高中人教版 (2019)第三章 热力学定律1 功、热和内能的改变学案

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[学习目标] 1.了解焦耳的两个实验的原理，知道做功和传热的实质.2.知道做功和传热是改变内能的两种方式，理解做功和传热对改变系统内能是等效的，明确两种方式的区别.3.明确内能、功、热量、温度四个物理量的区别和联系．
一、焦耳的实验
1．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)重物下落时带动叶片转动，搅拌容器中的水，水由于摩擦而温度上升．
(2)通过电流的热效应给液体加热．
3．实验结论：在热力学系统的绝热过程中，外界对系统做的功仅由过程的始末两个状态决定，不依赖于做功的具体过程和方式．
4．内能：只依赖于热力学系统自身状态的物理量．
二、功与内能的改变
1．功与内能的改变
在热力学系统的绝热过程中，当系统从状态1经过绝热过程达到状态2时，内能的变化量ΔU＝U2－U1，等于外界对系统所做的功W，即ΔU＝W.
2．理解
(1)ΔU＝W的适用条件是绝热过程．
(2)在绝热过程中：外界对系统做功，系统的内能增加；系统对外做功，系统的内能减少．
三、热与内能的改变
1．传热
(1)条件：物体的温度不同．
(2)传热：热从高温物体传到了低温物体．
2．热和内能
(1)热量：在单纯的传热过程中系统内能变化的量度．
(2)热与内能的改变
当系统从状态1经过单纯的传热达到状态2时，内能的变化量ΔU＝U2－U1等于外界向系统传递的热量Q，即ΔU＝Q.
(3)传热与做功在改变系统内能上的异同．
①做功和传热都能引起系统内能的改变．
②做功时，内能与其他形式的能发生转化；传热只是不同物体(或一个物体的不同部分)之间内能的转移．
1．判断下列说法的正误．
(1)热量一定从内能多的物体传递给内能少的物体．( × )
(2)做功和热传递都可改变物体的内能，从效果上是等效的．( √ )
(3)在绝热过程中，外界对系统做的功小于系统内能的增加量．( × )
(4)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．各种方法使物体的内能发生改变：a.电炉通电后发热；b.一杯开水放在桌面上冷却；c.阳光照射下冰块融化；d.锯木头时，锯片发烫；e.人坐在火炉旁取暖；f.用打气筒给自行车轮胎打气后，打气筒变热．其中属于做功使物体内能改变的是________；属于热传递使物体内能改变的是________．
答案 adf bce
一、功与内能的改变
导学探究
(1)在焦耳的许多实验中，有两个最具有代表性：一个实验是重物下落时带动叶片转动，搅拌容器中的水，水由于摩擦而温度上升；另一个实验是通过电流的热效应给液体加热．焦耳的这两个实验说明了什么问题？
图1
(2)如图1，在有机玻璃筒底放少量的硝化棉(燃点较低)，迅速压下活塞，观察硝化棉的变化．
①你能看到什么现象？实验现象说明了什么？
②图中用力按压活塞时为什么一定要迅速？
答案 (1)绝热过程中，外界对系统做的功仅由过程的始末状态决定，与做功的具体过程和方式无关．
(2)①可以看到硝化棉燃烧．实验现象说明压缩空气做功，使空气内能增大，达到硝化棉的燃点后引起硝化棉燃烧．
②迅速按下活塞是为了减少热传递，尽量创造一个绝热条件．
知识深化
