(讲义)第3章 1 功、热和内能的改变-【提分教练】2023-2024学年新教材高中物理选择性必修第三册(人教版2019)

1．功、热和内能的改变 1．了解焦耳的两个实验的原理，认识焦耳实验探究对建立热力学规律的意义。 2．会用功能关系构建内能的概念。 3．知道做功与传热在改变系统内能上的区别，并会区分热量和内能的概念。 4．理解做功与内能的改变和传热与内能的改变关系，会解释相关的现象。 　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。 如图所示，用绝热性良好的材料制作容器，容器中安装着翼轮。砝码下落时带动翼轮转动，搅拌容器中的水。 【问题】 (1)如何求得该装置机械能的减少量？ (2)这个实验说明了什么问题？ 提示：(1)机械能的减少量可由砝码质量和下降的高度求得。 (2)做功可以改变物体的内能，只要重力所做的功相同，容器内水温上升的数值就相同，即系统状态的变化是相同的。 焦耳的两个代表性实验 两个实验 实验一 实验二 实验装置 做功方式 通过重物下落带动叶片搅水，靠叶片与水摩擦使水温升高，通过机械功实现能量的转化 通过重物下落使发电机发电，电流通过电阻丝做功使水温升高，通过电功实现能量的转化 实验条件 容器及其中的水组成的系统与外界绝热 共性 外界对系统做的功数值上相同，系统温度上升的数值相同，内能改变量相同 【典例1】　如图是研究内能改变与做功之间关系的两个典型实验，那么从这两个实验中可得出的结论是(　　) 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 C　[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。] [跟进训练] 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 AC　[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，内能的改变是做功引起的，C正确；做功引起能量的转化，而热量表示热传递中内能的转移，二者有区别，B、D错误。] 　功与内能的改变 1．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，外界对系统所做的功等于系统内能的变化量，即ΔU＝W。 如图所示，瓶内装有少量的水，瓶口已塞紧，水上方空气中有水蒸气，用打气筒向瓶内打气，当塞子从瓶口跳出时，瓶内出现“白雾”。 【问题】 (1)打气时，瓶内气体会发生怎样的变化？ (2)塞子从瓶口跳出后，瓶内气体压强、温度发生怎样的变化？ (3)瓶内产生“白雾”的原因是什么？ 提示：(1)温度升高，压强增大。 (2)压强减小，温度降低。 (3)空气推动瓶塞做功，空气内能减小、温度降低，瓶内水蒸气液化成小水珠。 1．内能：物体的内能是指物体内所有分子的动能和势能的总和。 (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)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。 (3)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，只有变化较大才对应着做功较多。 【典例2】　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