第3章 1. 功、热和内能的改变-【新课程能力培养】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册学习手册（人教版2019）

学 第三册 （人教版）高中物理选择性必修 第三章 热力学定律 课 标 要 求 1. 知道热力学第一定律。 通过有关史实， 了 解热力学第一定律和能量守恒定律的发现 过程。 体会科学探索中的挫折和失败对科 学发现的意义。 2. 理解能量守恒定律。 能用能量守恒观点解 释自然现象。 体会能量守恒定律是最基 本、 最普遍的自然规律之一。 3. 通过自然界中宏观过程的方向性， 了解热 力学第二定律。 知 识 结 构 规 律 公 式 1. 热力学第一定律： W+Q＝ΔU 。 2. 能量守恒定律。 3. 热力学第二定律。 提 纲 挈 领 1. 本章通过对热现象的研究总结出热力学定 律， 它是热力学本质和规律的物理学原 理。 热力学第一定律是能量守恒定律在热 学上的应用， 热力学第二定律主要研究与 热现象有关的宏观过程方向性的问题。 2. 在知识上， 本章具有理论与实际密切结合 的特点， 热力学第一定律、 能量守恒定律 和热力学第二定律的得出都与生产、 生活 实际相联系。 3. 在思想方法上， 学生知识储备与本章学习 内容的要求差距较大， 可以通过比较法区 别温度、 内能及热量等概念， 通过类比机 械能守恒和电荷守恒定律来理解能量守恒 定律， 联系生活实际理解热现象宏观过程 的方向性， 掌握热力学第二定律。 4. 在高考方面， 主要考查对功、 热量、 内能 等概念的理解， 热力学第一定律、 能量守 恒定律和热力学第二定律主要考查这些规 律在生产、 生活实际中的应用问题。 本章 的知识点都是高考的 I 级要求， 题型为选 择题。 内能 功和内能 热和内能 等效 ! # # # # " # # # # $ 性 热力学第一定律 内容 表达式 符号规 ! # # # # " # # # # $ 则 两种表述 克劳修斯表述 开尔文表 表 述 微观解释 热力学第二定律 表 能量守恒定律： 内容 ! # # # # # # # # # # # # # # " # # # # # # # # # # # # # # $ 热 力 学 定 律 62 学 第三章 热力学定律 知 识 梳 理 知识点 1 焦耳的实验 1. 绝热过程 系统不从外界吸热， 也不向外放热， 这 样的过程叫作绝热过程。 隔热性能好的容器 可以看作系统是绝热过程； 如果一个热学过 程的状态变化发生得极快， 经历时间很短， 系统与外界变换的热量就很少， 这样的过程 可以看成绝热过程。 2. 焦耳的两个重要实验 （ 1 ） 重物下落带动叶片搅动容器中的水， 引 起水的温度升高。 实验结论： 在绝热过程中， 悬挂的重物 质量不同， 下落的高度不同， 只要重物对系 统所做的功相同， 一定质量的水的温度升高 相同。 （ 2 ） 利用电流的热效应给水加热。 实验结论： 在绝热过程中， 只要电功相 同， 一定质量的水的温度升高相同。 知识点 2 功与内能的改变 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. 功和内能的改变： 在热力学系统的绝热过 程中， 外界对系统做的功等于系统内能的 增加量， 即 ΔU＝W 。 知识点 3 热与内能的改变 1. 热传递 热传递的三种方式： 热传导、 热对流和 热辐射。 2. 物体内能变化与传热的关系 传热也可以改变物体的内能， 物体从外 界吸收热量， 则内能要增加； 物体向外界放 热， 则内能要减少 （不计做功的影响）。 在 只有传热的情况下， 物体内能的变化量在 数值上等于物体吸收或放出的热量， 公式 ΔU=Q 。 知识点 4 做功、 传热和内能的改变 1. 比较做功和传热 做功和传热在改变物体的内能上是等效 的， 但二者本质不同。 