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高中物理人教版 (2019)选择性必修 第三册1 功、热和内能的改变教课ppt课件
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这是一份高中物理人教版 (2019)选择性必修 第三册1 功、热和内能的改变教课ppt课件，共59页。PPT课件主要包含了BCD，CDE，ACD等内容，欢迎下载使用。
一、功和内能1.系统的内能:任何一个热力学系统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做的功相联系,是系统的一种能量,我们把它称为系统的内能。2.绝热过程中做功与系统内能变化的关系: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,即ΔU=W。
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。对于不同的做功方式,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在绝热过程中,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。
(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解析绝热过程,外力做功,气体体积减小,分子密度增大,内能增大,温度升高,分子的平均动能增大。
解析汽缸及活塞均绝热,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。
规律方法 判断绝热过程中内能变化的方法判断气体绝热过程的内能变化一般情况下只需看气体的体积变化:若体积增大,气体对外界做功,W<0,即ΔU<0,内能减小;若体积缩小,外界对气体做功,W>0,即ΔU>0,内能增加。温馨提示气体自由膨胀时,气体与外界相互不做功,因为这种情况下虽然气体体积增大但是没有外界阻力,也就不需要对外界做功。
三、热和内能1.热传递:热量从高温物体传到低温物体的过程。2.实现热传递的条件:两物体间存在着温度差。 热传递的三种方式:热传导、热对流和热辐射3.热传递与系统内能变化的关系:系统在单纯的传热过程中内能的变化量ΔU等于外界向系统传递的热量Q,即ΔU=Q。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。4.对热量的理解:热量是用来衡量热传递过程中内能变化多少的一个物理量,是一个过程量,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。四、热和功的比较1.改变系统内能的方式:做功和热传递。2.做功和热传递在改变物体内能方面的区别:做功时内能与其他形式的能发生转化;而热传递只是不同物体间内能的转移。
下面例子中通过热传递改变物体内能的是( )A.感到手冷时,搓搓手就会觉得暖和些B.擦火柴时,火柴头上的红磷温度升高到红磷的燃点,火柴燃烧起来C.物体在阳光照射下温度升高D.反复弯折一根铁丝,弯折的部分温度升高解析A、B、D均是通过做功改变物体的内能,C项是通过热传递的方式来改变物体内能,故C项正确。
以下所述现象中,属于通过热传递改变了物体内能的是( )A.汽油机汽缸内气体被压缩B.放在空气中的一杯热水会冷却C.在转动的砂轮上磨车刀,车刀发热D.电流通过电阻丝解析汽缸压缩气体,对气体做功;在转动的砂轮上磨车刀是摩擦力对车刀做功;电流通过电阻丝并做功,所以三者都是通过做功改变物体内能的。热水放在空气中,通过热辐射等方式向外传递了热量,使自身的内能减少,温度降低,它是通过热传递方式改变内能的,所以应选B。
正误判断(1)某一系统经历绝热过程时,只要初末状态相同,则做功数量也一定相同。( )(2)在绝热过程中,做功方式不同会直接影响系统状态变化的最终结果。( )(3)在绝热过程中,系统对外界做的功等于系统内能的增加量。( )(4)功和内能都是能量转化的量度。( )(5)搓搓手会感到手暖和些,是通过做功改变了手的内能。( )(6)外界对物体做功多,就意味着物体的内能大。( )(7)热传递过程具有一定的方向性。( )
