高中物理新教材同步選擇性必修第三冊 第3章 1 功、熱和內能的改變

1功、熱和內能的改變[學習目標]1.了解焦耳的兩個實驗的原理，知道做功和傳熱的實質.2.知道做功和傳熱是改變內能的兩種方式，理解做功和傳熱對改變系統(tǒng)內能是等效的，明確兩種方式的區(qū)別.3.明確內能、功、熱量、溫度四個物理量的區(qū)別和聯(lián)系．一、焦耳的實驗1．絕熱過程：系統(tǒng)不從外界吸熱，也不向外界放熱的過程．2．代表性實驗(1)重物下落時帶動葉片轉動，攪拌容器中的水，水由于摩擦而溫度上升．(2)通過電流的熱效應給液體加熱．3．實驗結論：在熱力學系統(tǒng)的絕熱過程中，外界對系統(tǒng)做的功僅由過程的始末兩個狀態(tài)決定，不依賴于做功的具體過程和方式．4．內能：只依賴于熱力學系統(tǒng)自身狀態(tài)的物理量．二、功與內能的改變1．功與內能的改變在熱力學系統(tǒng)的絕熱過程中，當系統(tǒng)從狀態(tài)1經(jīng)過絕熱過程達到狀態(tài)2時，內能的變化量ΔU＝U2－U1，等于外界對系統(tǒng)所做的功W，即ΔU＝W.2．理解(1)ΔU＝W的適用條件是絕熱過程．(2)在絕熱過程中：外界對系統(tǒng)做功，系統(tǒng)的內能增加；系統(tǒng)對外做功，系統(tǒng)的內能減少．三、熱與內能的改變1．傳熱(1)條件：物體的溫度不同．(2)傳熱：熱從高溫物體傳到了低溫物體．2．熱和內能(1)熱量：在單純的傳熱過程中系統(tǒng)內能變化的量度．(2)熱與內能的改變當系統(tǒng)從狀態(tài)1經(jīng)過單純的傳熱達到狀態(tài)2時，內能的變化量ΔU＝U2－U1等于外界向系統(tǒng)傳遞的熱量Q，即ΔU＝Q.(3)傳熱與做功在改變系統(tǒng)內能上的異同．①做功和傳熱都能引起系統(tǒng)內能的改變．②做功時，內能與其他形式的能發(fā)生轉化；傳熱只是不同物體(或一個物體的不同部分)之間內能的轉移．1．判斷下列說法的正誤．(1)熱量一定從內能多的物體傳遞給內能少的物體．(×)(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)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．(×)(4)熱傳遞只能發(fā)生在兩個物體間，同一物體不能發(fā)生熱傳遞．(×)2．各種方法使物體的內能發(fā)生改變：a.電爐通電后發(fā)熱；b.一杯開水放在桌面上冷卻；c.陽光照射下冰塊融化；d.鋸木頭時，鋸片發(fā)燙；e.人坐在火爐旁取暖；f.用打氣筒給自行車輪胎打氣后，打氣筒變熱．其中屬于做功使物體內能改變的是________；屬于熱傳遞使物體內能改變的是________．答案adfbce一、功與內能的改變導學探究(1)在焦耳的許多實驗中，有兩個最具有代表性：一個實驗是重物下落時帶動葉片轉動，攪拌容器中的水，水由于摩擦而溫度上升；另一個實驗是通過電流的熱效應給液體加熱．焦耳的這兩個實驗說明了什么問題？圖1(2)如圖1，在有機玻璃筒底放少量的硝化棉(燃點較低)，迅速壓下活塞，觀察硝化棉的變化．①你能看到什么現(xiàn)象？實驗現(xiàn)象說明了什么？②圖中用力按壓活塞時為什么一定要迅速？答案(1)絕熱過程中，外界對系統(tǒng)做的功僅由過程的始末狀態(tài)決定，與做功的具體過程和方式無關．(2)①可以看到硝化棉燃燒．實驗現(xiàn)象說明壓縮空氣做功，使空氣內能增大，達到硝化棉的燃點后引起硝化棉燃燒．②迅速按下活塞是為了減少熱傳遞，盡量創(chuàng)造一個絕熱條件．