做功改变物体的内 能， 是其他形式的能和内能之间的相互转 化； 传热改变物体的内能， 是物体间或一个 物体的不同部分之间内能的转移。 2. 比较内能、 做功和热量 内能是状态量， 而功、 热量是能量转 化、 转移的量度， 是伴随某个物理过程存在 的物理量， 所以功和热量是过程量。 1. 功、 热和内能的改变 63 学 第三册 （人教版）高中物理选择性必修 要 点 突 破 要点 1 理解物体内能的改变 物体内所有分子做无规则热运动的动能 和分子势能的总和叫物体的内能。 1. 从微观角度看， 由于分子的平均动能与分 子热运动的激烈程度有关， 分子势能与 分子距离有关， 所以物体的内能与分子 热运动的激烈程度和距离有关； 需要注 意的是物体的内能不是指单个分子的动 能和势能之和， 因此物体的内能还与物 体内的分子数有关， 分子数目越多， 物体 的内能越大。 2. 从宏观角度看， 由于分子的平均动能与温 度有关， 分子势能与物体的体积有关， 所 以物体的内能与物体的温度和体积有关， 另外， 物体内的分子数取决于物质的摩尔 数， 所以物体的内能还跟摩尔数有关。 3. 内能与机械能的区别： 内能与机械能是两 种不同形式的能量。 内能是由物体内大量 分子的热运动和分子间的相对位置决定的 能量， 这与物体的温度、 体积等因素有 关， 而机械能是由物体做机械运动和物体 的形变决定的能量， 它是对宏观物体整体 来说的， 物体具有内能的同时又可以具有 机械能。 一个静止在地面上的物体， 如果 以地面为零势能面， 那么物体的机械能为 0 ， 但是这个物体内的分子却始终处在永 不停息的热运动中， 所以它的内能绝不为 0 ， 内能和机械能在一定条件下可以相互 转化。 例 1 （多选） 有关物体的内能， 以下说法正 确的是 （ ） A. 1 g 温度为 0 ℃ 水的内能比 1 g 温度为 0 ℃ 冰的内能大 B. 电流通过电阻后电阻发热， 它的内能增 加是通过热传递方式实现的 C. 气体膨胀， 它的内能一定减少 D. 橡皮筋被拉伸时， 分子间势能增加 解析： 0 ℃ 的水和 0 ℃ 的冰分子平均动能相 同， 但内能并不相同， 水结成冰时要放出热 量 （忽略此过程的膨胀功）， 说明相同质量 的水的内能大 （水的分子势能比冰的分子势 能大）， A 正确； 电流通过电阻发热， 是由 于电流做功将电能转化为内能的过程， 而不 是热传递过程， 故 B 错误； 气体膨胀对外做 功， 但有可能吸收更多的热量， C 错误； 橡 皮筋被拉伸时， 会产生弹力， 此弹力是分子 引力的宏观表现， 分子势能随分子间距离的 增大而增大， 故 D 正确。 答案： AD 变式训练 1 关于温度与内能的关系， 下列说法正确 的是 （ ） A． 不同质量的同种物质， 只要温度相同 ， 分子的平均动能就相同 从微观角度看， 物体的内能是物体 内所有分子做无规则热运动的动能和分 子势能的总和。 同一种物质， 物体的内 能与温度、 体积、 分子数和物态有关 ； 不同物质， 物体的内能还与物质分子结 构有关。 思路点拨 64 学 第三章 热力学定律 B． 物体的内能变化时， 它的温度一定改变 C． 物体的温度升高时， 每个分子的动能都 增大 D． 物体的内能等于物体的动能与势能的 总和 要点 2 功与内能的改变 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 增加量 ΔU 就等于外界对系统所做的功 W ， 用式子表示为 ΔU＝U 2 -U 1 ＝W 。 2. 内能的改变量的特点： 系统内能的改变量 ΔU 只与初、 末状态的内能 U 1 和 U 2 有关， 与做功的过程、 方式无关。 3. 做功改变内能的特点： 非内能转化为内 能， 一定需要做功。 一般题中出现 “摩 擦” “折” “敲打” “锯” 是属于做功增 加内能； 而推动物体整体运动， 属于做功 增加物体的动能。 