(8)在任何情况下,公式ΔU=Q都适用。( )(9)温度高的物体含有的热量多。( )(10)热量一定从内能多的物体传递给内能少的物体。( )(11)做功和热传递都能改变物体的内能。( )(12)热传递改变内能的实质是能量的转移。( )
温度、内能和热量的区别与联系
特别提醒对于一定质量的理想气体来讲，由于忽略了分子势能，所以分子动能即为内能，温度越高则内能越大
(1)功是能量转化的量度,是过程量,而内能是状态量。
(2)做功过程中,能量一定会发生转化,而内能不一定变化,只有在绝热过程中,做功才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,只有内能变化较大时,才对应着做功较多。
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,系统内能的变化量等于外界对系统所做的功
变式训练(多选)在外界不做功的情况下,物体的内能增加了50 J,下列说法中正确的是( )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 JD.物体的分子平均动能可能不变解析在外力不做功的情况下,内能的改变等于传递的热量,内能增加,一定是吸收了相等能量的热量,故选项A错误,选项B正确;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并不一定是分子平均动能增加了50 J,物体的分子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,比如晶体的熔化,故选项C错误,选项D正确。
如图所示是古人锻造铁器的过程,关于改变物体内能的方式,下列说法正确的是( )A.加热和锻打属于热传递,淬火属于做功B.加热属于热传递,锻打和淬火属于做功C.加热和淬火属于热传递,锻打属于做功D.加热和淬火属于做功,锻打属于热传递解析用铁锤锻打铁器,铁器会发热,属于做功改变物体内能;用火对铁器加热,铁器从火中吸收热量,把铁器放在水中淬火,铁器向水中放热,所以加热和淬火属于热传递改变物体内能,故选项C正确。
1.改变内能的两种方式:做功与热传递。联系:两者在改变系统内能方面是等价的,一定数量的功与确定数量的热相对应。区别:做功是内能与其他形式能量的相互转化,而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。2.热力学第一定律的内容:一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的和。3.热力学第一定律的表达式:ΔU=Q+W。
热力学第一定律的意义热力学第一定律不仅反映了做功和热传递这两种改变内能的过程是等效的,而且给出了内能的变化量和做功与热传递之间的定量关系。此定律是标量式,应用时单位应统一为国际单位制中的焦耳(J)
2.热力学第一定律的符号法则
3.几种特殊情况(1)若过程是绝热的,即Q=0,则ΔU=W,物体内能的增加量等于外界对物体做的功。(2)若过程中不做功,即W=0,则ΔU=Q,物体内能的增加量等于物体从外界吸收的热量。(3)若过程的始末状态物体的内能不变,即ΔU=0,则W=-Q(或Q=-W),外界对物体做的功等于物体放出的热量(或物体吸收的热量等于物体对外界做的功)。
1.正误判断(1)外界对系统做功,系统的内能一定增加。( )(2)系统内能增加,一定是系统从外界吸收了热量。( )(3)系统从外界吸收热量5 J,内能可能增加5 J。( )(4)系统内能减少,一定是系统对外界做了功。( )(5)外界对热力学系统做功,W取正值;外界向热力学系统传递热量,Q取正值。( )(6)气体被压缩的过程中,外界对气体做功,则气体内能一定增加。( )(7)物体与外界不发生热交换,物体的内能也可能变化。( )
如图所示的汽缸,内部封闭有一定质量的理想气体。外力推动活塞P压缩气体,对汽缸内气体做功800 J,同时气体向外界放热200 J,则汽缸内气体的( )A.温度升高,内能增加600 JB.温度升高,内能减少200 JC.温度降低,内能增加600 JD.温度降低,内能减少200 J解析由热力学第一定律ΔU=W+Q,得ΔU=800 J+(-200 J)=600 J,一定质量的理想气体的内能大小只与温度有关,ΔU=600 J>0,故温度一定升高,A选项正确。
