第3章 1.功、热和内能的改变-【名师导航】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册同步讲义(人教版)

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　[F通过活塞对密闭的理想气体做正功，因容器及活塞绝热，故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，所以压强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。 [跟进训练] 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 D　[绳与紫铜管间的摩擦力对管壁做功，使管壁内能增大，温度升高。通过传热，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。] 　热与内能的改变 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，热从高温物体传到了低温物体。 2．热和内能的改变 (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。 提醒：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。 某同学做了一个小实验：先把空的烧瓶放入冰箱冷冻，一小时后取出烧瓶，并迅速把一个气球紧密地套在瓶颈上，然后将烧瓶放进盛满热水的烧杯里，气球逐渐膨胀起来。试探究： 【问题】 (1)烧瓶内的内能增加了还是减少了？ (2)请解释气球膨胀的原因。 提示：(1)增加了。 (2)由于热水的温度较高，将烧瓶放进盛满热水的烧杯里，烧瓶内的气体吸收了热水的热量，内能增加，温度升高，体积增大，故逐渐膨胀起来。 1．传热 (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，叫作传热。 (2)传热的三种方式：热传导、热对流和热辐射。 2．传热的实质 传热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)在单纯传热中，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)在单纯传热中，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．传热具有方向性 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 比较项目 做功 传热 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的不同部分之间内能的转移 相互联系 做一定量的功或传递一定量的热量在改变内能的效果上是相同的 【典例3】　(多选)(2022·上海金山中学高二期中)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．达到热平衡时，铜块的温度和铁块的相等 D．达到热平衡时，铜块的温度比铁块的低 AC　[热平衡条件是温度相等，传热的方向是从温度高的物体传向温度低的物体；在传热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。] [跟进训练] 3．(2022·内蒙古包头第六中学高二期中)下列说法正确的是(　　) A．物体的温度升高，物体所含的热量就增多 B．物体的温度不变，内能一定不变 C．热量和功的单位与内能的单位相同，所以热量和功都作为物体内能的量度 D．热量和功是由过程决定的，而内能是由物体的状态决定的 D　[热量是一个过程量，不能说物体含有多少热量，故A错误；物体的温度不变，内能不一定不变，例如，0 ℃的冰变为0 ℃的水内能增加，故B错误；功与热量都是能量转化的量度，热量和功都可以作为物体内能变化的量度，而不是内能的量度，故C错误；热量和功是由过程决定的，而内能是由物体的状态决定的，D正确。] 1．如图所示，绝热容器中间用隔板隔开，左侧装有气体，右侧为真空。现将隔板抽掉，使左侧气体自由膨胀直至达到平衡，则在此过程中(不计气体的分子势能)(　　) A．气体对外界做功，温度降低，内能减少 B．气体对外界做功，温度不变，内能不变 C．气体不做功，温度不变，内能不变 D．气体不做功，温度不变，内能减少 C　[抽掉隔板后，气体膨胀，体积增大，但由于右侧为真空，所以气体自由膨胀不做功，因而内能不变，温度不变，故C选项正确。] 2．(2022·河北唐山第十一中学高二期中)下列过程中，通过传热来改变物体内能的有(　　) A．