3.1功、热和内能的改变-2024-2025学年高二物理同步讲练（人教版2019选择性必修第三册）

3.1 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的关系，会解释相关的现象。 在空气压缩引火仪底部放置少量的硝化棉，迅速压下筒中的活塞，可以观察到硝化棉燃烧的火苗。为什么筒底的硝化棉会被点燃呢？你能解释这个现象吗？ 知识点一、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)重物下落时带动叶片转动，搅拌容器中的水，水由于摩擦而温度上升． (2)通过电流的热效应给液体加热． 3．实验结论：在热力学系统的绝热过程中，外界对系统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． 4．内能：只依赖于热力学系统自身状态的物理量． 知识点二、功与内能的改变 1．功与内能的改变 在热力学系统的绝热过程中，当系统从状态1经过绝热过程达到状态2时，内能的变化量ΔU＝U2－U1，等于外界对系统所做的功W，即ΔU＝W. 2．理解 (1)ΔU＝W的适用条件是绝热过程． (2)在绝热过程中：外界对系统做功，系统的内能增加；系统对外做功，系统的内能减少． 知识点三、热与内能的改变 1．传热 (1)条件：物体的温度不同． (2)传热：热从高温物体传到了低温物体． 2．热和内能 (1)热量：在单纯的传热过程中系统内能变化的量度． (2)热与内能的改变 当系统从状态1经过单纯的传热达到状态2时，内能的变化量ΔU＝U2－U1等于外界向系统传递的热量Q，即ΔU＝Q. (3)传热与做功在改变系统内能上的异同． ①做功和传热都能引起系统内能的改变． ②做功时，内能与其他形式的能发生转化；传热只是不同物体(或一个物体的不同部分)之间内能的转移． 改变内能的两种方式的比较 比较项目 做功 热传递 内能变化 外界对物体做功，物体的内能增加；物体对外界做功，物体的内能减少 物体吸收热量，内能增加；物体放出热量，内能减少 物理实质 其他形式的能与内能之间的转化 不同物体间或同一物体不同部分之间内能的转移 相互联系 做一定量的功和传递相同量的热量在改变内能的效果上是相同的 [例题1] 如图所示是焦耳研究热与功之间关系的两个典型实验，那么从焦耳的这两个实验中可得出的结论是（　　） A．热量可由高温物体传给低温物体 B．机械能守恒 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 [例题2] 下列生活场景中，通过做功来改变物体内能的是（　　） A．搓动双手感到暖和 B．用嘴向手“哈气”感到暖和 C．晒太阳 D．冬天生火取暖 [例题3] 对于一定质量的气体经历一缓慢的绝热膨胀过程，设气体分子间的势能不计，则在此过程中（　　） A．气体密度变大 B．气体压强保持不变 C．气体对外界做功，气体分子的平均动能减少 D．外界对气体做功，气体分子的平均动能增加 [例题4] 下列说法中正确的是（　　） A．温度是分子平均动能的标志，温度越高，分子热运动的平均动能越大 B．两个不同的物体，只要温度和体积相同，内能就相同 C．物体的温度越高，它的每一个分子热运动的速率一定越大 D．温度高的物体一定比温度低的物体内能大 [练习1] 如图所示，一定质量的理想气体密封在内壁光滑的绝热容器中，容器内装有可以活动的绝热活塞。现用力F使活塞缓慢向下移动一小段距离。在该过程中，气体的（　　） A．温度不变，压强增大 B．温度升高，压强不变 C．温度不变，内能不变 D．温度升高，内能增大 [练习2] 关于温度、热量、功和内能，以下说法正确的是（　　） A．同一物体温度高时，含有的热量多 B．物体的内能越大，含有的热量就越多，温度也越高 C．外界对系统做功W，内能必定增加 D．两物体之间发生热传递的条件是存在温度差 [练习3] 如图所示，一足够长薄壁导热气缸开口向下用轻绳悬挂在天花板上，气缸的横截面积为S，不计厚度的活塞与气缸之间无摩擦，活塞和气缸之间封闭一定质量的理想气体，大气压强为p0，环境温度不变。