1．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，外界对物体做功，则W>0，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；物体对外界做功，则W<0.物体对外界做多少功，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．
2．功与内能的区别
(1)功是过程量，内能是状态量．
(2)物体的内能大，并不意味着做功多．在绝热过程中，只有内能变化越大时，相应地做功才越多．
特别提醒 (1)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向外放热，以及向外放热的多少．
(2)在绝热过程中，做功一定能引起内能的变化．在绝热过程中，系统内能的增加量等于外界对系统所做的功．
如图2所示，一定质量的理想气体密封在绝热(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．今对活塞施加一竖直向下的压力F，使活塞缓慢向下移动一段距离后，气体的体积减小．若忽略活塞与容器壁间的摩擦力，则被密封的气体( )
图2
A．温度升高，压强增大，内能减少
B．温度降低，压强增大，内能减少
C．温度升高，压强增大，内能增加
D．温度降低，压强减小，内能增加
答案 C
解析 向下压活塞，活塞对气体做功，气体的内能增加，温度升高，气体的体积减小，可得出气体的压强增大，故选项C正确．
二、热与内能的改变
导学探究
(1)用铁锤反复敲击铁棒，铁棒的温度会升高，把铁棒放在炭火上烧，铁棒的温度也会升高，这说明了什么问题？
(2)如图3所示是热传递的三种方式——传导、对流和辐射．
图3
①这三种方式在传递能量时有什么共同点？
②热传递和做功都可以改变物体的内能，这两种方式在改变物体内能时本质上又有什么不同？
答案 (1)说明做功和热传递都能改变物体的内能．
(2)①三种方式都是热量从一个物体传递到另一个物体．
②热传递是内能在物体间(或一个物体的不同部分之间)转移，做功是其他形式的能和内能之间的转化．
知识深化
1．在单纯传热的过程中，系统从外界吸收多少热量，系统的内能就增加多少；系统向外界放出多少热量，系统的内能就减少多少．即ΔU＝U2－U1＝Q.
2．传热改变物体内能的过程是不同物体之间(或同一物体不同部分之间)内能的转移．
3．热传递与物体的内能的多少无关，只与两个物体(或一个物体的两部分)的温度差有关，热量总是从高温物体自发地传递到低温物体．
(多选)下列关于热传递的说法正确的是( )
A．热量是从含热量较多的物体传到含热量较少的物体
B．热量是从温度较高的物体传到温度较低的物体
C．热量是从内能较多的物体传到内能较少的物体
D．热量是热传递过程中物体内能变化的量度
答案 BD
解析 热量不是状态量，不能说含有或者具有多少热量，故选项A错误；在热传递的过程中热量总是由温度高的物体传递给温度低的物体，故选项B正确，C错误；热量是热传递过程中物体内能变化的量度，故选项D正确．
在以下事例中，通过热传递的方式来改变物体内能的是( )
A．两小球碰撞后粘合起来，同时温度升高
B．冬天暖气为房间供暖
C．点燃的爆竹在空中爆炸
D．汽车的车轮与地面相互摩擦发热
答案 B
解析 改变内能的方式有两种：做功和热传递，热传递指内能的转移，而不是其他形式的能转化为内能，两小球碰撞后粘在一起，温度升高，是机械能转化为内能，故A错误；冬天暖气为房间供暖，是通过热传递的方式来改变物体内能的，故B正确；
点燃的爆竹在空中爆炸，是化学能转化为内能，故C错误；车轮与地面摩擦生热，是机械能转化为内能，故D错误．
三、内能和相关概念的辨析
1．热量和内能