知識深化1．做功與內能變化的關系(1)做功改變物體內能的過程是其他形式的能(如機械能)與內能相互轉化的過程．(2)在絕熱過程中，外界對物體做功，則W>0，外界對物體做多少功，就有多少其他形式的能轉化為內能，物體的內能就增加多少；物體對外界做功，則W<0.物體對外界做多少功，就有多少內能轉化為其他形式的能，物體的內能就減少多少．2．功與內能的區(qū)別(1)功是過程量，內能是狀態(tài)量．(2)物體的內能大，并不意味著做功多．在絕熱過程中，只有內能變化越大時，相應地做功才越多．特別提醒(1)外界對某一系統(tǒng)做功時系統(tǒng)的內能不一定增加，還要看該系統(tǒng)有沒有向外放熱，以及向外放熱的多少．(2)在絕熱過程中，做功一定能引起內能的變化．在絕熱過程中，系統(tǒng)內能的增加量等于外界對系統(tǒng)所做的功．如圖2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．今對活塞施加一豎直向下的壓力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容器壁間的摩擦力，則被密封的氣體()圖2A．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，內能增加答案C解析向下壓活塞，活塞對氣體做功，氣體的內能增加，溫度升高，氣體的體積減小，可得出氣體的壓強增大，故選項C正確．二、熱與內能的改變導學探究(1)用鐵錘反復敲擊鐵棒，鐵棒的溫度會升高，把鐵棒放在炭火上燒，鐵棒的溫度也會升高，這說明了什么問題？(2)如圖3所示是熱傳遞的三種方式——傳導、對流和輻射．圖3①這三種方式在傳遞能量時有什么共同點？②熱傳遞和做功都可以改變物體的內能，這兩種方式在改變物體內能時本質上又有什么不同？答案(1)說明做功和熱傳遞都能改變物體的內能．(2)①三種方式都是熱量從一個物體傳遞到另一個物體．②熱傳遞是內能在物體間(或一個物體的不同部分之間)轉移，做功是其他形式的能和內能之間的轉化．知識深化1．在單純傳熱的過程中，系統(tǒng)從外界吸收多少熱量，系統(tǒng)的內能就增加多少；系統(tǒng)向外界放出多少熱量，系統(tǒng)的內能就減少多少．即ΔU＝U2－U1＝Q.2．傳熱改變物體內能的過程是不同物體之間(或同一物體不同部分之間)內能的轉移．3．熱傳遞與物體的內能的多少無關，只與兩個物體(或一個物體的兩部分)的溫度差有關，熱量總是從高溫物體自發(fā)地傳遞到低溫物體．(多選)下列關于熱傳遞的說法正確的是()A．熱量是從含熱量較多的物體傳到含熱量較少的物體B．熱量是從溫度較高的物體傳到溫度較低的物體C．熱量是從內能較多的物體傳到內能較少的物體D．熱量是熱傳遞過程中物體內能變化的量度答案BD解析熱量不是狀態(tài)量，不能說含有或者具有多少熱量，故選項A錯誤；在熱傳遞的過程中熱量總是由溫度高的物體傳遞給溫度低的物體，故選項B正確，C錯誤；熱量是熱傳遞過程中物體內能變化的量度，故選項D正確．在以下事例中，通過熱傳遞的方式來改變物體內能的是()A．兩小球碰撞后粘合起來，同時溫度升高B．冬天暖氣為房間供暖C．點燃的爆竹在空中爆炸D．汽車的車輪與地面相互摩擦發(fā)熱答案B解析改變內能的方式有兩種：做功和熱傳遞，熱傳遞指內能的轉移，而不是其他形式的能轉化為內能，兩小球碰撞后粘在一起，溫度升高，是機械能轉化為內能，故A錯誤；冬天暖氣為房間供暖，是通過熱傳遞的方式來改變物體內能的，故B正確；點燃的爆竹在空中爆炸，是化學能轉化為內能，故C錯誤；車輪與地面摩擦生熱，是機械能轉化為內能，故D錯誤．三、內能和相關概念的辨析1．