高中物理人教版3第十章熱力學(xué)定律1功和內(nèi)能 第10章1

1功和內(nèi)能2熱和內(nèi)能學(xué)習(xí)目標(biāo)知識(shí)脈絡(luò)1.掌握從熱力學(xué)角度認(rèn)識(shí)內(nèi)能的概念．了解焦耳的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)．(重點(diǎn))2．知道做功與內(nèi)能改變的數(shù)量關(guān)系，知道熱傳遞的熱量與內(nèi)能變化的關(guān)系．(重點(diǎn)、難點(diǎn))3．知道做功和熱傳遞是改變內(nèi)能的兩種方式，且對(duì)改變系統(tǒng)內(nèi)能是等效的．(難點(diǎn))4．掌握內(nèi)能、功、熱量、溫度四個(gè)物理量的區(qū)別和聯(lián)系．(重點(diǎn))功和內(nèi)能eq\a\vs4\al([先填空])1．焦耳的實(shí)驗(yàn)(1)絕熱過程：系統(tǒng)只由于外界對(duì)它做功而與外界交換能量，它不從外界吸熱，也不向外界放熱．(2)代表性實(shí)驗(yàn)①重物下落帶動(dòng)葉片攪拌容器中的水，引起水溫上升②通過電流的熱效應(yīng)給水加熱．(3)實(shí)驗(yàn)結(jié)論：要使系統(tǒng)狀態(tài)通過絕熱過程發(fā)生變化，做功的數(shù)量只由過程始末兩個(gè)狀態(tài)決定，而與做功的方式無關(guān)．2．功和內(nèi)能(1)內(nèi)能：任何一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)都必定存在一個(gè)只依賴于系統(tǒng)自身狀態(tài)的物理量，這個(gè)物理量在兩個(gè)狀態(tài)間的差別與外界在絕熱過程中對(duì)系統(tǒng)所做的功相聯(lián)系．鑒于功是能量變化的量度，所以這個(gè)物理量必定是系統(tǒng)的一種能量，我們把它稱為系統(tǒng)的內(nèi)能．(2)功和內(nèi)能：在絕熱過程中，外界對(duì)系統(tǒng)做的功等于系統(tǒng)內(nèi)能的增加量，即ΔU＝W.eq\a\vs4\al([再判斷])1．在絕熱過程中，外界對(duì)系統(tǒng)做的功小于系統(tǒng)內(nèi)能的增加量．(×)2．系統(tǒng)只從外界吸熱，而不向外界放熱的過程就是絕熱過程．(×)3．在絕熱過程中，外界對(duì)系統(tǒng)做多少功，內(nèi)能就能增加多少．(√)eq\a\vs4\al([后思考])1．打氣筒是日常生活中的一種工具，當(dāng)我們用打氣筒給自行車打氣的時(shí)候，就是在克服氣體壓力和摩擦力做功．打氣的過程中你試著去摸一下打氣筒的外殼有什么感覺？打氣筒的溫度升高了，這是怎么回事呢？圖10-1-1【提示】外殼溫度升高甚至燙手，壓縮氣體做功，使系統(tǒng)的內(nèi)能增加，溫度升高．2．焦耳的代表性實(shí)驗(yàn)——熱功當(dāng)量實(shí)驗(yàn)，它是通過什么能轉(zhuǎn)化為什么能的？這個(gè)實(shí)驗(yàn)又能得出怎樣的結(jié)論？【提示】重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能．結(jié)論：只要重力做功相同，容器內(nèi)水溫上升的數(shù)值是相同的，即系統(tǒng)狀態(tài)變化是相同的．eq\a\vs4\al([核心點(diǎn)擊])1．