【同步讲义】（人教版2019）高中物理选修第三册--3.1 功、热和内能的改变 讲义

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3.1功、热和内能的改变基础导学要点一、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。要点二、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。要点三、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。 要点突破突破一：功和内能的关系1．内能与内能变化(1)物体的内能是指物体内所有分子热运动的动能和分子势能之和．(2)当物体温度变化时，分子平均动能变化．物体体积变化时，分子势能发生变化，即物体的内能是由它的状态决定的，且物体的内能变化只由初、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，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．3．功和内能的区别(1)功是过程量，内能是状态量．(2)在绝热过程中，做功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，只有内能变化越大时，对应着做功越多．突破二：热和内能的关系1．热传递(1)热传递的三种方式：热传导、热对流和热辐射．(2)热传递的条件：存在温度差．2．热传递改变物体的内能的实质内能从一个物体转移到另一个物体或者从一个物体的高温部分转移到低温部分，在这个过程中，吸收热量的物体内能增加；放出热量的物体内能减少，内能转移的多少由热量来量度，即ΔU＝Q.3．做功和传热在改变物体内能上的区别与联系比较项目做功传热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的不同部分之间内能的转移相互联系做一定量的功或传递一定量的热量在改变内能的效果上是相同的 突破三：“温度”“热量”“功”“内能”四个量之间的区别与联系 比较项区别联系热量和内能热量是传热过程中的物理量．热量对应状态变化的过程，而内能对应一个状态状态确定，系统的内能也随之确定，要使系统的内能发生变化，可以通过传热和做功两种方式来完成热量和温度热量是系统内能变化的量度，而温度是系统内部大量分子做无规则热运动的激烈程度的标志．虽然传热的前提是两个系统之间要有温度差，但是传递的是热量，不是温度传热过程中放出的热量多少与温度差有一定的关系热量和功用做功来改变系统的内能，是系统内分子随整体的有序运动转化为另一系统的分子的无规则运动的过程，是机械能或其他形式的能和内能之间的转化过程．用传热来改变系统的内能，是将分子的无规则运动从一个系统转移到另一个系统，这种转移就是系统间内能转换的过程热量和功都是系统内能变化的量度，都是过程量，一定量的热量还与一定量的功相当，热量可以通过系统转化为功，功也可以通过系统转化为热量  典例精析 题型一：对内能的理解例一．关于物体的内能，以下说法正确的是(　　)A．物体的内能和物体的机械能是一回事B．当物体的机械能为零时，其内能一定不为零C．温度是物体内能的标志         D．内能指某个分子的动能和势能之和解析：　物体内能是所有分子无规则热运动所具有的分子总动能和分子相互作用所具有的分子总势能之和，内能和物体有无机械能没有关系．因此A项不正确．温度是分子平均动能的标志．所以C项不正确．内能是物体所有分子动能和势能之和，所以D项不正确．答案为B.答案：　B【反思总结】　物体的内能是指物体内所有分子的动能与分子势能之和，在微观上与分子数、分子热运动剧烈程度和分子间距离有关，宏观上与质量、温度和体积有关，是一个状态量． 变式迁移1：关于系统内能的下列说法中正确的是(　　)A．物体内所有分子的动能与分子势能的总和叫物体的内能B．一个物体当它的机械能发生变化时，其内能也一定发生变化C．外界对系统做了多少功W，系统的内能就增加多少，即ΔU＝WD．系统从外界吸收了多少热量Q，系统的内能就增加多少，即ΔU＝Q解析：　在分子动理论中，我们把物体内所有分子的动能与分子势能的总和定义为物体的内能，A对．物体的内能与机械能是两个不同的物理概念，两者没有什么关系，如物体的速度增加了，机械能可能增加，但如果物体的温度不变，物体的内能就可能不变，故B错．只有当系统与外界绝热时，外界对系统做的功才等于系统内能的增量，同理，只有在单纯的热传递过程中，系统吸收(或放出)的热量才等于系统内能的增量(或减量)，故C、D错．答案：　A 题型二：做功和内能变化例二．如图所示，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，则在将拉杆缓慢向外拉的过程中(　　)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乙减小思路点拨：　绝热过程只有做功改变物体的内能，外界对气体做功，内能增加；气体对外界做功，内能减少．