17 第3章 第1节 功、热和内能的改变-【正禾一本通】2024-2025学年高中物理选择性必修3同步课堂高效讲义配套课件（人教版2019）

正禾一本通 一轮总复习 多媒体课件 英语（人教版） 物理选择性必修三 多媒体课件 第三章　热力学定律 第1节 功、热和内能的改变 1．了解焦耳的两个实验的原理，知道做功和传热的实质。 2．知道做功和传热是改变内能的两种方式，理解两种方式的区别。 课标解读 探究点一　焦耳的实验 探究点二　功与内能的改变 √ √ 探究点三　热与内能的改变 √ [课下巩固训练(十一)]　　　 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 焦耳在研究热的本质时，发现了热和功之间的转换关系，并由此得到了能量守恒定律，最终发展出热力学第一定律。国际单位制导出单位中，能量的单位“焦耳”，就是以他的名字命名的。 相同的 1．绝热过程：系统不从外界 ，也不向外界 ，这样的过程叫作绝热过程。 2．焦耳的实验 (1)重力的功和内能：重物下落时带动叶片转动，搅拌容器中的水，水由于 而温度上升。实验表明：尽管各次悬挂重物的质量不同，下落的高度也不一样，但只要重力所做的功相同，容器内水温上升的数值都是 。 吸热 放热 摩擦 自身状态 做的功 (2)电流做功和内能：通过电流的 给液体加热，使液体温度上升。实验表明：不管通过电阻丝的电流或大或小、通电时间或长或短，只要所做的电功相等，则系统温度上升的数值是 。 (3)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 两个状态决定，不依赖于做功的具体过程和方式。 3．内能：任何一个热力学系统必定存在一个只依赖于系统 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 相联系。我们把它称为系统的内能。 热效应 相同的 始末 【基点辨析】 (1)在焦耳研究功与热等效性的实验中，为什么要用绝热性良好的材料做容器？ (2)在焦耳的两个实验中，各是什么形式的能转化为系统的内能？ 提示：(1)隔绝与外界热量的交换，使水温度的变化只由叶片搅拌或电功引起。 (2)实验1中，重物减少的重力势能转化为系统的内能；实验2中，电流通过电阻丝时，电能转化为系统的内能。 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？ 提示：外界对筒内气体做功，使气体内能增加，温度升高，达到硝化棉的燃点后引起硝化棉自燃。 增加 减少 > < 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，它 外界对系统所做的功W，即ΔU＝ 。 2．对“ΔU＝W”的理解 (1)ΔU＝W的适用条件是 过程。 (2)在绝热过程中，外界对系统做功，则W 0，且外界对系统做多少功，系统的内能就 多少；系统对外界做功，则W 0，且系统对外界做多少功，系统的内能就 多少。 等于 绝热 W 【基点辨析】 判断下列说法的正误 (1)内能是一个只依赖于系统自身状态的物理量。( ) (2)内能的变化量一定等于外界对系统所做的功。( ) (3)一定质量的气体迅速膨胀时，温度会迅速下降。( ) × 功与内能的区别 (1)功是过程量，通过做功可以改变物体的内能。内能是状态量，物体的内能大，并不意味着外界对它做功多。 (2)在绝热过程中，物体内能的变化量可以用相应过程的功来量度。外界对物体做多少功，就有多少其他形式的能转化为内能，物体对外界做多少功，就有多少内能转化为其他形式的能。 【典例1】 (多选)(2024·河北邯郸检测)某汽车后备箱内安装有撑起箱盖的装置，它主要由汽缸和活塞组成。开箱时，密闭于汽缸内的压缩气体膨胀，将箱盖顶起，如图所示。在此过程中，若汽缸内气体与外界无热量交换，忽略气体分子间的相互作用，则汽缸内气体(　　 ) A．对外做正功，分子的平均动能减小 B．对外做正功，内能增大 C．对外做负功，分子的平均动能增大 D．对外做正功，内能减小 解析：选AD。密闭于汽缸内的压缩气体膨胀时，气体对外做正功，即W<0，又因为气体与外界无热量交换——绝热过程，所以气体的内能减小，即ΔU<0，故B错误，D正确；当忽略气体分子间的相互作用时，可不考虑分子势能的变化，所以当气体内能减小时，温度降低，分子的平均动能减小，故A正确，C错误。 [规律方法]绝热过程中气体内能变化的判断 在绝热过程中，若气体体积增大，则气体对外界做功(W＜0)，根据ΔU＝W可知，气体内能减小(ΔU＜0)；若气体体积缩小，则外界对气体做功(W＞0)，同理可知，气体内能增加(ΔU＞0)。 【针对训练1】 如图所示，一个质量为20 kg的绝热汽缸竖直放置，绝热活塞的质量为5 kg，面积为0.1 m2，处于静止状态时，被封闭气体的高度为50 cm，现在活塞上方加一质量为15 kg的物体，待稳定后，被封闭气体的高度变为40 cm。忽略摩擦阻力的影响，求在这一过程中气体的内能增加了多少。