4. 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， 只有内能变化量较大时， 对应着做功才能较多。 例 2 （多选） 如图所示， 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 而静止。 在这一过 程中 ， 下述空气内能的改变量 ΔU 、 外界对气体所做的功 W 与物体及活 塞的重力势能的变化关系不正确的是 （ ） A. Mgh＋mgΔh＝ΔU＋W B. ΔU＝W ， W＝Mgh＋mgΔh C. ΔU＝W ， W<Mgh＋mgΔh D. ΔU≠W ， W＝Mgh＋mgΔh 解析： 物体与活塞碰撞时有机械能损失， 因 此物体和活塞重力势能的减少量大于气体内 能的增加量； 根据功与内能增加量的关系可 知， 外界对气体所做的功 W 与空气内能的 变化量相等， 因此 ΔU＝W ， W<Mgh＋mgΔh ， C 正确， A 、 B 、 D 错误。 特别注意： 物体与活塞碰撞时有机械能 损失。 答案： ABD 变式训练 2 （多选） 如图所示， 由导 热材料制成的汽缸和活塞将 一定质量的理想气体封闭在 汽缸内， 活塞与汽缸壁之间 无摩擦， 活塞上方存有少量 液体。 将一细管插入液体， 由于虹吸现象， 活塞上方液体缓慢流出。 在此过程中， 大气 压强与外界的温度保持不变。 关于这一过 变式训练 2 题图 A B h Δh 例 2 题图 物体与活塞碰撞后达到共速， 属于 完全非弹性碰撞， 之后它们再一起压缩 汽缸内的气体， 对封闭气体做功。 思路点拨 65 学 第三册 （人教版）高中物理选择性必修 程， 下列说法正确的是 （ ） A． 汽缸内气体的内能保持不变 B． 汽缸内气体的内能不断减小 C． 气体对外界做的功大于气体从外界吸收 的热量 D． 气体对外界做的功等于气体从外界吸收 的热量 要点 3 热量与内能、 温度、 功的关系 1. 热量与内能 内能是由系统的状态决定的， 若状态改 变， 那么系统的内能也随之改变。 要使系统 的内能发生改变， 可以通过做功和热传导两 种方式来实现。 热量是热传导过程中的特征物理量， 它 是反映物体在热传导过程中所迁移的能量， 是用来衡量物体内能变化多少的物理量， 热 量是过程量， 内能是状态量， 因此不能说物 体或系统具有多少热量， 只能说物体或系统 具有多少内能。 2. 热量与温度 在没有做功时， 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 运动的激烈程度的标志， 虽然热传导的条件 是两个系统之间存在温度差， 但是热传导的 是能量， 而不是温度。 热传导不仅可以使系统温度发生改变， 还可以使系统分子聚集状态 （即物态） 发生 改变， 在系统物态变化过程中， 传递给系统 的热量并不一定使系统的温度发生变化， 例 如 0 ℃ 的冰吸热变成 0 ℃ 的水， 因此不能说 “系统吸热， 温度一定升高”。 系统放出热量 多少， 不但与温度的变化量有关， 还与系统 的比热容和质量有关系， 因此， 热量和温度 之间虽然有一定的联系， 但它们是完全不同 的两个物理量。 3. 热量与功 热量与功都是系统内能变化的量度， 都 是过程量， 在改变系统的内能上是等效的， 但二者本质不同。 做功改变物体的内能， 是 其他形式的能和内能之间的相互转化； 传热 改变物体的内能， 是物体间或一个物体的不 同部分之间内能的转移。 例 3 下列关于温度、 热量和内能的说法正 确的是 （ ） A. 热量能够从高温物体传递到低温物体 ， 也能从低温物体传递到高温物体 B. 静止的物体没有内能 C. 温度高的物体比温度低的物体含有的热 量多 D. 