(1)内能是由系统的状态决定的，状态确定，系统的内能也随之确定．要使系统的内能发生变化，可以通过热传递和做功两种方式来完成．
(2)热量是热传递过程中的特征物理量，热量只是反映物体在状态变化过程中所转移的能量，是用来衡量物体内能变化的，有过程，才有变化，离开过程，毫无意义．
(3)对某一状态而言，只有“内能”，不存在“热量”和“功”．不能说一个系统中含有多少热量．
2．热量与温度：热量是系统的内能变化的量度，而温度是系统内大量分子做无规则运动剧烈程度的标志．
热传递的前提条件是两个系统之间要有温度差，传递的是热量而不是温度．
3．改变内能的两种方式的比较
关于温度、热量、功和内能，以下说法正确的是( )
A．同一物体温度高时，含有的热量多
B．物体的内能越大，含有的热量就越多，温度也越高
C．外界对系统做功W，内能必定增加
D．两物体之间发生热传递的条件是存在温度差
答案 D
解析 热量是一个过程量，是物体间进行热传递时内能的转移量，不能说物体含有多少热量，故A、B错；由于做功和热传递都可引起系统内能的变化，只根据做功无法准确判断系统内能的变化，故C错；物体间发生热传递的条件是存在温度差，故D对．
1.(功与内能的改变)如图4所示，在大口的玻璃瓶内装一些水，水的上方有水蒸气．然后用一与打气筒相连的活塞密闭瓶口，并给瓶内打气，当打到某一状态时，瓶塞会跳起来．当瓶塞跳起时，我们会看到瓶内出现了“白雾”．对于“白雾”的形成，下列说法正确的是( )
图4
A．这些“白雾”是当瓶塞跳起后外界的水蒸气在瓶口遇冷形成的小水珠
B．这是打气筒向瓶内打进去的水蒸气
C．这是瓶内的水向外膨胀形成的水雾
D．瓶内空气推动瓶塞做功，空气的内能减小，温度降低，使水蒸气液化形成小水滴
答案 D
解析 当用打气筒向瓶内打气时，外界对系统做功，使系统的内能增加，温度升高，压强增大，使瓶塞从瓶口中喷出．形成“白雾”的原因是，在塞子突然跳起时，气体绝热膨胀对外做功，内能减少，温度下降，水蒸气有一部分被液化成小水滴，故选项D正确．
2．(热与内能的改变)下列例子中通过热传递改变物体内能的是( )
A．用砂轮磨刀具的时候，刀具的温度升高
B．灼热的火炉使周围物体的温度升高
C．手感到冷时，搓搓手就会觉得暖和些
D．擦火柴时，火柴头上的易燃物质燃烧起来
答案 B
3．(温度、热量、功和内能的关系)(2019·长沙市模拟)下列说法正确的是( )
A．热量和功是由过程决定的，而内能是由物体状态决定的
B．外界对物体做功，物体的内能一定增大
C．物体吸收热量，温度一定升高
D．热量总是由内能大的物体流向内能小的物体
答案 A
解析 热量和功是过程量，内能是状态量，故A选项正确；引起物体内能的变化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化，故B选项错误；在晶体熔化和液体沸腾过程中，物体要不断地吸收热量，但物体的温度不变，这时内能的增加主要表现在内部分子势能的增加，故C选项错误；两物体之间热量的流向只与它们的温度有关，与它们内能的大小无关，故D选项错误．
4.(功与内能的改变)如图5所示，一个质量为20 kg的绝热汽缸竖直放置，绝热活塞的质量为5 kg，面积为0.1 m2，处于静止状态时被封闭气体的高度为50 cm，现在活塞上方加一15 kg的物体，待稳定后，被封闭气体的高度变为40 cm.求在这一过程中气体的内能增加了多少？(p0＝1.01×105 Pa，g取10 m/s2)
图5
答案 1 030 J
解析 由于汽缸及活塞均绝热，故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.