一定质量的气体在某一过程中,外界对气体做了8×104 J的功,气体的内能减少了1.2×105 J,则根据热力学第一定律,下列各式中正确的是( )A.W=8×104 J,ΔU=1.2×105 J,Q=4×104 JB.W=8×104 J,ΔU=-1.2×105 J,Q=-2×105 JC.W=-8×104 J,ΔU=1.2×105 J,Q=2×104 JD.W=-8×104 J,ΔU=-1.2×105 J,Q=-4×104 J解析因为外界对气体做功,W取正值,即W=8×104 J;气体的内能减少,ΔU取负值,即ΔU=-1.2×105 J;根据热力学第一定律ΔU=W+Q,可知Q=ΔU-W=-1.2×105 J-8×104 J=-2×105 J,即B选项正确。
一定质量的理想气体,从某一状态开始,经过一系列变化后又回到开始的状态,用W1表示外界对气体做的功,W2表示气体对外界做的功,Q1表示气体吸收的热量,Q2表示气体放出的热量,则在整个过程中一定有( )A.Q1-Q2=W2-W1B.Q1=Q2C.W1=W2D.Q1>Q2解析对一定质量的理想气体,经过一系列的状态变化后又回到原状态,表明整个过程中内能的变化为零,即通过做功和热传递引起的内能变化相互抵消,所以A选项正确。当然,若Q1=Q2,则必定有W1=W2;若Q1>Q2,则必定有W1W2,所以B、C、D三项都有可能但不一定,故选A。
变式训练1(2020北京期末)如图所示,一个密闭汽缸封闭着一部分空气。用活塞压缩汽缸里的空气,对空气做了900 J的功,同时汽缸向外散热200 J,则汽缸中空气的内能( )A.减少了1 100 JB.增加了1 100 JC.减少了700 JD.增加了700 J解析内能增加量ΔU=Q+W,代入已知数据ΔU=900 J-200 J=700 J,所以汽缸里的空气的内能增加了700 J,故D正确,A、B、C错误。
(多选)用密封性好、充满气体的塑料袋包裹易碎品,如图所示,充气袋四周被挤压时,假设袋内气体与外界无热交换,则袋内气体( )A.体积减小,内能增大B.体积减小,压强减小C.对外界做负功,内能增大D.对外界做正功,压强减小解析实际气体在温度不太低、压强不太大时可看作理想气体。充气袋被挤压,气体体积减小,外界对气体做正功,则W>0,即气体对外界做负功,由于袋内气体与外界无热交换,即Q=0,根据热力学第一定律ΔU=W+Q知,内能增大,选项A、C正确;根据理想气体状态方程可判断压强一定增大,选项B、D错误。
4.空气压缩机在一次压缩中,活塞对空气做了2×105 J 的功,同时空气的内能增加了1.5×105 J,这一过程中空气向外界传递的热量是多少?解析选择被压缩的空气为研究对象,根据热力学第一定律有ΔU=W+Q。由题意可知W=2×105 J,ΔU=1.5×105 J,代入上式得Q=ΔU-W=1.5×105 J-2×105 J=-5×104 J。负号表示空气向外释放热量,即空气向外界传递的热量为5×104 J。答案5×104 J
能力提升——热力学第一定律与气体状态方程的综合应用如图所示,一定质量的理想气体由a状态变化到b状态,请在图像基础上思考以下问题:(1)在变化过程中气体对外界做功还是外界对气体做功?(2)在变化过程中气体吸热还是向外放热?气体内能增加了还是减少了?要点提示(1)气体对外界做功 (2)吸热 内能增加
解析由题意知一定质量的理想气体由状态A经过程Ⅰ变至状态B时体积增大,W1为负,Q1为正,ΔU=W1+Q1=420 J-300 J=120 J,内能增加120 J。由图可知当气体从状态B经过程Ⅱ回到状态A时体积减小,W2为正;ΔU'=W2+Q2,代入数据解得Q2=-320 J,放出热量,故A、B、C错误,D正确。
重点突破题型二————热力学第一定律的实际应用
规律方法 应用热力学第一定律解题的方法(1)首先应明确研究对象是哪个物体或者是哪个热力学系统;(2)分别列出物体(或系统)吸收或放出的热量,外界对物体(或系统)所做的功或物体(或系统)对外界所做的功;(3)根据热力学第一定律ΔU=Q+W列出方程进行求解;(4)特别注意的就是物理量的正负号及其物理意义。
变式训练2(2020湖北武汉期中)如图所示,汽缸内封闭一定质量的理想气体,活塞通过定滑轮与一重物m相连并处于静止状态,此时活塞到缸口的距离h=0.2 m,活塞面积S=10 cm2,封闭气体的压强p=5×104 Pa,现通过电热丝对缸内气体加热,使活塞缓慢上升直至缸口。在此过程中封闭气体吸收了Q=60 J的热量,假设汽缸壁和活塞都是绝热的,活塞质量及一切摩擦力不计,则在此过程中气体内能的增加量为( )A.70 JB.60 J C.50 JD.10 J