內(nèi)能：物體的內(nèi)能是指物體內(nèi)所有分子的平均動(dòng)能和勢(shì)能之和．(1)在微觀上由分子數(shù)、分子熱運(yùn)動(dòng)的劇烈程度和相互作用力決定，宏觀上體現(xiàn)為物體的溫度和體積，因此物體的內(nèi)能是一個(gè)狀態(tài)量．(2)在系統(tǒng)不吸熱也不放熱的絕熱過程中，狀態(tài)發(fā)生的變化是由于做功造成的，伴隨的能量轉(zhuǎn)化是外界的能量與系統(tǒng)自身的能量發(fā)生了轉(zhuǎn)化，系統(tǒng)自身的能量稱為內(nèi)能．(3)造成系統(tǒng)內(nèi)能變化的量與做功方式無關(guān)，與做功的數(shù)量有關(guān)．(4)內(nèi)能是狀態(tài)量，由它的狀態(tài)、溫度、體積、質(zhì)量決定．2．(1)做功與內(nèi)能變化的關(guān)系：當(dāng)系統(tǒng)從某一狀態(tài)經(jīng)過絕熱過程達(dá)到另一狀態(tài)時(shí)，內(nèi)能的增加量ΔU就等于外界對(duì)系統(tǒng)所做的功W，用式子表示為：ΔU＝U2－U1＝W.(2)系統(tǒng)內(nèi)能的改變量ΔU只與初、末狀態(tài)的內(nèi)能U1和U2有關(guān)，與做功的過程、方式無關(guān)．(3)功和內(nèi)能的區(qū)別①功是過程量，內(nèi)能是狀態(tài)量．②在絕熱過程中，做功一定能引起內(nèi)能的變化．③物體的內(nèi)能大，并不意味著做功多，在絕熱過程中，只有變化較大時(shí)，對(duì)應(yīng)著做功較多．1．如圖10-1-2所示，柱形容器內(nèi)封有一定質(zhì)量的空氣，質(zhì)量為m的光滑活塞與容器都用良好的隔熱材料制成．另有質(zhì)量為M的物體從活塞上方的A點(diǎn)自由下落到活塞上，并隨活塞一起到達(dá)最低點(diǎn)B而靜止．在這一過程中，下述空氣內(nèi)能的改變量ΔU、外界對(duì)氣體所做的功W與物體及活塞的重力勢(shì)能的變化關(guān)系中不正確的是()圖10-1-2A．Mgh＋mgΔh＝ΔU＋WB．ΔU＝W，W＝Mgh＋mgΔhC．ΔU＝W，W<Mgh＋mgΔhD．ΔU≠W，W＝Mgh＋mgΔhE．Mgh＋mgΔh>ΔU【解析】物體與活塞碰撞時(shí)有機(jī)械能損失，因此物體和活塞重力勢(shì)能的減少量大于氣體內(nèi)能的增加量；根據(jù)功與內(nèi)能增加量的關(guān)系可知，外界對(duì)氣體所做的功W與空氣內(nèi)能的變化量相等，因此ΔU＝W，W<Mgh＋mgΔh，C、E正確，A、B、D錯(cuò)誤．特別注意物體與活塞碰撞時(shí)有機(jī)械能損失．【答案】ABD2．如圖10-1-3所示，一定質(zhì)量的理想氣體密封在絕熱(即與外界不發(fā)生熱交換)容器中，容器內(nèi)裝有一可以活動(dòng)的絕熱活塞．今對(duì)活塞施以一豎直向下的壓力F，使活塞緩慢向下移動(dòng)一段距離后，氣體的體積減?。艉雎曰钊c容器壁間的摩擦，則被密封的氣體的下列說法不正確的是()圖10-1-3A．溫度升高，壓強(qiáng)增大，內(nèi)能減少B．溫度降低，壓強(qiáng)增大，內(nèi)能減少C．溫度升高，壓強(qiáng)增大，內(nèi)能增加D．溫度降低，壓強(qiáng)減小，內(nèi)能增加E．分子的平均動(dòng)能增加，分子對(duì)器壁單位面積碰撞的沖力增大【解析】由F對(duì)密閉的氣體做正功，容器及活塞絕熱，則系統(tǒng)與外界傳遞的熱量Q＝0，由功和內(nèi)能的關(guān)系知，理想氣體內(nèi)能增大，溫度升高，再根據(jù)eq\f(pV,T)＝C，V減小，p增大．