解析：　接触面是绝热面，拉动拉杆，对乙部分气体来讲，气体推动活塞对活塞做功，内能减小，温度降低；对甲部分气体来讲，活塞压缩气体做功，内能增加．答案为D.答案：　D【反思总结】　分析绝热过程的方法(1)在绝热的情况下，若外界对系统做正功，系统内能增加，ΔU为正；若系统对外界做正功，系统内能减少，ΔU为负值，此过程做功的多少为转化为内能多少的量度．(2)在绝热过程中，内能和其他形式的能一样也是状态量，气体的初、末状态确定了，即在初、末状态的内能也相应地确定了，内能的变化ΔU也确定了，而功是能量转化的量度，所以ΔU＝W，即W为恒量，这也是判断绝热过程的一种方法． 变式迁移2：一定质量的气体经历一缓慢的绝热膨胀过程．设气体分子间的势能可忽略，则在此过程中(　　)A．外界对气体做功，气体分子的平均动能增加B．外界对气体做功，气体分子的平均动能减少C．气体对外界做功，气体分子的平均动能增加D．气体对外界做功，气体分子的平均动能减少解析：　绝热过程是指气体膨胀过程未发生热传递，膨胀过程气体体积增大，外界对气体做的功W<0，由ΔU＝U2－U1＝W可知，气体内能减小．由于气体分子间的势能忽略，故气体分子的平均动能减小．故D正确．答案：　D题型三：热传递与物体内能的变化例三．关于物体的内能和热量，下列说法中正确的是(　　)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．热量是热传递过程中内能转移的量度解析：　物体的内能由温度、体积、及物体的质量决定，不只由温度决定，故A、B错；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，所以完全有可能内能大的物体的内能继续增大，内能小的物体的内能继续减小，故C项错；关于热量的论述，D项是正确的．答案：　D【反思总结】　做功和热传递是改变物体内能的两种方式，功和热量是内能变化的量度，注意它们之间的联系和区别． 变式迁移3：关于热量和物体内能变化的关系下列说法正确的是(　　)A．物体吸收热量内能一定增大B．物体的内能增大一定是吸收了热量C．热量可以从内能小的物体向内能大的物体传递D．热量只能从内能大的物体向内能小的物体传递 解析：　改变物体的内能有两种方式，做功和热传递，物体吸收热量的同时如果物体对外做了功，内能不一定增大，故A错，同理物体内能增大也可能是外界对物体做功引起的．故B选项错．物体间发生热传递的条件是存在温度差，而物体内能的大小不仅与温度有关，还与物质的量和体积有关，内能小的物体温度如果比内能大的物体温度高，热量就会从内能小的物体向内能大的物体传递．故C选项正确D选项错误．答案：　C   强化训练一、选择题1、关于晶体和非晶体及分子势能，以下说法错误的是（　　）A．气体对外做功，其内能可能增加B．烧热的针尖接触涂有蜂蜡薄层的云母片背面，熔化的蜂蜡呈椭圆形，说明蜂蜡是晶体C．分子势能可能随分子间距离的增加而增加D．在合适的条件下，某些晶体可以转变为非晶体，某些非晶体也可以转变为晶体【答案】B【解析】A．内能改变两种方式，做功和热传递，由于未说明传热情况，故内能可能增加，A选项不合题意，故A错误；B．烧热的针尖接触涂有蜂蜡薄层的云母片背面，说明云母片导热各向异性，所以云母片是晶体，而非蜂蜡，B选项符合题意，故B正确；C．当时，间距增大，分子力做负功，分子势能增大，C选项不合题意，故C错误；D．晶体和非晶体可以相互转变，比如天然的水晶是晶体，而熔融后的玻璃是非晶体，D选项不合题意，故D错误。故选B。2、关于温度和内能的理解，下列说法中正确的是(    ).A．温度是分子平均动能的标志，物体温度升高，则物体每一个分子的动能都增大B．不计分子之间的分子势能，质量和温度相同的氢气和氧气具有相同的内能C．1g100℃水的内能小于1g100℃水蒸气的内能D．做功和热传递对改变物体内能是等效的，也就是说做功和热传递的实质是相同的【答案】C【解析】试题分析：内能是指物体内部所有分子做无规则运动所具有的动能和分子势能的总和，做功和热传递是改变内能的两种方式．并且做功和热传递对改变内能是等效的．温度是物体的分子热运动平均动能的标志，温度越高，分子平均动能越大．温度是分子平均动能的标志，物体温度升高分子的平均动能增加，则不是每一个分子的动能都增大，A错误；质量相等的氢气和氧气，温度相同，分子的平均动能相同，而氢气的分子数多，则氢气的内能较大，B错误；水变成水蒸气要吸热，则同质量水的内能小于水蒸气的内能，C正确；做功和热传递对改变物体内能是等效的，但实质不同，做功是其他能和内能的转化，热传递是内能的转移，D错误；3、关于内能，以下说法正确的是（　　）A．做功和热传递在改变物体内能的效果上是等效的B．只要物体的温度不变，它的内能就不变C．每个分子的内能等于这个分子的势能和动能的总和D．焦耳通过大量实验提出了热和能的当量关系【答案】A【解析】A．做功和热传递在改变物体内能的实质不同，但效果上是等效的，故A正确；B．内能是物体内所有分子的动能和分子势能的总和，宏观上取决于温度和体积，物体温度不变，但体积变化导致分子势能发生变化，那么物体的内能就要变化，故B错误；C．内能是一个宏观量，是物体内所有分子的动能和分子势能的总和，故C错误；D．焦耳通过大量实验提出了热和功的当量关系，故D错误。