用锯子锯木料，锯条温度升高 B．擦火柴时，火柴头燃烧起来 C．搓搓手就感觉手暖和些 D．阳光照射地面，地面温度升高 D　[用锯子锯木料，锯条温度升高，属于做功使物体内能增加，选项A错误；擦火柴时，火柴头燃烧起来，属于做功使物体内能增加，选项B错误；搓搓手就感觉手暖和些，属于做功使物体内能增加，选项C错误；阳光照射地面，地面温度升高，属于传热使物体内能增加，选项D正确。] 3．在商场一些柜台前常见到一种气压凳(如图)，它的高度可以调节且舒适性好。其原理结构简化模型就是一个汽缸活塞模型，内部封闭一定质量的氮气。如果有一个人坐上去，关于内部气体(可以看作理想气体，忽略与外界热交换)的说法正确的是(　　) A．内能减小 B．温度不变 C．压强变大 D．每个气体分子的速率都变大 C　[人坐上去，则气体被压缩，气体体积减小，压强增大，外界对气体做功，根据ΔU＝W可知内能增加，温度升高，分子平均速率变大，但是并非每个气体分子的速率都变大。] 4．(多选)早些年小孩子常用废圆珠笔芯做一种玩具，铁丝的一端缠绕棉花，用水打湿后从一端塞入笔芯内，将笔芯的另一端用力在马铃薯上戳一下拔出来，然后用力推铁丝，马铃薯小块高速飞出，能打出十几米远。下列说法正确的是(　　) A．在推铁丝而马铃薯小块未飞出的过程中，笔芯内密封的气体的温度升高 B．在推铁丝而马铃薯小块未飞出的过程中，气体对外做功 C．马铃薯小块高速飞出的动能来自气体内能 D．马铃薯小块高速飞出时外界对笔芯内气体做功 AC　[在快速推铁丝而马铃薯小块未飞出的过程中，外界对笔芯内封闭气体做功，内能增加，气体的温度升高，故A正确，B错误；马铃薯小块高速飞出时，笔芯内气体对马铃薯做功，气体内能减小，即马铃薯高速飞出的动能来自气体的内能，故C正确，D错误。] 回归本节知识，自我完成以下问题： 1．在绝热过程中，做功与内能变化的关系是什么？ 提示：外界对系统做的功等于系统内能的变化量。 2．热量和内能的改变是什么关系？ 提示：在单独的热传递过程中，热量是系统内能变化的量度。 3．热传递的方向性指的是什么？ 提示：自发地从高温物体传递到低温物体。 课时分层作业(九) 题组一　焦耳的实验 1．下列有关焦耳及焦耳的实验说法正确的是(　　) A．焦耳是法国物理学家，他的主要贡献是焦耳定律及测定热功当量 B．焦耳的实验用到的容器可以用普通玻璃容器代替 C．焦耳的实验研究对象是容器中的液体 D．焦耳的实验中要使容器及其中的液体升高相同的温度，实验中悬挂重物的质量、下落的高度可以不相同，但所做的功必须相同 D　[焦耳是英国物理学家，A错误；焦耳的实验用到的容器要求是绝热的，普通玻璃容器达不到绝热要求，B错误；焦耳的实验研究对象是容器及其中的液体组成的系统，C错误；要使容器及其中的液体升高相同的温度，即内能增加相同，悬挂重物所做的功必须相同，D正确。] 题组二　功与内能的改变 2．(2022·江苏盐城高二期末)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。] 3．一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加 B．外界对气体做功，气体分子的平均动能减少 C．气体对外界做功，气体分子的平均动能增加 D．气体对外界做功，气体分子的平均动能减少 D　[绝热膨胀过程气体体积增大，气体对外界做正功，外界对气体做负功，W<0，由ΔU＝W＝U2－U1知，气体的内能减少。由于气体分子间的势能可以忽略，分子总数不变，所以气体分子的平均动能减少。] 4．(2022·福建厦门一中高二开学考试)礼花喷射器原理如图。通过扭动气阀可释放压缩气罐内气体，产生的冲击力将纸管里填充的礼花彩条喷向高处，营造气氛。在喷出礼花彩条的过程中，罐内气体(　　) A．温度保持不变 B．内能减少 C．分子热运动加剧 D．通过热传递方式改变自身的内能 B　[高压气体膨胀对外做功，气体内能转化为礼花彩条的机械能，气体内能减少，温度降低，分子热运动减慢，故A、C错误，B正确；气体对外做功，内能减少，这是通过做功的方式改变自身的内能，故D错误。] 5．如图所示，在一个配有活塞的厚壁有机玻璃筒底放置一小团硝化棉，迅速向下压活塞，筒内气体被压缩后可点燃硝化棉。在筒内封闭的气体被活塞压缩的过程中(　　) A．气体对外界做正功，气体内能增加 B．外界对气体做正功，气体内能增加 C．气体的温度升高，压强不变 D．气体的体积减小，压强不变 B　[压缩有机玻璃筒内的空气，即外界对气体做正功，气体的体积减小，压强变大，机械能转化为筒内空气的内能，空气的内能增加，温度升高，当达到硝化棉的燃点后，硝化棉会被点燃，故B正确。] 6．(2022·湖北黄梅国际育才高级中学高二期中)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。] 