考点一 焦耳的实验
1．(多选)如图1为焦耳实验装置示意图，用绝热性能良好的材料制作容器，重物下落时带动叶片转动，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( )
图1
A．该装置可测定做功和内能变化的关系
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 该实验测定做功和内能变化的关系，故选项A正确；该实验是绝热过程，没有热传递，水内能的改变是由于做功，故选项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，故选项B、D错误．
2．如图2所示是焦耳在研究热与功之间关系的两个典型实验，那么从焦耳的这两个实验中可得出的结论是( )
图2
A．热量可由高温物体传给低温物体
B．机械能守恒
C．在各种不同的绝热过程中，系统状态的改变与做功的方式无关，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 焦耳通过多次实验，最后得到的结论是，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，其余选项均不是焦耳实验的结论．
考点二 功与内能的改变
3．(多选)一定质量的气体封闭在绝热的汽缸内，当用活塞压缩气体时，一定增大的物理量有(不计气体分子势能)( )
A．气体体积 B．气体分子密度
C．气体内能 D．气体分子的平均动能
答案 BCD
解析 绝热过程外界对系统做功，气体内能增加，温度升高，分子平均动能增加，C、D正确；压缩气体，气体体积减小，而气体质量一定，故气体分子密度增大，A错误，B正确．
4.如图3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( )
图3
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
答案 D
解析 由题意可知甲、乙两气室气体都经历绝热过程，内能的改变取决于做功的情况．对甲室内的气体，在拉杆缓慢向左拉的过程中，活塞左移，压缩气体，外界对甲室内的气体做功，其内能应增大；对乙室内的气体，活塞左移，气体膨胀，乙室内的气体对外界做功，内能应减小．D正确
5.如图4为某种椅子与其升降部分的结构示意图．M、N两筒间密闭了一定质量的气体，M可沿N的内壁上下滑动，设筒内气体不与外界发生热交换，在M向下滑动的过程中( )
图4
A．外界对气体做功，气体内能增大
B．外界对气体做功，气体内能减小
C．气体对外界做功，气体内能增大
D．气体对外界做功，气体内能减小
答案 A
解析 筒内气体不与外界发生热交换，当M向下滑动时，筒内气体体积变小，外界对气体做功，使气体的内能增大，故A正确．
考点三 热与内能的改变
6.如图5所示，太阳能热水器是一种能够将太阳的光能转化为内能的装置．这种装置可以使装置内的水温度升高，这种改变水的内能的方式是( )
图5
A．做功
B．热传递
C．既有做功也有热传递
D．电流的热效应
答案 B
解析 太阳能热水器是通过热传递的方式将水加热，故选项B正确．
7．关于热传递，下列说法正确的是( )
A．热传递的实质是温度的传递
B．物体间存在温度差，才能发生热传递
C．热传递可以在任何情况下进行
D．物体内能发生改变，一定是吸收或放出了热量
答案 B
解析 热传递的实质是物体间能量的转移，故A错误；热传递的条件是物体间存在温度差，高温物体放出热量，低温物体吸收热量，若两物体温度相同，它们之间便不会发生热传递，故B正确，C错误；物体吸收或放出热量，内能会发生变化，但内能变化不一定是热传递引起的，也可能是做功引起的，故D错误．
8．(多选)在外界不做功的情况下，物体的内能增加了50 J，下列说法正确的是( )
A．一定是物体放出了50 J的热量
B．一定是物体吸收了50 J的热量
C．一定是物体分子动能增加了50 J
D．物体分子的平均动能可能不变
答案 BD
解析 在外界不做功的情况下，内能的改变量等于传递的热量，内能增加50 J，一定是吸收了50 J的热量，故A错，B对；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并不一定是分子动能增加了50 J，物体分子的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，故C错，D对．
9．(多选)对于热量、功和内能三个量，下列说法正确的是( )
A．热量、功和内能三个量的物理意义是等同的
B．热量和功二者可作为物体内能大小的量度
C．热量、功和内能的国际单位都相同
D．热量和功是由过程决定的，而内能是由物体的状态决定的