解析活塞移动过程中,汽缸内气体对外界做功:W=Fx=pSh=5×104×10×10-4×0.2 J=10 J,由热力学第一定律得,汽缸内气体内能的变化量:ΔU=Q+(-W)=60 J-10 J=50 J。汽缸内的气体内能增加了50 J,故C正确,A、B、D错误。
焦耳的实验情境探究在焦耳的许多实验中,有两个最具有代表性:一个实验是让重物下落带动叶片搅拌容器中的水,引起水温上升;另一个实验是通过电流的热效应给水加热。焦耳的这两个实验说明了什么问题?要点提示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,而与做功方式无关。
知识归纳焦耳的两个代表性实验
二、焦耳的实验1.实验条件绝热过程:系统不从外界吸热,也不向外界放热。2.代表性实验(1)让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.实验结论在各种不同的绝热过程中,如果使系统从状态1变为状态2,所需外界做功的数量是相同的,即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1、2决定,而与做功的方式无关。
A.能量守恒定律B.机械能守恒定律C.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
解析通过这两个实验,可得出的结论是,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,其余选项不是这两个实验的结论
变式训练1(多选)如图为焦耳实验装置图,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.这个装置可测定热量与做功的关系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
解析该实验可测定做功和热量的关系,A正确;该实验是绝热过程,没有热传递,内能的改变是由于做功,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,B、D错误。
如图所示,厚壁容器的一端通过胶塞插进一支灵敏温度计和一根气针,另一端有个用卡子卡住的可移动胶塞。用打气筒慢慢向容器内打气,使容器内的压强增大
到一定程度,这时读出温度计示数。打开卡子,胶塞冲出容器口后( )A.温度计示数变大,实验表明气体对外界做功,内能减少B.温度计示数变大,实验表明外界对气体做功,内能增加C.温度计示数变小,实验表明气体对外界做功,内能减少D.温度计示数变小,实验表明外界对气体做功,内能增加
解析胶塞冲出容器口后,气体膨胀,对外做功。由于是厚壁容器,基本没有热传递,由W=ΔU可知内能减小。内能等于物体内所有分子动能和势能之和,体积增大,势能增大,可知分子平均动能减小,所以温度降低。
变式训练2如图所示,在紫铜管内滴入乙醚,盖紧管塞,乙醚变为气体。用手拉住绳子两端迅速往复拉动,管塞会被冲开。管塞被冲开前( )A.外界对管内气体做功,气体内能增大B.管内气体对外界做功,气体内能减小C.管内气体内能不变,压强变大D.管内气体内能增大,压强变大解析绳与紫铜管间的摩擦力做功,使管壁内能增大,温度升高。通过热传递,乙醚的内能增大,温度升高。管塞被冲开前管内气体内能增大,压强变大。选项D正确。
功与内能的改变情境探究打气筒是日常生活中的一种工具,当我们用打气筒给自行车打气时,就是在克服气体压力和摩擦力做功。打气的过程中你有没有试着去摸一下打气筒的外壳?有什么感觉?打气筒的温度升高了,这是怎么回事呢?要点提示做功的过程是能量转化的过程,做功使得系统的内能增加了,所以温度升高。
热与内能的改变情境探究“围炉夜话”是古代中国文人认为非常有生活情趣的一种生活方式。在“围炉”的过程中,人的身体并没有和炉子本身发生接触,为什么还能够感到温暖?现代取暖的方式主要是暖气,暖气和炉子在能量传递方面有什么相同点?要点提示炉子和人身体没有发生接触也可以感到温暖是因为热量可以通过热传递向外扩散,这和暖气的散热方式是相同的。
