高中物理人教版3第十章熱力學定律1功和內能 第10章1

1功和內能2熱和內能學習目標知識脈絡1.掌握從熱力學角度認識內能的概念．了解焦耳的兩個實驗．(重點)2．知道做功與內能改變的數(shù)量關系，知道熱傳遞的熱量與內能變化的關系．(重點、難點)3．知道做功和熱傳遞是改變內能的兩種方式，且對改變系統(tǒng)內能是等效的．(難點)4．掌握內能、功、熱量、溫度四個物理量的區(qū)別和聯(lián)系．(重點)功和內能eq\a\vs4\al([先填空])1．焦耳的實驗(1)絕熱過程：系統(tǒng)只由于外界對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)代表性實驗①重物下落帶動葉片攪拌容器中的水，引起水溫上升②通過電流的熱效應給水加熱．(3)實驗結論：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狀態(tài)決定，而與做功的方式無關．2．功和內能(1)內能：任何一個熱力學系統(tǒng)都必定存在一個只依賴于系統(tǒng)自身狀態(tài)的物理量，這個物理量在兩個狀態(tài)間的差別與外界在絕熱過程中對系統(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)的內能．(2)功和內能：在絕熱過程中，外界對系統(tǒng)做的功等于系統(tǒng)內能的增加量，即ΔU＝W.eq\a\vs4\al([再判斷])1．在絕熱過程中，外界對系統(tǒng)做的功小于系統(tǒng)內能的增加量．(×)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，外界對系統(tǒng)做多少功，內能就能增加多少．(√)eq\a\vs4\al([后思考])1．打氣筒是日常生活中的一種工具，當我們用打氣筒給自行車打氣的時候，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)的內能增加，溫度升高．2．焦耳的代表性實驗——熱功當量實驗，它是通過什么能轉化為什么能的？這個實驗又能得出怎樣的結論？【提示】重力勢能轉化為內能．結論：只要重力做功相同，容器內水溫上升的數(shù)值是相同的，即系統(tǒng)狀態(tài)變化是相同的．eq\a\vs4\al([核心點擊])1．內能：物體的內能是指物體內所有分子的平均動能和勢能之和．(1)在微觀上由分子數(shù)、分子熱運動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，因此物體的內能是一個狀態(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，伴隨的能量轉化是外界的能量與系統(tǒng)自身的能量發(fā)生了轉化，系統(tǒng)自身的能量稱為內能．(3)造成系統(tǒng)內能變化的量與做功方式無關，與做功的數(shù)量有關．(4)內能是狀態(tài)量，由它的狀態(tài)、溫度、體積、質量決定．2．(1)做功與內能變化的關系：當系統(tǒng)從某一狀態(tài)經(jīng)過絕熱過程達到另一狀態(tài)時，內能的增加量ΔU就等于外界對系統(tǒng)所做的功W，用式子表示為：ΔU＝U2－U1＝W.(2)系統(tǒng)內能的改變量ΔU只與初、末狀態(tài)的內能U1和U2有關，與做功的過程、方式無關．(3)功和內能的區(qū)別①功是過程量，內能是狀態(tài)量．②在絕熱過程中，做功一定能引起內能的變化．③物體的內能大，并不意味著做功多，在絕熱過程中，只有變化較大時，對應著做功較多．1．如圖10-1-2所示，柱形容器內封有一定質量的空氣，質量為m的光滑活塞與容器都用良好的隔熱材料制成．另有質量為M的物體從活塞上方的A點自由下落到活塞上，并隨活塞一起到達最低點B而靜止．在這一過程中，下述空氣內能的改變量ΔU、外界對氣體所做的功W與物體及活塞的重力勢能的變化關系中不正確的是()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】物體與活塞碰撞時有機械能損失，因此物體和活塞重力勢能的減少量大于氣體內能的增加量；根據(jù)功與內能增加量的關系可知，外界對氣體所做的功W與空氣內能的變化量相等，因此ΔU＝W，W<Mgh＋mgΔh，C、E正確，A、B、D錯誤．特別注意物體與活塞碰撞時有機械能損失．【答案】ABD2．如圖10-1-3所示，一定質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，容器內裝有一可以活動的絕熱活塞．今對活塞施以一豎直向下的壓力F，使活塞緩慢向下移動一段距離后，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，壓強增大，內能減少B．溫度降低，壓強增大，內能減少C．溫度升高，壓強增大，內能增加D．溫度降低，壓強減小，內能增加E．