答案A、B、D.【答案】ABD3．如圖10-1-4所示，為焦耳實(shí)驗(yàn)裝置圖，用絕熱性能良好的材料將容器包好，重物下落帶動(dòng)葉片攪拌容器里的水，引起水溫升高．關(guān)于這個(gè)實(shí)驗(yàn)，下列說法正確的是()圖10-1-4A．這個(gè)裝置可測(cè)定熱功當(dāng)量B．做功增加了水的熱量C．做功增加了水的內(nèi)能D．功和熱量是完全等價(jià)的，無區(qū)別E．在絕熱過程中，做功一定增加水的內(nèi)能【解析】將做功過程和吸熱過程在同等條件下比較，可測(cè)出熱功當(dāng)量，故A正確；做功增加了水的內(nèi)能，熱量只是熱傳遞過程中內(nèi)能改變的量度，故B錯(cuò)誤，C正確；做功和傳熱產(chǎn)生的效果相同，但功和熱量是不同的概念，D錯(cuò)誤．【答案】ACE分析絕熱過程的方法1．在絕熱的情況下，若外界對(duì)系統(tǒng)做正功，系統(tǒng)內(nèi)能增加，ΔU為正值；若系統(tǒng)對(duì)外界做正功，系統(tǒng)內(nèi)能減少，ΔU為負(fù)值．此過程做功的多少為內(nèi)能轉(zhuǎn)化多少的量度．2．在絕熱過程中，內(nèi)能和其他形式的能一樣也是狀態(tài)量，氣體的初、末狀態(tài)確定了，即在初、末狀態(tài)的內(nèi)能也相應(yīng)地確定了，內(nèi)能的變化ΔU也確定了．而功是能量轉(zhuǎn)化的量度，所以ΔU＝W，即W為恒量，這也是判斷絕熱過程的一種方法．熱和內(nèi)能eq\a\vs4\al([先填空])1．熱傳遞(1)條件：物體的溫度不同．(2)定義：兩個(gè)溫度不同的物體相互接觸時(shí)，溫度高的物體要降溫，溫度低的物體要升溫，熱量從高溫物體傳到了低溫物體．2．熱和內(nèi)能(1)熱量：它是在單純的傳熱過程中系統(tǒng)內(nèi)能變化的量度．(2)表達(dá)式：ΔU＝Q.(3)熱傳遞與做功在改變系統(tǒng)內(nèi)能上的異同：①做功和熱傳遞都能引起系統(tǒng)內(nèi)能的改變．②做功時(shí)是內(nèi)能與其他形式能的轉(zhuǎn)化；熱傳遞只是不同物體(或一個(gè)物體的不同部分)之間內(nèi)能的轉(zhuǎn)移．eq\a\vs4\al([再判斷])1．功和內(nèi)能都是能量轉(zhuǎn)化的量度．(×)2．做功和熱傳遞都可改變物體的內(nèi)能，從效果上是等效的．(√)3．熱量一定從內(nèi)能多的物體傳遞給內(nèi)能少的物體．(×)eq\a\vs4\al([后思考])1．物體的內(nèi)能增加是否一定是從外界吸收了熱量？【提示】不一定．這是因?yàn)樽龉蜔醾鬟f都可以改變物體的內(nèi)能．2．從能量的角度看，做功和熱傳遞有何不同？【提示】做功是內(nèi)能和其他形式能的轉(zhuǎn)化，熱傳遞是不同物體或一個(gè)物體不同部分之間內(nèi)能的轉(zhuǎn)移．eq\a\vs4\al([核心點(diǎn)擊])1．熱傳遞(1)熱量從高溫物體傳遞到低溫物體，或從物體的高溫部分傳遞到低溫部分，叫做熱傳遞．(2)熱傳遞的三種方式：熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射．2．熱傳遞的實(shí)質(zhì)熱傳遞實(shí)質(zhì)上傳遞的是能量，結(jié)果是改變了系統(tǒng)的內(nèi)能．