故选A。4、如图所示，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，则在将拉杆缓慢向外拉的过程中（　　）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】本题解题的关键是明确甲、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，在拉杆缓慢向外拉的过程中，活塞左移，压缩气体，外界对甲室气体做功，其内能应增大；对乙室内的气体，活塞左移，气体膨胀，气体对外界做功，内能减小，选项D正确。故选D。5、一定质量的理想气体经历一缓慢的绝热膨胀过程。设气体分子间的势能可忽略，则在此过程中(      )A.外界对气体做功，气体分子的平均动能增大B.外界对气体做功，气体分子的平均动能减小C.气体对外界做功，气体分子的平均动能增大D.气体对外界做功，气体分子的平均动能减小答案：解析：绝热膨胀过程气体体积增大，气体对外界做功，气体内能减少。由于气体分子间的势能忽略不计，故气体分子的平均动能减小。6、下列关于内能与热量的说法中，正确的是(      )A.马铃薯所含热量高B.内能越大的物体热量也越多C.热量总是从内能大的物体流向内能小的物体D.热量传递方向与两物体的温度有关答案：解析：热量是过程量，不是状态量，不能像内能那样蕴含在物体中，此外，两物体之间热量的传递方向只与它们的温度有关，与它们的内能无关。7、对于热量、功和内能三个物理量，下列各种说法中正确的是（　　）A．热量和功与过程有关，而内能与状态有关B．热量、功和内能的物理意义相同C．热量和功都可以作为内能的量度D．内能大的物体具有的热量多【答案】A【解析】A．热量和功是过程量，与过程有关，而内能是状态量，与状态有关，选项A正确；B．热量、功和内能是三个不同的物理量，它们的物理意义不同，热量反映了物体内能的变化量多少，功是能量转化的量度，内能是物体内所有分子动能和势能之和，做功和热量都可以改变物体内能变化的量度，故B错误；
C．做功与热传递是改变内能的两种方式，都可以内能变化的量度，而不是内能的量度。故C错误。
D．热量是过程量，不是状态量，不能说内能大的物体具有的热量多，故D错误。故选A。8、如图所示的实验装置中，把浸有乙醚的一小块棉花放在厚玻璃筒内底部，当很快向下压活塞时，由于被压缩的气体骤然变热，温度升高达到乙醚的燃点，使浸有乙醚的棉花燃烧起来，此实验的目的是要说明对物体（　　）A．做功可以增加物体的热量 B．做功可以改变物体的内能C．做功一定会升高物体的温度 D．做功一定可以使物态发生变化【答案】B【解析】当用力压活塞时，活塞压缩玻璃筒内的空气，对空气做功，空气的内能增加，温度升高，当达到乙醚着火点时，筒内棉花就会燃烧起来，此实验说明了：外界对物体做功，物体的内能增加。故选B。9、下面的例子中，通过热传递改变物体内能的是（　　）A．擦火柴，使火柴开始燃烧 B．阳光照在湖面上，使湖水升温C．用锯条锯木头，使锯条变热 D．搓搓手，会感觉暖和些【答案】B【解析】ACD．擦火柴，用锯条锯木头，搓搓手，都是通过克服摩擦力做了功来改变物体内能，故ACD错误；B．通过太阳辐射，也就是热传递使湖水温度升高，所以湖水内能增大，故B正确。故选B。10、如图所示，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（    ）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，形成“白雾”，故选项D正确，ABC错误。故选D。 二、解答题11、一定质量的理想气体经历如图所示的A→B、B→C、C→A三个变化过程，则C→A过程中气体分子平均动能________（选填“增大”或“减小”），A→B过程中________（选填“外界对气体”或“气体对外界”）做功，B→C（图中为双曲线）过程中气体的内能_______（选填“增大”“减小”或“不变”）。【答案】     减小     气体对外界     不变【解析】[1]由图得C→A过程中气体压强减小，体积不变，据可知，气体温度降低，则气体分子平均动能减小；[2]由图得A→B过程中气体体积增大，则A→B过程中气体对外界做功；[3]由图得B→C（图中为双曲线）过程中乘积不变，据可知，B→C过程为等温变化，所以B→C过程，理想气体的内能不变。12、如图所示，用隔板将一密闭绝热气缸分成两部分，隔板左侧充有理想气体，隔板右侧与绝热活塞之间是真空。现将隔板抽开，气体会自发扩散至整个气缸，该过程气体的内能_________（选填“增大” “减小”隔板或“不变”）；待气体状态达到稳定后，缓慢推压活塞至原隔板处，该过程中，气体温度_________（选填“升高” “降低" 或“不变”）。【答案】     不变     升高【解析】[1]抽开隔板时，气体体积变大，但是右方是真空，气体不对外做功，绝热气缸又没有热传递，则根据热力学第一定律：△U=Q+W可知，气体的内能不变；[2]气体被压缩的过程中，外界对气体做功(W>0)，绝热气缸没有热传递(Q=0)，根据△U=Q+W可知，气体内能增大，气体分子的平均动能变大，则温度升高。