实例引导例3 (多选)在实验室将一容积比较大的烧瓶放入冰箱冷冻室内,经过几小时后,将烧瓶从冰箱内迅速取出,并立即用小气球紧紧地套在烧瓶的瓶口,然后将烧瓶放入装有热水的烧杯中,如图所示,将烧瓶及气球内的气体看成是理想气体,气球弹性良好。则下列说法正确的是( )A.经过一段时间后气球会膨胀起来B.气球的体积一直都不会发生变化C.烧瓶及气球内的气体内能增加D.烧瓶及气球内的气体的压强一定变大
一、功和内能1.系统的内能:任何一个热力学系统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做的功相联系,是系统的一种能量,我们把它称为系统的内能。2.绝热过程中做功与系统内能变化的关系: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,即ΔU=W。
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。对于不同的做功方式,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在绝热过程中,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。
(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解析绝热过程,外力做功,气体体积减小,分子密度增大,内能增大,温度升高,分子的平均动能增大。
解析汽缸及活塞均绝热,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。
规律方法 判断绝热过程中内能变化的方法判断气体绝热过程的内能变化一般情况下只需看气体的体积变化:若体积增大,气体对外界做功,W<0,即ΔU<0,内能减小;若体积缩小,外界对气体做功,W>0,即ΔU>0,内能增加。温馨提示气体自由膨胀时,气体与外界相互不做功,因为这种情况下虽然气体体积增大但是没有外界阻力,也就不需要对外界做功。
三、热和内能1.热传递:热量从高温物体传到低温物体的过程。2.实现热传递的条件:两物体间存在着温度差。 热传递的三种方式:热传导、热对流和热辐射3.热传递与系统内能变化的关系:系统在单纯的传热过程中内能的变化量ΔU等于外界向系统传递的热量Q,即ΔU=Q。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。4.对热量的理解:热量是用来衡量热传递过程中内能变化多少的一个物理量,是一个过程量,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。四、热和功的比较1.改变系统内能的方式:做功和热传递。2.做功和热传递在改变物体内能方面的区别:做功时内能与其他形式的能发生转化;而热传递只是不同物体间内能的转移。
下面例子中通过热传递改变物体内能的是( )A.感到手冷时,搓搓手就会觉得暖和些B.擦火柴时,火柴头上的红磷温度升高到红磷的燃点,火柴燃烧起来C.物体在阳光照射下温度升高D.反复弯折一根铁丝,弯折的部分温度升高解析A、B、D均是通过做功改变物体的内能,C项是通过热传递的方式来改变物体内能,故C项正确。
以下所述现象中,属于通过热传递改变了物体内能的是( )A.汽油机汽缸内气体被压缩B.放在空气中的一杯热水会冷却C.在转动的砂轮上磨车刀,车刀发热D.电流通过电阻丝解析汽缸压缩气体,对气体做功;在转动的砂轮上磨车刀是摩擦力对车刀做功;电流通过电阻丝并做功,所以三者都是通过做功改变物体内能的。热水放在空气中,通过热辐射等方式向外传递了热量,使自身的内能减少,温度降低,它是通过热传递方式改变内能的,所以应选B。
正误判断(1)某一系统经历绝热过程时,只要初末状态相同,则做功数量也一定相同。( )(2)在绝热过程中,做功方式不同会直接影响系统状态变化的最终结果。( )(3)在绝热过程中,系统对外界做的功等于系统内能的增加量。( )(4)功和内能都是能量转化的量度。( )(5)搓搓手会感到手暖和些,是通过做功改变了手的内能。( )(6)外界对物体做功多,就意味着物体的内能大。( )(7)热传递过程具有一定的方向性。( )
(8)在任何情况下,公式ΔU=Q都适用。( )(9)温度高的物体含有的热量多。( )(10)热量一定从内能多的物体传递给内能少的物体。( )(11)做功和热传递都能改变物体的内能。( )(12)热传递改变内能的实质是能量的转移。( )
温度、内能和热量的区别与联系
特别提醒对于一定质量的理想气体来讲，由于忽略了分子势能，所以分子动能即为内能，温度越高则内能越大