题组三　热与内能的改变 7．(2022·重庆南开中学高二期末)关于传热，下列说法正确的是(　　) A．传热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传热 C．比热容相同的物体之间不会传热 D．温度相同的物体之间不会传热 D　[传热实质是内能从高温物体转移到低温物体，传递的不是温度，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传热，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，不会发生传热，D正确。] 8．关于物体的内能和热量，下列说法正确的是(　　) 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，内能必定多 C．在热传递过程中，内能多的物体其内能将减少，内能少的物体其内能将增加，直至两物体的内能相等 D．热量是热传递过程中内能转移多少的量度 D　[内能是物体内所有分子动能和势能的总和，宏观上看，其大小取决于物体的温度、体积、物质的量，温度高只能说明其分子的平均动能多，因为物质的量不一定相同，所以并不能说明它的分子总动能多，更不能说明它的内能多，A错误；热量是一个过程量，说哪个物体具有热量是毫无意义的，且温度高的物体内能也不一定多，B错误；热传递的目的是传递内能，但是物体之间发生热传递的条件并不是内能不相等，而是温度不同，热传递的最终结果也不是内能相等，而是温度相同，C错误；热量是热传递过程中内能转移的量度，是一个过程量，D正确。] 9．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 C　[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。] 10．(2022·河北部分名校高二下月考)如图为利用钨锅炼铁的场景。若铁的质量大于钨锅的质量，起始时铁的温度比钨锅的温度低，当它们接触在一起时，忽略它们和外界交换的能量，下列说法正确的是(　　) A．达到热平衡时，钨锅的温度比铁的低 B．热传递的过程中，铁从钨锅吸收热量 C．达到热平衡时，钨锅内能的减少量小于铁内能的增加量 D．达到热平衡时，由于铁的质量大于钨锅的质量，钨锅内能的减少量大于铁内能的增加量 B　[达到热平衡时，钨锅的温度和铁的温度相同，故A错误；热传递的过程中，铁从钨锅吸收热量，故B正确；达到热平衡时，根据能量守恒可知，钨锅内能的减少量等于铁内能的增加量，故C、D错误。] 11．如图所示，直立容器内部被隔板隔开，A的密度小，B的密度大，抽去隔板，使气体均匀混合。此过程绝热，则气体内能将(　　) A．不变　　　 B．增大 C．减小 D．无法判断 B　[对A、B气体整体而言重心降低，重力做正功，系统内能增加，B正确。] 12．如图所示，A、B是两个完全相同的铁球，初温相同。A放在绝热板上，B用绝热绳悬挂。现只让它们吸热，当它们升高相同的温度时，吸热分别为QA、QB，则(　　) A．QA＝QB B．QA<QB C．QA>QB D．无法确定 C　[A、B升高相同的温度，根据Q＝cmΔt可知，升温需要的能量是相同的。由于受热膨胀，A的重心升高，重力势能增加，吸收的热量QA一部分用于升温，一部分用于增加重力势能ΔEp，即QA＝Q＋ΔEp；B的重心降低，重力势能减小，吸收的热量QB和减少的重力势能ΔEp共同用于升温，即Q＝QB＋ΔEp；显然QA>QB。故答案为C。] 13．某大型宾馆在楼顶安装了10台相同的太阳能热水器，每台热水器的水箱容积为200 L。在夏季光照 条件下，一满箱15 ℃的水经白天太阳能加热，温度可达到65 ℃。已知水的比热容为4.2×103 J/(kg·℃)，天然气的热值为8.4×107 J/kg。 (1)10台热水器装满水时，求温度从15 ℃升高到65 ℃吸收的热量。 (2)若这些热量由完全燃烧的天然气提供，则需要多少千克天然气？ [解析]　(1)一满箱水的体积V＝200 L＝0.2 m3，一满箱水的质量m＝ρV＝1.0×103×0.2 kg＝200 kg；一满箱水的温度从15 ℃升高到65 ℃吸收的热量Q吸＝c水mΔt＝4.2×103×200×(65－15)J＝4.2×107 J，10台热水器装满水时，温度从15 ℃升高到65 ℃吸收的热量Q＝nQ吸＝10×4.2×107 J＝4.2×108 J。 (2)设10台热水器获得的太阳能相当于质量为M的天然气全部燃烧释放出的热量，即Q放＝Mq＝4.2×108 J，代入数据解得M＝5 kg。 [答案]　(1)4.2×108 J　(2)5 kg 1/16 学科网（北京）股份有限公司 $$