高中物理人教版 (2019)选择性必修 第三册第三章 热力学定律1 功、热和内能的改变导学案

1．功、热和内能的改变

学习目标：1．[物理观念]知道焦耳的两个实验，功与内能改变及热与内能改变的数量关系。　2.[科学思维]掌握焦耳的两个实验的实质，理解功、热和内能改变的关系，会解释相关的现象，分析相关的问题。　3.[科学探究]掌握两个实验的探究过程，利用“做一做”体验功与内能改变的关系，学会观察与操作并与他人合作交流，提高实验技能。　4.[科学态度与责任]理解功、热与内能改变的实质，实事求是，培养积极探究科学的兴趣，激发学习热情。

阅读本节教材，回答第46页“问题”并梳理必要的知识点。

教材P46“问题”提示：迅速压下活塞，引仪筒内气体被压缩，体积变小，外界对气体做了功，内能增加，温度升高。当温度达到硝化棉的燃点时，硝化棉被点燃。

一、功和内能

1．焦耳的实验

(1)绝热过程：系统只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。

(2)代表性实验

①重物下落带动叶片搅拌容器中的水，引起水温上升；

②通过电流的热效应给水加热。

(3)实验结论：要使系统状态通过绝热过程发生变化，做功的数量只由过程始末两个状态决定，而与做功的方式无关。

2．功和内能

(1)内能：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。鉴于功是能量变化的量度，所以这个物理量必定是系统的一种能量，我们把它称为系统的内能。

(2)功和内能：在绝热过程中，外界对系统做的功等于系统内能的变化量，即ΔU＝W。

说明：在热力学系统的绝热过程中，外界对系统所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。

二、热和内能

1．热传递

(1)条件：物体的温度不同。

(2)定义：两个温度不同的物体相互接触时，温度高的物体要降温，温度低的物体要升温，热量从高温物体传到了低温物体。

2．热和内能

(1)热量：它是在单纯的传热过程中系统内能变化的量度。

(2)表达式：ΔU＝Q。

(3)热传递与做功在改变系统内能上的异同：①做功和热传递都能引起系统内能的改变。②做功时是内能与其他形式能的转化；热传递只是不同物体(或一个物体的不同部分)之间内能的转移。

注意：我们不能说物体具有多少热量，只能说某一过程中物体吸收或放出了多少热量。

1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)

(1)系统只从外界吸热，而不向外界放热的过程就是绝热过程。 (×)

(2)在绝热过程中，外界对系统做多少功，内能就能增加多少。 (√)

(3)功和内能都是能量转化的量度。 (×)

(4)做功和热传递都可改变物体的内能，从效果上是等效的。 (√)

2．(多选)如图所示，为焦耳实验装置图，用绝热性能良好的材料将容器包好，重物下落带动叶片搅拌容器里的水，引起水温升高。关于这个实验，下列说法正确的是(　　)

A．这个装置可测定热功当量

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

AC　[将做功过程和吸热过程在同等条件下比较，可测出热功当量，A正确；做功增加了水的内能，热量只是热传递过程中内能改变的量度，B错误，C正确；做功和传热产生的效果相同，但功和热量是不同的概念，D错误。]

3．关于物体的内能和热量，下列说法中正确的有(　　)

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．在热传递过程中，热量从高温物体传递到低温物体，直到两物体的温度相同为止

D　[物体的内能由温度、体积及物体的质量决定，不是只由温度决定，故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，故C错误，D正确。]

1．内能：物体的内能是指物体内所有分子的平均动能和势能的总和。

(1)在微观上由分子数、分子热运动的剧烈程度和相互作用力决定，宏观上体现为物体的温度和体积，因此物体的内能是一个状态量。

(2)在系统不吸热也不放热的绝热过程中，状态发生的变化是由做功引起的，伴随的能量转化是外界的能量与系统自身的能量发生了转化，系统自身的能量称为内能。

(3)造成系统内能变化的量与做功方式无关，与做功的数量有关。

(4)内能是状态量，由它的状态、温度、体积、质量决定。

2．(1)做功与内能变化的关系：当系统从某一状态经过绝热过程达到另一状态时，内能的变化量ΔU就等于外界对系统所做的功W，表达式为：ΔU＝U2－U1＝W。

(2)系统内能的变化量ΔU只与初、末状态的内能U1和U2有关，与做功的过程、方式无关。

(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，只有变化较大时，对应着做功较多。

【例1】　如图所示，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。今对活塞施以一竖直向下的压力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，则被密封的气体(　　)

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

思路点拨：(1)绝热容器表明系统既不向外界传热，也不从外界吸热。

(2)活塞缓慢向下移动一段距离表明外界对理想气体做了功。

C　[由F通过活塞对密闭的理想气体做正功，容器及活塞绝热，知Q＝0，由功和内能的关系知理想气体内能增大，温度T升高，再根据＝C，体积V减小，压强p增大，故C正确。]

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为正值；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内能转化多少的量度。

(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，内能的变化量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。

【一题多变】　如图所示的柱形容器内封有一定质量的空气。质量为m的光滑活塞与容器都用良好的隔热材料制成，另有质量为M的物体从活塞上方的A点自由下落到活塞上，并随活塞一起到达最低点B后静止。这一过程中，容器内空气内能的改变量ΔU，外界对气体所做的功W与物体及活塞的重力势能变化量的关系是(　　)

