高中人教版 (新课标)1 功和内能学案

这是一份高中人教版 (新课标)1 功和内能学案，共3页。




1．焦耳热功当量实验


(1)焦耳热功当量实验装置——机械功


①实验方法：在水中放置叶片，叶片上缠绕两根绳子，每根绳子各跨过一滑轮，且分别悬挂一个重物，盛水的容器用绝热性能良好的材料包好。如图所示，当重物下落时便带动叶片转动，容器中的水受叶片的搅动，水由于摩擦而温度上升。





焦耳热功当量实验的装置


②实验条件：系统只由外界对它做功而与外界交换能量，它不从外界吸热，也不向外界放热。


③实验结论：只要重力所做的功相同，容器内水温上升的数值就相同，即系统的状态变化相同。





(2)焦耳热功当量实验装置——电功


方法：如图所示，利用降落的重物使发电机发电，电流通过浸在液体的电阻丝，引起液体温度上升。


结论：同一个系统，在绝热过程中，不管通过电阻丝的电流多大，只要电功相等，系统温度上升的数值就相同，即系统的状态变化相同。


(3)绝热过程：系统只是由于外界对它做功而与外界交换能量，它不从外界吸热，也不向外界放热，这样的过程叫绝热过程。


谈重点：热功当量数值的确定 证明了功和热量之间存在着确定的数量关系，即1 cal＝4.2 J或者1 J＝0.24 cal。这进一步定量地证明做功和热传递对改变物体的内能是等效的。因此，功、热量和能量使用相同的单位是很自然也很合理的，现在国际单位制中规定它们统一用焦耳作单位。


【例1】 英国物理学家焦耳的主要贡献有( )


A．发现了电流通过导体产生热量的定律，即焦耳定律


B．测量了热和机械功之间的当量关系——热功当量


C．第一次计算了气体分子的速度


D．与W·汤姆孙合作研究了气体自由膨胀降温的实验


解析：认真阅读、学习焦耳的有关资料，了解掌握焦耳的有关事迹以及一些科学研究过程，明确物理学家焦耳对自然科学的主要贡献。


答案：ABCD


点评：多掌握物理学史是解此题的关键。同学们应注重课外阅读，了解一些重大的物理事件、重要的物理实验以及著名的物理学家对科学所作的贡献。激发学习兴趣，养成严谨求实的科学态度和良好的学习习惯。


2．内能


(1)内能概念：任何一个热力学系统都必定存在一个只依赖于系统自身状态的物理量，这个物理量在两个状态间的差别与外界在绝热过程中对系统所做的功相联系。我们把这个物理量称为系统的内能。


(2)功与系统内能改变的关系：


做功可以改变系统的内能。功是系统内能转化的量度。


①外界对系统做功，系统的内能增加。


在绝热过程中，内能的增加量就等于外界对系统做的功，


即ΔU＝U2－U1＝W。(W＞0)


②系统对外界做功，系统的内能减少。


在绝热过程中，系统对外界做多少功，内能就减少多少，即ΔU＝W(W＜0)。


说明：在国际单位制中，内能和功的单位都是焦耳(J)。


【例2】 采用绝热的方式使一定量的气体由初状态A变化至末状态B。对于不同的绝热方式，下列说法正确的是( )


A．对气体所做的功不同


B．对气体所做的功相同


C．对气体不做功，因为没有能量的传递


D．以上三种说法都不对


解析：对于一定质量的气体，不管采用任何一种绝热方式由状态A变化到状态B，都是绝热过程。在这一过程中，气体在初状态A有一确定的内能UA，在状态B有另一确定的内能UB，由绝热过程中ΔU＝UB－UA＝W知，W为恒量，所以B正确。


答案：B


点技巧：做功可以改变物体的内能


在热力学系统中的绝热状态下，做功大小与系统内能的变化量相等，对系统做功，系统内能增加；系统对外做功，系统内能减少。





3．内能与做功


在绝热过程中，末态内能大于初态内能时，ΔU为正，外界对系统做功。末态内能小于初态内能时，ΔU为负，W为负，系统对外界做功。内能和其他形式的能一样，是状态量，物体的状态一定时，它的内能也一定。和讨论重力势能一样，我们能确定的只是内能的变化，因为任何状态的内能，只有在标准参考值确定后，才可能得出相应的确定值。


特别提醒：功和内能的区别


功是能量转化的量度，与内能变化相联系，是过程量，而内能是状态量，只有在内能变化过程中才有功。物体内能大，并不意味着做功多，在绝热过程中，只有内能变化大，才意味着做功多。


【例3】 如图所示，活塞将气缸分成甲、乙两气室，气缸、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


解析：接触面是绝热面，拉动拉杆，对乙部分气体来讲，系统对外界做功，内能减小，对甲部分气体来讲，外界对系统做功，内能增加。


答案：D


4．做功与内能变化在实际生活中的应用


做功与内能的变化在生活和生产中有不少实际应用实例，对待这些具体实例，应注意分析是否满足绝热的条件，是否仅是通过做功来改变热力学系统内能的。


在各种不同的绝热过程中，要使热力学系统的状态发生变化，做功的多少只由过程的始末状态决定，而与做功的方式无关。


在绝热过程中，要选对热力学系统，到底是哪一系统处于绝热过程，弄明白到底是系统对外界做功，还是外界对系统做功。


【例4】 金属筒内装有与外界温度相同的压缩空气，打开筒的开关，筒内高压空气迅速向外逸出，待筒内外压强相等时，立即关闭开关。在外界保持恒温的条件下，经过一段较长时间后，再次打开开关，这时出现的现象是( )


A．筒外空气流向筒内


B．筒内空气流向筒外


C．筒内外有空气交换，处于动平衡态，筒内空气质量不变


D．筒内外无空气交换


解析：因高压空气急剧外逸时，气体没有时间充分与外界发生热交换，可看成绝热膨胀过程。气体对外做功，内能减少，所以关闭开关时，筒内气体温度较外界低，再经过较长时间后，筒内外气体温度相同。筒内剩余气体属于等容升温过程，其压强要变大，大于外界气压，所以再打开开关时，筒内气体要流向筒外。


答案：B