熱量和內能(1)內能是由系統(tǒng)的狀態(tài)決定的，狀態(tài)確定，系統(tǒng)的內能也隨之確定．要使系統(tǒng)的內能發(fā)生變化，可以通過熱傳遞和做功兩種方式來完成．(2)熱量是熱傳遞過程中的特征物理量，熱量只是反映物體在狀態(tài)變化過程中所轉移的能量，是用來衡量物體內能變化的，有過程，才有變化，離開過程，毫無意義．(3)對某一狀態(tài)而言，只有“內能”，不存在“熱量”和“功”．不能說一個系統(tǒng)中含有多少熱量．2．熱量與溫度：熱量是系統(tǒng)的內能變化的量度，而溫度是系統(tǒng)內大量分子做無規(guī)則運動劇烈程度的標志．熱傳遞的前提條件是兩個系統(tǒng)之間要有溫度差，傳遞的是熱量而不是溫度．3．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)系做一定量的功和傳遞相同量的熱量在改變內能的效果上是相同的關于溫度、熱量、功和內能，以下說法正確的是()A．同一物體溫度高時，含有的熱量多B．物體的內能越大，含有的熱量就越多，溫度也越高C．外界對系統(tǒng)做功W，內能必定增加D．兩物體之間發(fā)生熱傳遞的條件是存在溫度差答案D解析熱量是一個過程量，是物體間進行熱傳遞時內能的轉移量，不能說物體含有多少熱量，故A、B錯；由于做功和熱傳遞都可引起系統(tǒng)內能的變化，只根據(jù)做功無法準確判斷系統(tǒng)內能的變化，故C錯；物體間發(fā)生熱傳遞的條件是存在溫度差，故D對．1.(功與內能的改變)如圖4所示，在大口的玻璃瓶內裝一些水，水的上方有水蒸氣．然后用一與打氣筒相連的活塞密閉瓶口，并給瓶內打氣，當打到某一狀態(tài)時，瓶塞會跳起來．當瓶塞跳起時，我們會看到瓶內出現(xiàn)了“白霧”．對于“白霧”的形成，下列說法正確的是()圖4A．這些“白霧”是當瓶塞跳起后外界的水蒸氣在瓶口遇冷形成的小水珠B．這是打氣筒向瓶內打進去的水蒸氣C．這是瓶內的水向外膨脹形成的水霧D．瓶內空氣推動瓶塞做功，空氣的內能減小，溫度降低，使水蒸氣液化形成小水滴答案D解析當用打氣筒向瓶內打氣時，外界對系統(tǒng)做功，使系統(tǒng)的內能增加，溫度升高，壓強增大，使瓶塞從瓶口中噴出．形成“白霧”的原因是，在塞子突然跳起時，氣體絕熱膨脹對外做功，內能減少，溫度下降，水蒸氣有一部分被液化成小水滴，故選項D正確．2．(熱與內能的改變)下列例子中通過熱傳遞改變物體內能的是()A．用砂輪磨刀具的時候，刀具的溫度升高B．灼熱的火爐使周圍物體的溫度升高C．手感到冷時，搓搓手就會覺得暖和些D．擦火柴時，火柴頭上的易燃物質燃燒起來答案B3．(溫度、熱量、功和內能的關系)(2019·長沙市模擬)下列說法正確的是()A．熱量和功是由過程決定的，而內能是由物體狀態(tài)決定的B．外界對物體做功，物體的內能一定增大C．物體吸收熱量，溫度一定升高D．熱量總是由內能大的物體流向內能小的物體答案A解析熱量和功是過程量，內能是狀態(tài)量，故A選項正確；引起物體內能的變化有做功和熱傳遞兩種途徑，單就一個方面不足以斷定其內能的變化，故B選項錯誤；在晶體熔化和液體沸騰過程中，物體要不斷地吸收熱量，但物體的溫度不變，這時內能的增加主要表現(xiàn)在內部分子勢能的增加，故C選項錯誤；兩物體之間熱量的流向只與它們的溫度有關，與它們內能的大小無關，故D選項錯誤．4.(功與內能的改變)如圖5所示，一個質量為20kg的絕熱汽缸豎直放置，絕熱活塞的質量為5kg，面積為0.1m2，處于靜止狀態(tài)時被封閉氣體的高度為50cm，現(xiàn)在活塞上方加一15kg的物體，待穩(wěn)定后，被封閉氣體的高度變?yōu)?0cm.