物体吸收热量， 其温度一定升高 解析： 热量能够自发地从高温物体传递到低 温物体， 在外界影响下也能够从低温物体传 递到高温物体， 比如电冰箱， 故 A 正确； 物 体的内能是指物体内部所有分子的动能和分 子势能之和， 由于分子永不停息地做无规则 运动， 所以任何物体都有内能， 故 B 错误； 热量能够从高温物体传递到低温物 体， 在外界影响下也可以从低温物体传 递到高温物体； 内能是指物体内部所有 分子的分子动能和分子势能的和， 任何 物体都有内能； 热量是过程量， 不是状 态量。 改变物体内能的两种方式： 做功 和热传递。 思路点拨 66 学 第三章 热力学定律 热量是过程量， 只有吸、 放热过程中， 才能 比较热量的多少， 故 C 错误； 物体吸收了热 量， 可能用来加快分子的无规则运动， 即表 现在物体的温度升高； 也可能用来改变物体 的状态， 比如晶体的熔化过程。 所以， 物体 吸收了热量， 物体的温度可能升高， 也可能 不变， 故 D 错误。 答案： A 变式训练 3 关于内能、 温度和热量， 下列说法正确 的是 （ ） A． 物体的温度升高时， 一定吸收热量 B． 物体沿斜面下滑时， 内能将增大 C． 物体沿斜面匀速下滑时， 内能可能增大 D． 内能总是从高温物体传递给低温物体 ， 当内能相等时热传导停止 要点 4 改变系统内能的两种方式 1. 传热的三种方式 （ 1 ） 热传导： 热量从系统的一部分传到另一 部分或由一个系统传到另一系统的现象 叫作热传导。 热传导实质是由物质中大 量的分子热运动互相撞击， 而使能量从 物体的高温部分传至低温部分， 或由高 温物体传给低温物体的过程。 在固体 中， 热传导的微观过程是： 在温度高的 部分， 晶体中结点上的微粒振动动能较 大； 在低温部分， 微粒振动动能较小。 因微粒的振动互相作用， 所以在晶体内 部， 内能由分子动能大的部分向分子动 能小的部分传导。 固体中热的传导， 就 是能量的迁移。 （ 2 ） 热对流： 液体或气体中较热部分和较冷 部分之间通过循环流动使温度趋于均匀 的过程叫作对流。 对流是液体和气体中 热传递的特有方式， 气体的对流现象比 液体明显。 （ 3 ） 热辐射： 物体因自身的温度而具有向外 发射能量的本领， 这种热传递的方式叫 作热辐射。 热辐射虽然也是热传递的一 种方式， 但它和热传导、 对流不同。 它 能不依靠介质把热量直接从一个系统传 给另一系统。 热辐射以电磁辐射的形式 发射能量， 温度越高， 辐射越强。 辐射 的波长分布情况也随温度而变， 如温度 较低时， 主要以不可见的红外光进行辐 射， 在 500 ℃ 以至更高的温度时， 则顺 次发射可见光以至紫外辐射。 2. 改变系统内能的两种方式的关系 做功和传热在改变物体的内能上是等效 的， 但二者本质不同。 做功改变物体的内 能， 是其他形式的能和内能之间的相互转 化； 传热改变物体的内能， 是物体间或一个 物体的不同部分之间内能的转移。 系统不与外界发生传热 （绝热过程）， 外界对系统做功， 系统内能增加； 系统对外 界做功， 系统内能减少； 功与内能变化量 数值相等。 系统与外界之间没有做功的关 系， 系统吸热， 内能增加； 系统放热， 内能 减少。 例 4 做功和热传递是改变物体内能的两种 途径， 下面例子中通过热传递来改变 物体内能的是 （ ） A. 用打气筒打气， 筒壁变热 B. 手感到冷时， 搓搓手就会觉得暖和些 67 学 第三册 （人教版）高中物理选择性必修 C. 阳光照射衣服， 衣服的温度升高 D. 擦火柴时， 火柴头上的红磷温度升高到 燃点， 火柴燃烧起来 解析： 打气筒打气时气筒壁发热， 即通过做 功的方式改变内能， 故 A 错误； 搓搓手就会 觉得暖和些， 是通过做功将体内的化学能转 化为内能， 故 B 错误； 阳光照射衣服是通过 热传递的方式改变衣服的内能， 故 C 正确； 擦火柴时， 是通过做功使火柴头上的红磷温 度升高， D 错误。 