BD解析

在外力不做功的情况下,内能的改变等于传递的热量,内能增加,一定是吸收了相等能量的热量,故选项A错误,选项B正确;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50

J并不一定是分子平均动能增加了50

J,物体的分子平均动能有可能不变,这时吸收的50

J热量全部用来增加分子势能,比如晶体的熔化,故选项C错误,选项D正确。1．(多选)下列说法正确的是

(

)A．外界对气体做功，气体的内能一定增大B．气体从外界吸收热量，气体的内能一定增大C．气体温度越高，气体分子无规则运动的平均动能越大D．做功和热传递对改变物体的内能是等效的【答案】CD【解析】物体内能的变化与做功和热传递两个因素有关．外界对气体做功，同时物体有可能向外界放出热量，内能有可能不变甚至减小，故A错误；同理，气体从外界吸收热量，同时也有可能对外界做功，气体的内能不一定增大，故B错误；而温度是物体分子热运动时平均动能的标志，气体的温度越高，气体分子无规则运动的平均动能越大，故选C、D．2．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【答案】A【解析】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，A正确．3．关于热传递，下列说法正确的是 (

)A．热传递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热传递C．比热容相同的物体之间不会发生热传递D．温度相同的物体之间不会发生热传递【答案】D【解析】热传递实质是能量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热传递，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，不会发生热传递，D正确．4．下列各事例中通过热传递改变物体内能的是 (

)A．车床上车刀切削工件后发热B．擦火柴时火柴头温度升高C．用肥