求在這一過程中氣體的內能增加了多少？(p0＝1.01×105Pa，g取10m/s2)圖5答案1030J解析由于汽缸及活塞均絕熱，故外界對氣體所做的功全部轉化為氣體的內能，即ΔU＝W外＝(m活塞＋m物體)gΔh＋p0SΔh＝(5＋15)×10×0.1J＋1.01×105×0.1×0.1J＝1030J.考點一焦耳的實驗1．(多選)如圖1為焦耳實驗裝置示意圖，用絕熱性能良好的材料制作容器，重物下落時帶動葉片轉動，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1A．該裝置可測定做功和內能變化的關系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)別答案AC解析該實驗測定做功和內能變化的關系，故選項A正確；該實驗是絕熱過程，沒有熱傳遞，水內能的改變是由于做功，故選項C正確；做功表示能量的轉化，而熱量表示熱傳遞中內能的轉移，二者有區(qū)別，故選項B、D錯誤．2．如圖2所示是焦耳在研究熱與功之間關系的兩個典型實驗，那么從焦耳的這兩個實驗中可得出的結論是()圖2A．熱量可由高溫物體傳給低溫物體B．機械能守恒C．在各種不同的絕熱過程中，系統(tǒng)狀態(tài)的改變與做功的方式無關，僅與做功數(shù)量有關D．在各種不同的絕熱過程中，系統(tǒng)狀態(tài)的改變不僅與做功方式有關，還與做功數(shù)量有關答案C解析焦耳通過多次實驗，最后得到的結論是，在各種不同的絕熱過程中，系統(tǒng)狀態(tài)的改變與做功方式無關，僅與做功數(shù)量有關，故選項C正確，其余選項均不是焦耳實驗的結論．考點二功與內能的改變3．(多選)一定質量的氣體封閉在絕熱的汽缸內，當用活塞壓縮氣體時，一定增大的物理量有(不計氣體分子勢能)()A．氣體體積 B．氣體分子密度C．氣體內能 D．氣體分子的平均動能答案BCD解析絕熱過程外界對系統(tǒng)做功，氣體內能增加，溫度升高，分子平均動能增加，C、D正確；壓縮氣體，氣體體積減小，而氣體質量一定，故氣體分子密度增大，A錯誤，B正確．4.如圖3所示，活塞將汽缸分成甲、乙兩氣室，汽缸、活塞(連同拉桿)是絕熱的，且不漏氣．以E甲、E乙分別表示甲、乙兩氣室中氣體的內能，則在將拉桿緩慢向左拉的過程中()圖3A．E甲不變，E乙減小 B．E甲不變，E乙增大C．E甲增大，E乙不變 D．E甲增大，E乙減小答案D解析由題意可知甲、乙兩氣室氣體都經(jīng)歷絕熱過程，內能的改變取決于做功的情況．對甲室內的氣體，在拉桿緩慢向左拉的過程中，活塞左移，壓縮氣體，外界對甲室內的氣體做功，其內能應增大；對乙室內的氣體，活塞左移，氣體膨脹，乙室內的氣體對外界做功，內能應減?。瓺正確5.如圖4為某種椅子與其升降部分的結構示意圖．M、N兩筒間密閉了一定質量的氣體，M可沿N的內壁上下滑動，設筒內氣體不與外界發(fā)生熱交換，在M向下滑動的過程中()圖4A．外界對氣體做功，氣體內能增大B．外界對氣體做功，氣體內能減小C．氣體對外界做功，氣體內能增大D．氣體對外界做功，氣體內能減小答案A解析筒內氣體不與外界發(fā)生熱交換，當M向下滑動時，筒內氣體體積變小，外界對氣體做功，使氣體的內能增大，故A正確．考點三熱與內能的改變6.如圖5所示，太陽能熱水器是一種能夠將太陽的光能轉化為內能的裝置．這種裝置可以使裝置內的水溫度升高，這種改變水的內能的方式是()圖5A．做功B．熱傳遞C．既有做功也有熱傳遞D．電流的熱效應答案B解析太陽能熱水器是通過熱傳遞的方式將水加熱，故選項B正確．7．關于熱傳遞，下列說法正確的是()A．熱傳遞的實質是溫度的傳遞B．物體間存在溫度差，才能發(fā)生熱傳遞C．