活塞稳定时距气缸底部的距离为l，在活塞的底部中心悬挂一个轻质小桶，往小桶中缓慢加细沙，当所加细沙质量为m时，活塞距气缸底部的距离为2l，下列说法正确的是（　　） A．外界对气体做正功 B．气体放出热量 C．活塞的质量 D．活塞的质量 [练习4] 做功和热传递都能够改变物体的内能。在下列改变物体内能的方法中，属于做功过程的是（　　） A．炉火上的壶水逐渐升温的过程 B．柴油机气缸内气体被压缩的过程 C．物体在阳光下被晒热的过程 D．把烧红的铁块投入水中使铁块温度降低的过程 [练习5] （多选）下列关于热量的说法正确的是（　　） A．高温物体含有的热量多 B．内能高的物体含有的热量多 C．热量、功和内能的单位相同 D．热量和功都是过程量，而内能是一个状态量 [练习6] （多选）在光滑水平面上运动的物体，受到一个与速度同方向的推力，物体的温度与环境温度相同，在这个过程中以物体为研究对象，下列说法正确的是（　　） A．与传热等效的功是正功，物体的内能增加 B．与传热等效的功是零，内能不变 C．动能定理中的功是正功，动能增加 D．动能定理中的功是零，动能不变 [练习7] 在夏天的高温天气下，一辆家用轿车的胎压监测系统（TPMS）显示一条轮胎的胎压为3.20atm（1atm是指1个标准大气压）、温度为47℃。由于胎压过高会影响行车安全，故快速（时间很短）放出了适量气体，此时胎压监测系统显示的胎压为2.40atm、温度为27℃，设轮胎内部体积始终保持不变，气体视为理想气体，则下列说法正确的是（　　） A．由于轮胎内部体积不变，则气体不做功 B．此过程中放出的气体质量是原有气体质量的 C．由于温度降低轮胎内每个气体分子的速率都变小 D．轮胎内的气体分子单位时间内撞击轮胎的次数可能不变 1 / 1 学科网（北京）股份有限公司 $$ 3.1 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的关系，会解释相关的现象。 在空气压缩引火仪底部放置少量的硝化棉，迅速压下筒中的活塞，可以观察到硝化棉燃烧的火苗。为什么筒底的硝化棉会被点燃呢？你能解释这个现象吗？ 知识点一、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)重物下落时带动叶片转动，搅拌容器中的水，水由于摩擦而温度上升． (2)通过电流的热效应给液体加热． 3．实验结论：在热力学系统的绝热过程中，外界对系统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． 4．内能：只依赖于热力学系统自身状态的物理量． 知识点二、功与内能的改变 1．功与内能的改变 在热力学系统的绝热过程中，当系统从状态1经过绝热过程达到状态2时，内能的变化量ΔU＝U2－U1，等于外界对系统所做的功W，即ΔU＝W. 2．理解 (1)ΔU＝W的适用条件是绝热过程． (2)在绝热过程中：外界对系统做功，系统的内能增加；系统对外做功，系统的内能减少． 知识点三、热与内能的改变 1．传热 (1)条件：物体的温度不同． (2)传热：热从高温物体传到了低温物体． 2．热和内能 (1)热量：在单纯的传热过程中系统内能变化的量度． (2)热与内能的改变 当系统从状态1经过单纯的传热达到状态2时，内能的变化量ΔU＝U2－U1等于外界向系统传递的热量Q，即ΔU＝Q. (3)传热与做功在改变系统内能上的异同． ①做功和传热都能引起系统内能的改变． ②做功时，内能与其他形式的能发生转化；传热只是不同物体(或一个物体的不同部分)之间内能的转移． 改变内能的两种方式的比较 比较项目 做功 热传递 内能变化 外界对物体做功，物体的内能增加；物体对外界做功，物体的内能减少 物体吸收热量，内能增加；物体放出热量，内能减少 物理实质 其他形式的能与内能之间的转化 不同物体间或同一物体不同部分之间内能的转移 相互联系 做一定量的功和传递相同量的热量在改变内能的效果上是相同的 [例题1] 如图所示是焦耳研究热与功之间关系的两个典型实验，那么从焦耳的这两个实验中可得出的结论是（　　） A．