答案： C 变式训练 4 （多选） 如图所示， 透明瓶内有一些水， 水的上方有水蒸气， 用橡皮塞把瓶口封住， 用打气筒向瓶内打气， 当瓶内气压增大到某 一值时瓶塞会突然跳出， 此时观察到瓶内有 白雾产生。 关于上述过程下列说法正确的有 （ ） A． 快速向瓶内打入气体的过程， 气体状态 变化是等容变化 B． 快速向瓶内打入气体时， 瓶内水蒸气分 子密度保持不变 C． 瓶塞突然跳出瞬间气体对外做功， 瓶内 气体温度降低 D． 瓶内瞬间形成的白雾是悬浮在气体中的 小水滴 拓 展 创 新 最近， 《科学》 杂志报道了一种新型 超材料薄膜， 在不需要电源的情况下可以 达到对热源物体强化冷却的效果。 这种超 材料由一层金属银及其下面的玻璃聚合物 复合而成， 它能够依靠被动辐射冷却来自 然散热， 从其覆盖的物体中吸收热量向外 散去。 也就是说， 它能够在无须冷却水和 零能量损耗的情况下， 像空调系统一样冷 却烈日下的建筑物。 譬如， 为了达到冷却 屋顶的效果， 可以把这种超材料轧制在屋 顶表面， 它会自动把太阳辐射的能量反射 回到空间中， 并从室内吸收热量， 从而达 到室内散热的效果。 关于这种超材料， 下 列说法正确的是 （ ） A． 为实现冷却功能， 需要为这种超材料提 供电能 B． 为实现冷却功能， 需要为这种超材料提 供机械能 C． 这种超材料反射太阳光时可以从其覆盖 的物体中吸热 D． 这种超材料反射太阳光时不能从其覆盖 的物体中吸热 解析： 由题干可知 “能够依靠被动辐射冷却 来自然散热， 从其覆盖的物体中吸收热量向 外散去。 也就是说， 它能够在无须冷却水和 解决此类问题要知道改变物体内能 的方式有两种： 做功和热传递。 热传递 过程是内能的转移过程， 而做功过程是 能量的转化过程。 思路点拨 变式训练 4 题图 68 学 第三章 热力学定律 2. 热力学第一定律 零能量损耗的情况下， 像空调系统一样冷却 烈日下的建筑物” 无须提供电能和机械能， 它从其覆盖的物体中吸收热量， 故 A 、 B 、 D 错误， C 正确。 答案： C 变式训练答案 1. A 2. AD 3. C 4. CD 知 识 梳 理 知识点 1 热力学第一定律 1. 热力学第一定律内容： 一个热力学系统的 内能变化量等于外界向它传递的热量与外 界对它所做的功的和。 2. 表达式： ΔU=W+Q 。 知识点 2 热力学第一定律的应用 在运用热力学第一定律解决问题时， 首 先需要确定研究对象。 对于公式 ΔU＝Q＋W ， 我们可以这样理解： 外界对系统做功有助于 系统内能的增加， 因此， 外界对系统做功 时， W 取正值； 而系统对外界做功时， W 取负值。 同理， 外界对系统传递热量有助于 系统内能的增加， 因此， 外界对系统传递的 热量 Q 取正值； 而系统向外界传递的热量 Q 就取负值。 要 点 突 破 要点 1 热力学第一定律的应用 1. 热力学第一定律内容： 一个热力学系统内 能的变化量等于外界向它传递的热量与外 界对它所做的功的和。 2. 表达式： ΔU=W+Q 。 3. 对公式 ΔU=Q+W 符号的规定： 例 1 自热米饭因其便于加热和携带越来越 受到大众的欢迎。 自热米饭盒内有一 个发热包 ， 遇水发生化学反应而产 生大量热 能 ， 不 需 要 明 火 ， 温 度 可超过 100 ℃ ， 盖上盒盖便能在 10～ 15 min 内迅速加热食品。 自热米饭的 盖子上有一个透气孔， 如果透气孔堵 塞， 容易造成小型爆炸。 下列说法正 确的是 （ ） A． 自热米饭盒爆炸， 是盒内气体温度升高， 气体分子间斥力急剧增大的结果 B． 在自热米饭盒爆炸的瞬间， 盒内气体内 能增加 C． 在自热米饭盒爆炸的瞬间， 盒内气体温 度降低 D． 自热米饭盒爆炸前， 盒内气体温度升高， 标志着每一个气体分子速率都增大了 符号 W Q ΔU ＋ 外界对物体做功 物体吸收热量 内能增加 － 物体对外界做功 物体放出热量 内能减少 69