A．Mgh＋mg·Δh＝ΔU＋W

B．ΔU＝W，W＝Mgh＋mgΔh

C．ΔU＝W，W＜Mgh＋mgΔh

D．ΔU≠W，W＝Mgh＋mgΔh

C　[绝热时Q＝0，ΔU＝W；但物体落在活塞上时，有一部分机械能在碰撞时转化为内能，这些内能没能被封闭气体吸收，因此W＜Mgh＋mgΔh，故C正确。]

[跟进训练]

1．一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

D　[绝热膨胀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，气体对外界做功W＜0，由ΔU＝U2－U1＝W可知，气体内能减少。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。]

1．热传递

(1)热量从高温物体传递到低温物体，或从物体的高温部分传递到低温部分，叫作热传递。

(2)热传递的三种方式：热传导、热对流和热辐射。

2．热传递的实质

热传递实质上传递的是能量，结果是改变了系统的内能。传递能量的多少用热量来量度。

3．传递的热量与内能改变的关系

(1)在单纯热传递中，系统从外界吸收多少热量，系统的内能就增加多少。即Q吸＝ΔU。

(2)在单纯热传递中，系统向外界放出多少热量，系统的内能就减少多少。即Q放＝－ΔU。

4．热传递具有方向性

热量从高温物体传递到低温物体，或从物体的高温部分传递到低温部分，不会自发地从低温物体传递到高温物体或从物体的低温部分传递到高温部分。

5．改变内能的两种方式的比较

【例2】　(多选)一铜块和一铁块，质量相等，铜块的温度T1比铁块的温度T2高，当它们接触在一起时，如果不和外界交换能量，则(　　)

A．从两者开始接触到热平衡的整个过程中，铜块内能的减少量等于铁块内能的增加量

B．在两者达到热平衡以前的任意一段时间内，铜块内能的减少量不等于铁块内能的增加量

C．在两者达到热平衡以前的任意一段时间内，铜块内能的减少量都等于铁块内能的增加量

D．达到热平衡时，铜块的温度比铁块的低

思路点拨：(1)热传递的方向从高温物体传向低温物体。

(2)热平衡的条件是二者温度相等。

AC　[热平衡条件是温度相等，热传递的方向是从温度高的物体传向温度低的物体；在热传递过程中高温物体放出的热量等于低温物体吸收的热量，故A、C正确，B、D错误。]

热量和内能的理解要点

(1)热量的概念只有在涉及能量的传递时才有意义，因此不能说物体具有多少热量，只能说物体吸收或放出了多少热量。

(2)在系统与外界只发生热传递时，系统吸收多少热量，系统内能就增加多少；系统放出多少热量，系统内能就减少多少。

[跟进训练]

2．(多选)关于热量、功和内能的下列说法中正确的是(　　)

A．热量、功、内能三者的物理意义等同

B．热量、功都可以作为物体内能的量度

C．热量、功都可以作为物体内能变化的量度

D．热量、功、内能的单位相同

CD　[物体的内能是指物体内所有分子动能和分子势能的总和，而要改变物体的内能可以通过做功和热传递两种途径，这三者的物理意义不同，A错误；热量是表示在热传递过程中物体内能变化多少的，而功也是用做功的方式量度物体内能变化多少的，B错误，C正确；三者的单位都是焦耳，D正确。]

1．在绝热过程中，外界压缩气体做功20 J，下列说法正确的是(　　)

A．气体内能一定增加20 J

B．气体内能增加必定小于20 J

C．气体内能增加可能小于20 J

D．气体内能可能不变

A　[做功的过程是能量转化的过程，在绝热过程中，外界对气体做多少功，气体内能就增加多少，选项A正确。]

2．关于热传递，下列说法正确的是(　　)

A．热传递是高温物体的温度传给低温物体

B．并不接触的物体之间不会发生热传递

C．比热容相同的物体之间不会发生热传递

D．温度相同的物体之间不会发生热传递

D　[热传递实质是内能从高温物体转移到低温物体，传递的不是温度，传递的是热量，A错误；不接触的物体之间可以通过热辐射的方式进行热传递，B错误；热量总是从温度高的物体传递给温度低的物体，和物体的比热容没有关系，C错误；温度相同的物体之间不存在温度差，不会发生热传递，D正确。]

3．下列各事例通过热传递改变物体内能的是(　　)

A．车床上车刀切削工件后发热

B．擦火柴时火柴头温度升高

C．用肥皂水淋车刀后车刀降温

D．搓搓手就会觉得手发热

C　[车床上车刀切削工件后发热，擦火柴时火柴头温度升高，搓搓手就会觉得手发热都是通过做功的方式改变物体内能；用肥皂水淋车刀后车刀降温是通过热传递改变物体内能的，选项C正确。]

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．筒内外有空气变换，处于动态平衡，筒内空气质量不变

D．筒内外无空气交换

B　[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，可近似看成绝热膨胀过程。气体对外做功，内能减小，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。对筒内剩余气体分析，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。故B正确。]

5．如图所示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(　　)

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

A　[由题意知，在M向下滑动的过程中，绝热压缩密封的气体，外界对气体做功，使气体的内能增大，故A正确。]