(1)功是能量转化的量度,是过程量,而内能是状态量。
(2)做功过程中,能量一定会发生转化,而内能不一定变化,只有在绝热过程中,做功才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,只有内能变化较大时,才对应着做功较多。
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,系统内能的变化量等于外界对系统所做的功
变式训练(多选)在外界不做功的情况下,物体的内能增加了50 J,下列说法中正确的是( )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 JD.物体的分子平均动能可能不变解析在外力不做功的情况下,内能的改变等于传递的热量,内能增加,一定是吸收了相等能量的热量,故选项A错误,选项B正确;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并不一定是分子平均动能增加了50 J,物体的分子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,比如晶体的熔化,故选项C错误,选项D正确。
如图所示是古人锻造铁器的过程,关于改变物体内能的方式,下列说法正确的是( )A.加热和锻打属于热传递,淬火属于做功B.加热属于热传递,锻打和淬火属于做功C.加热和淬火属于热传递,锻打属于做功D.加热和淬火属于做功,锻打属于热传递解析用铁锤锻打铁器,铁器会发热,属于做功改变物体内能;用火对铁器加热,铁器从火中吸收热量,把铁器放在水中淬火,铁器向水中放热,所以加热和淬火属于热传递改变物体内能,故选项C正确。
1.改变内能的两种方式:做功与热传递。联系:两者在改变系统内能方面是等价的,一定数量的功与确定数量的热相对应。区别:做功是内能与其他形式能量的相互转化,而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。2.热力学第一定律的内容:一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的和。3.热力学第一定律的表达式:ΔU=Q+W。
热力学第一定律的意义热力学第一定律不仅反映了做功和热传递这两种改变内能的过程是等效的,而且给出了内能的变化量和做功与热传递之间的定量关系。此定律是标量式,应用时单位应统一为国际单位制中的焦耳(J)
2.热力学第一定律的符号法则
3.几种特殊情况(1)若过程是绝热的,即Q=0,则ΔU=W,物体内能的增加量等于外界对物体做的功。(2)若过程中不做功,即W=0,则ΔU=Q,物体内能的增加量等于物体从外界吸收的热量。(3)若过程的始末状态物体的内能不变,即ΔU=0,则W=-Q(或Q=-W),外界对物体做的功等于物体放出的热量(或物体吸收的热量等于物体对外界做的功)。
1.正误判断(1)外界对系统做功,系统的内能一定增加。( )(2)系统内能增加,一定是系统从外界吸收了热量。( )(3)系统从外界吸收热量5 J,内能可能增加5 J。( )(4)系统内能减少,一定是系统对外界做了功。( )(5)外界对热力学系统做功,W取正值;外界向热力学系统传递热量,Q取正值。( )(6)气体被压缩的过程中,外界对气体做功,则气体内能一定增加。( )(7)物体与外界不发生热交换,物体的内能也可能变化。( )
如图所示的汽缸,内部封闭有一定质量的理想气体。外力推动活塞P压缩气体,对汽缸内气体做功800 J,同时气体向外界放热200 J,则汽缸内气体的( )A.温度升高,内能增加600 JB.温度升高,内能减少200 JC.温度降低,内能增加600 JD.温度降低,内能减少200 J解析由热力学第一定律ΔU=W+Q,得ΔU=800 J+(-200 J)=600 J,一定质量的理想气体的内能大小只与温度有关,ΔU=600 J>0,故温度一定升高,A选项正确。
一定质量的气体在某一过程中,外界对气体做了8×104 J的功,气体的内能减少了1.2×105 J,则根据热力学第一定律,下列各式中正确的是( )A.W=8×104 J,ΔU=1.2×105 J,Q=4×104 JB.W=8×104 J,ΔU=-1.2×105 J,Q=-2×105 JC.W=-8×104 J,ΔU=1.2×105 J,Q=2×104 JD.W=-8×104 J,ΔU=-1.2×105 J,Q=-4×104 J解析因为外界对气体做功,W取正值,即W=8×104 J;气体的内能减少,ΔU取负值,即ΔU=-1.2×105 J;根据热力学第一定律ΔU=W+Q,可知Q=ΔU-W=-1.2×105 J-8×104 J=-2×105 J,即B选项正确。