热量可由高温物体传给低温物体 B．机械能守恒 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 【解答】解：A、在自然状态下热量从高温物体传递给低温，在一定条件下热量也可以由低温物体传递给高温物体，焦耳的实验是研究做功与热传递与内能变化间的关系，热量可以由高温物体传递到低温物体不是该实验得出的结论，故A错误； B、在只有重力或弹力做功的情况下机械能守恒，在焦耳的实验中，除重力做功外还有其它力做功，机械能不守恒，故B错误； CD、焦耳通过多次实验，最后得到的结论是，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C正确，D错误。 故选：C。 [例题2] 下列生活场景中，通过做功来改变物体内能的是（　　） A．搓动双手感到暖和 B．用嘴向手“哈气”感到暖和 C．晒太阳 D．冬天生火取暖 【解答】解：A、搓手时两手摩擦做功，机械能转化为内能，手的内能增加，温度升高，是通过做功改变内能的，符合题意； B、对手“哈气”是通过热传递的方式改变物体内能的，不符合题意； C、晒太阳是把太阳能转移到身上，是通过热传递的方式改变物体内能的，不符合题意； D、火炉取暖是通过热传递的方式改变物体内能的，不符合题意； 故选：A。 [例题3] 对于一定质量的气体经历一缓慢的绝热膨胀过程，设气体分子间的势能不计，则在此过程中（　　） A．气体密度变大 B．气体压强保持不变 C．气体对外界做功，气体分子的平均动能减少 D．外界对气体做功，气体分子的平均动能增加 【解答】解：A、气体的质量一定，体积增大，则气体的密度变小，故A错误。 B、因气体绝热膨胀，故气体对外界做功，但没有热交换，由热力学第一定律可知，气体内能减小，温度降低，由c，知气体的压强减小，故B错误。 CD、气体不计分子势能，故内能只与温度有关，因内能减小，故温度降低，可知分子的平均动能减小，故C正确，D错误。 故选：C。 [例题4] 下列说法中正确的是（　　） A．温度是分子平均动能的标志，温度越高，分子热运动的平均动能越大 B．两个不同的物体，只要温度和体积相同，内能就相同 C．物体的温度越高，它的每一个分子热运动的速率一定越大 D．温度高的物体一定比温度低的物体内能大 【解答】解：A．温度是分子平均动能的标志，温度越高，分子热运动的平均动能越大，故A正确； BD．物体的内能由温度、体积、物质的量及物态共同决定，两个不同的物体，温度和体积相同，它们的质量不一定相等，即内部所含有的分子数不一定相等，所以内能不一定相同，且温度高的物体不一定比温度低的物体内能大，故BD错误； C．温度是分子平均动能的标志，温度是大量分子热运动的宏观体现，物体的温度越高，分子热运动的平均速率越大，但不代表每一个分子热运动的速率大，故C错误。 故选：A。 [练习1] 如图所示，一定质量的理想气体密封在内壁光滑的绝热容器中，容器内装有可以活动的绝热活塞。现用力F使活塞缓慢向下移动一小段距离。在该过程中，气体的（　　） A．温度不变，压强增大 B．温度升高，压强不变 C．温度不变，内能不变 D．温度升高，内能增大 【解答】解：绝热系统，说明Q＝0。活塞缓慢向下移动时，封闭气体的体积减小，外界对气体做功，W＞0，根据热力学第一定律ΔU＝W+Q可知ΔU＞0，即气体内能增大，温度升高。根据理想气体状态方程知压强增大，故ABC错误，D正确。 故选：D。 [练习2] 关于温度、热量、功和内能，以下说法正确的是（　　） A．同一物体温度高时，含有的热量多 B．物体的内能越大，含有的热量就越多，温度也越高 C．外界对系统做功W，内能必定增加 D．两物体之间发生热传递的条件是存在温度差 【解答】解：AB、热量是一个过程量，是物体间进行热传递时内能的转移量，不能说物体含有多少热量，故AB错误； C、由于做功和热传递都可引起系统内能的变化，只根据做功无法准确判断系统内能的变化，故C错误； D、物体间发生热传递的条件是存在温度差，故D正确。 