分子的平均動能增加，分子對器壁單位面積碰撞的沖力增大【解析】由F對密閉的氣體做正功，容器及活塞絕熱，則系統(tǒng)與外界傳遞的熱量Q＝0，由功和內能的關系知，理想氣體內能增大，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，為焦耳實驗裝置圖，用絕熱性能良好的材料將容器包好，重物下落帶動葉片攪拌容器里的水，引起水溫升高．關于這個實驗，下列說法正確的是()圖10-1-4A．這個裝置可測定熱功當量B．做功增加了水的熱量C．做功增加了水的內能D．功和熱量是完全等價的，無區(qū)別E．在絕熱過程中，做功一定增加水的內能【解析】將做功過程和吸熱過程在同等條件下比較，可測出熱功當量，故A正確；做功增加了水的內能，熱量只是熱傳遞過程中內能改變的量度，故B錯誤，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，若外界對系統(tǒng)做正功，系統(tǒng)內能增加，ΔU為正值；若系統(tǒng)對外界做正功，系統(tǒng)內能減少，ΔU為負值．此過程做功的多少為內能轉化多少的量度．2．在絕熱過程中，內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)的內能也相應地確定了，內能的變化ΔU也確定了．而功是能量轉化的量度，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：兩個溫度不同的物體相互接觸時，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．熱和內能(1)熱量：它是在單純的傳熱過程中系統(tǒng)內能變化的量度．(2)表達式：ΔU＝Q.(3)熱傳遞與做功在改變系統(tǒng)內能上的異同：①做功和熱傳遞都能引起系統(tǒng)內能的改變．②做功時是內能與其他形式能的轉化；熱傳遞只是不同物體(或一個物體的不同部分)之間內能的轉移．eq\a\vs4\al([再判斷])1．功和內能都是能量轉化的量度．(×)2．做功和熱傳遞都可改變物體的內能，從效果上是等效的．(√)3．熱量一定從內能多的物體傳遞給內能少的物體．(×)eq\a\vs4\al([后思考])1．物體的內能增加是否一定是從外界吸收了熱量？【提示】不一定．這是因為做功和熱傳遞都可以改變物體的內能．2．從能量的角度看，做功和熱傳遞有何不同？【提示】做功是內能和其他形式能的轉化，熱傳遞是不同物體或一個物體不同部分之間內能的轉移．eq\a\vs4\al([核心點擊])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、熱對流和熱輻射．2．熱傳遞的實質熱傳遞實質上傳遞的是能量，結果是改變了系統(tǒng)的內能．傳遞能量的多少用熱量來量度．3．傳遞的熱量與內能改變的關系(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．改變內能的兩種方式的比較比較項目做功熱傳遞內能變化外界對物體做功，物體的內能增加；物體對外界做功，物體的內能減少物體吸收熱量，內能增加；物體放出熱量，內能減少物理實質其他形式的能與內能之間的轉化不同物體間或同一物體不同部分之間內能的轉移相互聯(lián)系做一定量的功或傳遞一定量的熱量在改變內能的效果上是相同的4．關于物體的內能和熱量，下列說法中不正確的有()A．熱水的內能比冷水的內能多B．溫度高的物體其熱量必定多，內能必定大C．在熱傳遞過程中，內能大的物體其內能將減小，內能小的物體其內能將增大，直到兩物體的內能相等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能轉移的量度【解析】物體的內能由溫度、體積及物體的質量決定，不是只由溫度決定，故A、B錯；在熱傳遞過程中，熱量由高溫物體傳給低溫物體，而與物體的內能大小無關，所以完全有可能是內能大的物體內能繼續(xù)增大，內能小的物體內能繼續(xù)減小，故C項錯、D項對；關于熱量的論述，E項是正確的．【答案】ABC5．一銅塊和一鐵塊，質量相等，銅塊的溫度T1比鐵塊的溫度T2高，當它們接觸在一起時，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過程中，銅塊內能的減少量等于鐵塊內能的增加量B．在兩者達到熱平衡以前的任意一段時間內，銅塊內能的減少量不等于鐵塊內能的增加量C．在兩者達到熱平衡以前的任意一段時間內，銅塊內能的減少量都等于鐵塊內能的增加量D．達到熱平衡時，銅塊的溫度比鐵塊的低E．熱平衡時，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錯誤．【答案】ACE6．關于熱量、功和內能的下列說法中正確的是()A．熱量、功、內能三者的物理意義等同B．熱量、功都可以作為物體內能的量度C．熱量、功都可以作為物體內能變化的量度D．熱量、功、內能的單位相同E．熱量和功是由過程決定的，而內能是由物體狀態(tài)決定的【解析】物體的內能是指物體內所有分子動能和分子勢能的總和，而要改變物體的內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