一定质量的理想气体,从某一状态开始,经过一系列变化后又回到开始的状态,用W1表示外界对气体做的功,W2表示气体对外界做的功,Q1表示气体吸收的热量,Q2表示气体放出的热量,则在整个过程中一定有( )A.Q1-Q2=W2-W1B.Q1=Q2C.W1=W2D.Q1>Q2解析对一定质量的理想气体,经过一系列的状态变化后又回到原状态,表明整个过程中内能的变化为零,即通过做功和热传递引起的内能变化相互抵消,所以A选项正确。当然,若Q1=Q2,则必定有W1=W2;若Q1>Q2,则必定有W1
变式训练1(2020北京期末)如图所示,一个密闭汽缸封闭着一部分空气。用活塞压缩汽缸里的空气,对空气做了900 J的功,同时汽缸向外散热200 J,则汽缸中空气的内能( )A.减少了1 100 JB.增加了1 100 JC.减少了700 JD.增加了700 J解析内能增加量ΔU=Q+W,代入已知数据ΔU=900 J-200 J=700 J,所以汽缸里的空气的内能增加了700 J,故D正确,A、B、C错误。
(多选)用密封性好、充满气体的塑料袋包裹易碎品,如图所示,充气袋四周被挤压时,假设袋内气体与外界无热交换,则袋内气体( )A.体积减小,内能增大B.体积减小,压强减小C.对外界做负功,内能增大D.对外界做正功,压强减小解析实际气体在温度不太低、压强不太大时可看作理想气体。充气袋被挤压,气体体积减小,外界对气体做正功,则W>0,即气体对外界做负功,由于袋内气体与外界无热交换,即Q=0,根据热力学第一定律ΔU=W+Q知,内能增大,选项A、C正确;根据理想气体状态方程可判断压强一定增大,选项B、D错误。
4.空气压缩机在一次压缩中,活塞对空气做了2×105 J 的功,同时空气的内能增加了1.5×105 J,这一过程中空气向外界传递的热量是多少?解析选择被压缩的空气为研究对象,根据热力学第一定律有ΔU=W+Q。由题意可知W=2×105 J,ΔU=1.5×105 J,代入上式得Q=ΔU-W=1.5×105 J-2×105 J=-5×104 J。负号表示空气向外释放热量,即空气向外界传递的热量为5×104 J。答案5×104 J
能力提升——热力学第一定律与气体状态方程的综合应用如图所示,一定质量的理想气体由a状态变化到b状态,请在图像基础上思考以下问题:(1)在变化过程中气体对外界做功还是外界对气体做功?(2)在变化过程中气体吸热还是向外放热?气体内能增加了还是减少了?要点提示(1)气体对外界做功 (2)吸热 内能增加
解析由题意知一定质量的理想气体由状态A经过程Ⅰ变至状态B时体积增大,W1为负,Q1为正,ΔU=W1+Q1=420 J-300 J=120 J,内能增加120 J。由图可知当气体从状态B经过程Ⅱ回到状态A时体积减小,W2为正;ΔU'=W2+Q2,代入数据解得Q2=-320 J,放出热量,故A、B、C错误,D正确。
重点突破题型二————热力学第一定律的实际应用
规律方法 应用热力学第一定律解题的方法(1)首先应明确研究对象是哪个物体或者是哪个热力学系统;(2)分别列出物体(或系统)吸收或放出的热量,外界对物体(或系统)所做的功或物体(或系统)对外界所做的功;(3)根据热力学第一定律ΔU=Q+W列出方程进行求解;(4)特别注意的就是物理量的正负号及其物理意义。
变式训练2(2020湖北武汉期中)如图所示,汽缸内封闭一定质量的理想气体,活塞通过定滑轮与一重物m相连并处于静止状态,此时活塞到缸口的距离h=0.2 m,活塞面积S=10 cm2,封闭气体的压强p=5×104 Pa,现通过电热丝对缸内气体加热,使活塞缓慢上升直至缸口。在此过程中封闭气体吸收了Q=60 J的热量,假设汽缸壁和活塞都是绝热的,活塞质量及一切摩擦力不计,则在此过程中气体内能的增加量为( )A.70 JB.60 J C.50 JD.10 J
解析活塞移动过程中,汽缸内气体对外界做功:W=Fx=pSh=5×104×10×10-4×0.2 J=10 J,由热力学第一定律得,汽缸内气体内能的变化量:ΔU=Q+(-W)=60 J-10 J=50 J。汽缸内的气体内能增加了50 J,故C正确,A、B、D错误。