答案 CD
解析 热量、功和内能的国际单位都是焦耳，但热量、功和内能三个量的物理意义是不同的，热量和功是过程量，内能是状态量，热量和功二者可作为物体内能变化的量度而不是内能大小的量度．故A、B错误，C、D正确．
10．关于物体的内能和热量，下列说法正确的是( )
A．热水的内能比冷水的内能多
B．温度高的物体其热量必定多，内能必定大
C．在热传递过程中，内能大的物体其内能将减小，内能小的物体其内能将增大，直到两物体的内能相等
D．内能相等的两个物体相互接触时，也可能发生热传递
答案 D
解析 物体的内能由温度、体积、物质的量及物态决定，不是只由温度决定，A、B错误；在热传递过程中，热量由高温物体传给低温物体，而与物体的内能大小无关，所以完全有可能是内能大的物体内能继续增大，内能小的物体内能继续减小，也可以在内能相等的两物体之间进行热传递，C错误，D正确．
11．(多选)关于物体的内能，下列说法正确的是( )
A．夏天从室内冰箱里取一杯水去晒太阳，过一段时间水的温度升高，这是通过热传递的方式改变物体的内能
B．热传递可以改变物体的内能
C．做功可以改变物体的内能
D．一块0 ℃的冰熔化成0 ℃的水，内能减小
答案 ABC
解析 晒太阳使温度较低的水升温，是通过热传递的方式改变物体的内能，故选项A正确；物体吸收热量，内能增大，放出热量，内能减小，所以热传递可以改变物体的内能，故选项B正确；物体对外做功，物体的内能减小，外界对物体做功，物体的内能增大，所以做功可以改变物体的内能，故选项C正确；冰熔化成水，吸收热量，内能增大，故选项D错误．
12．(多选)用手不断地在同一地方反复弯折细铁丝，铁丝被折断时，断口很烫手，这说明( )
A．铁丝不从外界吸收热量，温度也能升高
B．对物体做功，也能使物体内能增加
C．做功和热传递是等效的
D．机械功可以转化成热量，铁丝吸收了热量，温度升高
答案 AB
解析 反复弯折细铁丝的过程就是一个外力对铁丝做功的过程，这将使铁丝的内能增加，内能增加的宏观表现就是铁丝的温度升高．这里并没有涉及热传递的过程，故A、B正确，C错误．做功转化的是能，在这里转化的是内能，而不是一个作为过程量的热量，故D错误．
13．(多选)夏季，长春市的天气温差比较大，充足气的车胎经过正午阳光的暴晒容易爆胎．若车胎内的气体可视为理想气体，爆胎前车胎内气体体积及质量均不变，爆胎过程时间极短．关于车胎内的气体，下列说法正确的是( )
A．爆胎前随着气温的升高，车胎内气体压强增大
B．爆胎前随着气温的升高，车胎内气体吸收热量，内能增大
C．爆胎过程中，车胎内气体对外做功，内能减小
D．爆胎过程中，车胎内气体分子平均动能不变
答案 ABD
解析 爆胎前气体体积不变，温度升高时，压强增大，内能增大，A、B正确；爆胎过程时间极短，气体来不及与外界热交换，其体积膨胀对外做功，则气体内能减小，温度降低，气体分子平均动能减小，故C正确，D错误．
14．如图6所示，A、B是两个完全相同的球，分别浸没在水和水银的同一深度处，A、B两球用同一种材料制成，当温度稍微升高时，球的体积会明显变大，如果开始水和水银的温度相同，且两液体温度同时缓慢升高到同一值，两球膨胀后，体积相等，则( )
图6
A．A球吸收的热量较多
B．B球吸收的热量较多
C．两球吸收的热量一样多
D．无法确定
答案 B
解析 A、B两球升高同样的温度，体积变化又相同，则二者内能的变化相同，而B球是处在水银中的，B球膨胀时受到的压力大，对外做功多，因此B球吸收的热量较多一些，B正确．
15.(1)某同学做了一个小实验：先把空的烧瓶放入冰箱冷冻，一小时后取出烧瓶，并迅速把一个气球紧密地套在瓶颈上，然后将烧瓶放进盛满热水的烧杯里，气球逐渐膨胀起来，如图7所示．这是因为烧瓶里的气体吸收了水的____________，温度____________，体积________．
(2)若只对一定质量的理想气体做1 500 J的功，可使其温度升高5 K．若改成只用热传递的方式，使气体温度同样升高5 K，那么气体吸收________ J的热量．如果对该气体做了2 000 J的功，使其温度升高了5 K，表明在该过程中，气体还________(选填“吸收”或“放出”)________J的热量．
图7
答案 (1)热量 升高 增大 (2)1 500 放出 500
解析 (1)烧瓶内的气体要从热水中吸收热量，温度升高，体积增大．
(2)做功和热传递都可以改变物体的内能，且是等效的．比较项目
做功
热传递
内能变化
外界对物体做功，物体的内能增加；物体对外界做功，物体的内能减少
物体吸收热量，内能增加；物体放出热量，内能减少
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
做一定量的功和传递相同量的热量在改变内能的效果上是相同的