傳遞能量的多少用熱量來量度．3．傳遞的熱量與內(nèi)能改變的關(guān)系(1)在單純熱傳遞中，系統(tǒng)從外界吸收多少熱量，系統(tǒng)的內(nèi)能就增加多少．即Q吸＝ΔU.(2)在單純熱傳遞中，系統(tǒng)向外界放出多少熱量，系統(tǒng)的內(nèi)能就減少多少．即Q放＝－ΔU.4．熱傳遞具有方向性熱量從高溫物體傳遞到低溫物體，或從物體的高溫部分傳遞到低溫部分，不會(huì)自發(fā)地從低溫物體傳遞到高溫物體或從物體的低溫部分傳遞到高溫部分．5．改變內(nèi)能的兩種方式的比較比較項(xiàng)目做功熱傳遞內(nèi)能變化外界對(duì)物體做功，物體的內(nèi)能增加；物體對(duì)外界做功，物體的內(nèi)能減少物體吸收熱量，內(nèi)能增加；物體放出熱量，內(nèi)能減少物理實(shí)質(zhì)其他形式的能與內(nèi)能之間的轉(zhuǎn)化不同物體間或同一物體不同部分之間內(nèi)能的轉(zhuǎn)移相互聯(lián)系做一定量的功或傳遞一定量的熱量在改變內(nèi)能的效果上是相同的4．關(guān)于物體的內(nèi)能和熱量，下列說法中不正確的有()A．熱水的內(nèi)能比冷水的內(nèi)能多B．溫度高的物體其熱量必定多，內(nèi)能必定大C．在熱傳遞過程中，內(nèi)能大的物體其內(nèi)能將減小，內(nèi)能小的物體其內(nèi)能將增大，直到兩物體的內(nèi)能相等D．在熱傳遞過程中，熱量從高溫物體傳遞到低溫物體，直到兩物體的溫度相同為止E．熱量是熱傳遞過程中內(nèi)能轉(zhuǎn)移的量度【解析】物體的內(nèi)能由溫度、體積及物體的質(zhì)量決定，不是只由溫度決定，故A、B錯(cuò)；在熱傳遞過程中，熱量由高溫物體傳給低溫物體，而與物體的內(nèi)能大小無關(guān)，所以完全有可能是內(nèi)能大的物體內(nèi)能繼續(xù)增大，內(nèi)能小的物體內(nèi)能繼續(xù)減小，故C項(xiàng)錯(cuò)、D項(xiàng)對(duì)；關(guān)于熱量的論述，E項(xiàng)是正確的．【答案】ABC5．一銅塊和一鐵塊，質(zhì)量相等，銅塊的溫度T1比鐵塊的溫度T2高，當(dāng)它們接觸在一起時(shí)，如果不和外界交換能量，則()A．從兩者開始接觸到熱平衡的整個(gè)過程中，銅塊內(nèi)能的減少量等于鐵塊內(nèi)能的增加量B．在兩者達(dá)到熱平衡以前的任意一段時(shí)間內(nèi)，銅塊內(nèi)能的減少量不等于鐵塊內(nèi)能的增加量C．在兩者達(dá)到熱平衡以前的任意一段時(shí)間內(nèi)，銅塊內(nèi)能的減少量都等于鐵塊內(nèi)能的增加量D．達(dá)到熱平衡時(shí)，銅塊的溫度比鐵塊的低E．熱平衡時(shí)，兩者的溫度相等【解析】熱平衡條件是溫度相等，熱傳遞的方向是從溫度高的物體傳向溫度低的物體．在熱傳遞過程中高溫物體放出的熱量等于低溫物體吸收的熱量，因此A、C、E正確，B、D錯(cuò)誤．【答案】ACE6．關(guān)于熱量、功和內(nèi)能的下列說法中正確的是()A．熱量、功、內(nèi)能三者的物理意義等同B．熱量、功都可以作為物體內(nèi)能的量度C．熱量、功都可以作為物體內(nèi)能變化的量度D．熱量、功、內(nèi)能的單位相同E．熱量和功是由過程決定的，而內(nèi)能是由物體狀態(tài)決定的【解析】物體的內(nèi)能是指物體內(nèi)所有分子動(dòng)能和分子勢(shì)能的總和，而要改變物體的內(nèi)能可以通過做功和熱傳遞兩種途徑，這三者的物理意義不同