熱傳遞可以在任何情況下進行D．物體內能發(fā)生改變，一定是吸收或放出了熱量答案B解析熱傳遞的實質是物體間能量的轉移，故A錯誤；熱傳遞的條件是物體間存在溫度差，高溫物體放出熱量，低溫物體吸收熱量，若兩物體溫度相同，它們之間便不會發(fā)生熱傳遞，故B正確，C錯誤；物體吸收或放出熱量，內能會發(fā)生變化，但內能變化不一定是熱傳遞引起的，也可能是做功引起的，故D錯誤．8．(多選)在外界不做功的情況下，物體的內能增加了50J，下列說法正確的是()A．一定是物體放出了50J的熱量B．一定是物體吸收了50J的熱量C．一定是物體分子動能增加了50JD．物體分子的平均動能可能不變答案BD解析在外界不做功的情況下，內能的改變量等于傳遞的熱量，內能增加50J，一定是吸收了50J的熱量，故A錯，B對；物體內能包括所有分子的動能和勢能，內能由分子數(shù)、分子平均動能、分子勢能共同決定，所以內能增加了50J并不一定是分子動能增加了50J，物體分子的平均動能有可能不變，這時吸收的50J熱量全部用來增加分子勢能，故C錯，D對．9．(多選)對于熱量、功和內能三個量，下列說法正確的是()A．熱量、功和內能三個量的物理意義是等同的B．熱量和功二者可作為物體內能大小的量度C．熱量、功和內能的國際單位都相同D．熱量和功是由過程決定的，而內能是由物體的狀態(tài)決定的答案CD解析熱量、功和內能的國際單位都是焦耳，但熱量、功和內能三個量的物理意義是不同的，熱量和功是過程量，內能是狀態(tài)量，熱量和功二者可作為物體內能變化的量度而不是內能大小的量度．故A、B錯誤，C、D正確．10．關于物體的內能和熱量，下列說法正確的是()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．內能相等的兩個物體相互接觸時，也可能發(fā)生熱傳遞答案D解析物體的內能由溫度、體積、物質的量及物態(tài)決定，不是只由溫度決定，A、B錯誤；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，也可以在內能相等的兩物體之間進行熱傳遞，C錯誤，D正確．11．(多選)關于物體的內能，下列說法正確的是()A．夏天從室內冰箱里取一杯水去曬太陽，過一段時間水的溫度升高，這是通過熱傳遞的方式改變物體的內能B．熱傳遞可以改變物體的內能C．做功可以改變物體的內能D．一塊0℃的冰熔化成0℃的水，內能減小答案ABC解析曬太陽使溫度較低的水升溫，是通過熱傳遞的方式改變物體的內能，故選項A正確；物體吸收熱量，內能增大，放出熱量，內能減小，所以熱傳遞可以改變物體的內能，故選項B正確；物體對外做功，物體的內能減小，外界對物體做功，物體的內能增大，所以做功可以改變物體的內能，故選項C正確；冰熔化成水，吸收熱量，內能增大，故選項D錯誤．12．(多選)用手不斷地在同一地方反復彎折細鐵絲，鐵絲被折斷時，斷口很燙手，這說明()A．鐵絲不從外界吸收熱量，溫度也能升高B．對物體做功，也能使物體內能增加C．做功和熱傳遞是等效的D．機械功可以轉化成熱量，鐵絲吸收了熱量，溫度升高答案AB解析反復彎折細鐵絲的過程就是一個外力對鐵絲做功的過程，這將使鐵絲的內能增加，內能增加的宏觀表現(xiàn)就是鐵絲的溫度升高．這里并沒有涉及熱傳遞的過程，故A、B正確，C錯誤．做功轉化的是能，在這里轉化的是內能，而不是一個作為過程量的熱量，故D錯誤．13．(多選)夏季，長春市的天氣溫差比較大，充足氣的車胎經(jīng)過正午陽光的暴曬容易爆胎．若車胎內的氣體可視為理想氣體，爆胎前車胎內氣體體積及質量均不變，爆胎過程時間極短．關于車胎內的氣體，下列說法正確的是()A．爆胎前隨著氣溫的