焦耳的实验情境探究在焦耳的许多实验中,有两个最具有代表性:一个实验是让重物下落带动叶片搅拌容器中的水,引起水温上升;另一个实验是通过电流的热效应给水加热。焦耳的这两个实验说明了什么问题?要点提示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,而与做功方式无关。
知识归纳焦耳的两个代表性实验
二、焦耳的实验1.实验条件绝热过程:系统不从外界吸热,也不向外界放热。2.代表性实验(1)让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.实验结论在各种不同的绝热过程中,如果使系统从状态1变为状态2,所需外界做功的数量是相同的,即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1、2决定,而与做功的方式无关。
A.能量守恒定律B.机械能守恒定律C.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
解析通过这两个实验,可得出的结论是,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,其余选项不是这两个实验的结论
变式训练1(多选)如图为焦耳实验装置图,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.这个装置可测定热量与做功的关系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
解析该实验可测定做功和热量的关系,A正确;该实验是绝热过程,没有热传递,内能的改变是由于做功,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,B、D错误。
如图所示,厚壁容器的一端通过胶塞插进一支灵敏温度计和一根气针,另一端有个用卡子卡住的可移动胶塞。用打气筒慢慢向容器内打气,使容器内的压强增大
到一定程度,这时读出温度计示数。打开卡子,胶塞冲出容器口后( )A.温度计示数变大,实验表明气体对外界做功,内能减少B.温度计示数变大,实验表明外界对气体做功,内能增加C.温度计示数变小,实验表明气体对外界做功,内能减少D.温度计示数变小,实验表明外界对气体做功,内能增加
解析胶塞冲出容器口后,气体膨胀,对外做功。由于是厚壁容器,基本没有热传递,由W=ΔU可知内能减小。内能等于物体内所有分子动能和势能之和,体积增大,势能增大,可知分子平均动能减小,所以温度降低。
变式训练2如图所示,在紫铜管内滴入乙醚,盖紧管塞,乙醚变为气体。用手拉住绳子两端迅速往复拉动,管塞会被冲开。管塞被冲开前( )A.外界对管内气体做功,气体内能增大B.管内气体对外界做功,气体内能减小C.管内气体内能不变,压强变大D.管内气体内能增大,压强变大解析绳与紫铜管间的摩擦力做功,使管壁内能增大,温度升高。通过热传递,乙醚的内能增大,温度升高。管塞被冲开前管内气体内能增大,压强变大。选项D正确。
功与内能的改变情境探究打气筒是日常生活中的一种工具,当我们用打气筒给自行车打气时,就是在克服气体压力和摩擦力做功。打气的过程中你有没有试着去摸一下打气筒的外壳?有什么感觉?打气筒的温度升高了,这是怎么回事呢?要点提示做功的过程是能量转化的过程,做功使得系统的内能增加了,所以温度升高。
热与内能的改变情境探究“围炉夜话”是古代中国文人认为非常有生活情趣的一种生活方式。在“围炉”的过程中,人的身体并没有和炉子本身发生接触,为什么还能够感到温暖?现代取暖的方式主要是暖气,暖气和炉子在能量传递方面有什么相同点?要点提示炉子和人身体没有发生接触也可以感到温暖是因为热量可以通过热传递向外扩散,这和暖气的散热方式是相同的。
实例引导例3 (多选)在实验室将一容积比较大的烧瓶放入冰箱冷冻室内,经过几小时后,将烧瓶从冰箱内迅速取出,并立即用小气球紧紧地套在烧瓶的瓶口,然后将烧瓶放入装有热水的烧杯中,如图所示,将烧瓶及气球内的气体看成是理想气体,气球弹性良好。则下列说法正确的是( )A.经过一段时间后气球会膨胀起来B.气球的体积一直都不会发生变化C.烧瓶及气球内的气体内能增加D.烧瓶及气球内的气体的压强一定变大
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