故选：D。 [练习3] 如图所示，一足够长薄壁导热气缸开口向下用轻绳悬挂在天花板上，气缸的横截面积为S，不计厚度的活塞与气缸之间无摩擦，活塞和气缸之间封闭一定质量的理想气体，大气压强为p0，环境温度不变。活塞稳定时距气缸底部的距离为l，在活塞的底部中心悬挂一个轻质小桶，往小桶中缓慢加细沙，当所加细沙质量为m时，活塞距气缸底部的距离为2l，下列说法正确的是（　　） A．外界对气体做正功 B．气体放出热量 C．活塞的质量 D．活塞的质量 【解答】解：A．根据题意可知，气体体积变大，气体对外界做功，则外界对气体做负功，故A错误； B．外界对气体做负功，又气缸导热，温度不变，根据热力学第一定律可知气体从外界吸收热量，故B错误； CD．设活塞质量为m0，不加细沙时，活塞受重力以及内、外气体的压力，可得p0S＝m0g+p1S 加细沙后，对活塞和细沙整体受力分析，可得p0S＝（m0+m）g+p2S 根据玻意耳定律可得p1lS＝p2•2lS 解得 故D正确，C错误。 故选：D。 [练习4] 做功和热传递都能够改变物体的内能。在下列改变物体内能的方法中，属于做功过程的是（　　） A．炉火上的壶水逐渐升温的过程 B．柴油机气缸内气体被压缩的过程 C．物体在阳光下被晒热的过程 D．把烧红的铁块投入水中使铁块温度降低的过程 【解答】解：A、炉火上的壶水逐渐升温的过程属于热传递中的对流，A错误； B、柴油机气缸内气体被压缩的过程属于做功改变内能，B正确； C、物体在阳光下被晒热的过程属于热传递中的热辐射，C错误； D、把烧红的铁块投入水中使铁块温度降低的过程属于热传递中热传导，D错误； 故选：B。 [练习5] （多选）下列关于热量的说法正确的是（　　） A．高温物体含有的热量多 B．内能高的物体含有的热量多 C．热量、功和内能的单位相同 D．热量和功都是过程量，而内能是一个状态量 【解答】解：AB、热量是一个过程量，不能说含有多少热量，故AB错误； C、热量、功和内能的单位相同，都是焦耳，故C正确； D、功是能量转化的量度，热量是物体内能转移的量度，都是过程量，而内能是一个状态量，故D正确。 故选：CD。 [练习6] （多选）在光滑水平面上运动的物体，受到一个与速度同方向的推力，物体的温度与环境温度相同，在这个过程中以物体为研究对象，下列说法正确的是（　　） A．与传热等效的功是正功，物体的内能增加 B．与传热等效的功是零，内能不变 C．动能定理中的功是正功，动能增加 D．动能定理中的功是零，动能不变 【解答】解：水平面光滑无摩擦，推力对物体做功只使物体机械运动的动能增加，没有机械能与内能之间的转化，因此物体的内能不变，故BC正确，AD错误。 故选：BC。 [练习7] 在夏天的高温天气下，一辆家用轿车的胎压监测系统（TPMS）显示一条轮胎的胎压为3.20atm（1atm是指1个标准大气压）、温度为47℃。由于胎压过高会影响行车安全，故快速（时间很短）放出了适量气体，此时胎压监测系统显示的胎压为2.40atm、温度为27℃，设轮胎内部体积始终保持不变，气体视为理想气体，则下列说法正确的是（　　） A．由于轮胎内部体积不变，则气体不做功 B．此过程中放出的气体质量是原有气体质量的 C．由于温度降低轮胎内每个气体分子的速率都变小 D．轮胎内的气体分子单位时间内撞击轮胎的次数可能不变 【解答】解：A、气体温度快速降低是因为气体与外界无热交换的情况下对外界做了功，则气体的内能减小，温度降低，故A错误； B、根据一定质量理想气体状态方程有： 把p1＝3.20atm，T1＝（273+47）K＝320K，p2＝2.40atm，T2＝（273+27）K＝300K代入解得：V2＝1.25V1 则此过程中放出的气体质量是原有气体质量的，故B正确； D、温度降低轮胎内气体分子的平均速率减小，但不是每个气体分子的速度都变小，故C错误； D、轮胎内的气体压强减小，温度降低，分子平均速率减小，质量减小，体积不变，分子数密度减小，单位时间内撞击轮胎的次数变少了，故D错误。 故选：B。 1 / 1 学科网（北京）股份有限公司 $$