(p0＝1.01×105 Pa，g取10 m/s2) 解析：由于汽缸及活塞均绝热，故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。 答案：1 030 J 下列事件中，物体的内能怎样改变？在改变物体内能的方式上两者有什么共同点？(固体和液体的热膨胀很小，可不予考虑) (1)壶里的水被加热而温度升高。 (2)一条烧红的铁棒逐渐冷却下来。 提示：壶中水的内能增加，铁棒的内能减小。两种情况都是热量从一个物体传递到另一个物体。 Q 1．传热：两个温度不同的物体相互接触时，热会从 传到 。 2．热和内能 (1)热量：在单纯的传热过程中系统 的量度。 (2)热与内能的改变 ①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，它就等于外界向系统传递的热量Q，即ΔU＝ 。 高温物体 低温物体 内能变化 < 内能 转化 转移 ②理解：在单纯传热的过程中，系统从外界吸收热量，则Q 0，系统从外界吸收了多少热量，系统的内能就 ，系统向外界放热，则Q 0，系统向外界放出了多少热量，系统的内能就 。 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 的改变。 (2)做功时，内能与其他形式的能(如内能与机械能、内能与电能等)发生 ；传热只是不同物体(或一个物体的不同部分)之间内能的 。 增加多少 减少多少 > × 【基点辨析】 1．判断下列说法的正误 (1)热量一定从内能多的物体传递给内能少的物体。( ) (2)从改变内能的效果上看，做功和传热是等效的。( ) (3)传热只能发生在两个物体之间，同一物体间不能发生传热。( ) 2．用铁锤反复敲击铁棒，铁棒的温度会升高，把铁棒放在炭火上烧，铁棒的温度也会升高，这说明了什么问题？ 提示：说明做功和传热都能改变物体的内能。 × 热量、温度与内能的区别 (1)热量是系统内能变化的量度，而温度是系统内大量分子做无规则运动剧烈程度的标志，传热的前提是两个系统之间要有温度差，传递的是热量而不是温度。 (2)内能是状态量，热量是过程量。热量只有在涉及能量的转移时才有意义。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。 (3)物体的内能大，并不意味着传热多。只有在单纯的传热过程中，内能变化越大时，相应的传热才越多。 【典例2】 (多选)在外界不做功的情况下，物体的内能增加了50 J，则(　　 ) 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 J D．物体分子的平均动能可能不变 解析：选BD。在外界不做功的情况下，内能的改变量等于传递的热量，内能增加50 J，一定是吸收了50 J的热量，故A错误，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并不一定是分子动能增加了50 J，物体分子的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，故C错误，D正确。 [误区警示]如果只是做功或只是进行传热，物体的内能一定会改变，但是如果做功的同时还有传热，则内能不一定会发生变化。 【针对训练2】 下列现象中，通过传热的方法来改变物体内能的是(　　 ) A．打开电灯开关，灯丝的温度升高，内能增加 B．太阳能热水器在阳光照射下，水的温度逐渐升高，内能增加 C．用磨刀石磨刀时，刀片的温度升高，内能增加 D．击打铁钉，铁钉的温度升高，内能增加 解析：选B。打开电灯开关，灯丝的温度升高，是通过电流做功的方法来改变物体内能的，A错误；太阳能热水器中水的内能增加是以传热的方式进行的，B正确；用磨刀石磨刀时，刀片温度升高，是通过做功的方法来改变物体内能的，C错误；击打铁钉，铁钉温度升高，是通过做功的方法来改变物体内能的，D错误。 气体体积增大时一定对外界做功吗？ 如图，一绝热容器被隔板K隔开成A、B两部分，A内有一定量的稀薄气体，B内为真空。抽开隔板K后，A内气体会因自由扩散而进入B，最终达到平衡状态。在此过程中气体并没有对外界做功，内能不变。 【基础应用题】 1．(多选)如图为焦耳实验装置示意图，用绝热性能良好的材料制作容器，重物下落时带动叶片转动，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．该装置可测定做功和内能变化的关系 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：选AC。该实验可测定做功和内能变化的关系，故A正确；该实验是绝热过程，没有传热，水的内能的改变是由于做功，故C正确；做功表示能量的转化，而热量表示传热中内能的转移，二者有区别，故B、D错误。 2．(多选)在以下事例中，通过做功的方式来改变物体内能的是(　　 ) A．两小球碰撞后粘合起来，同时温度升高 B．冬天暖气为房间供暖 C．点燃的爆竹在空中爆炸 D．汽车的车轮与地面相互摩擦发热 解析：选ACD。改变内能的方式有两种：做功和传热。做功的实质是能量的转化过程，做功的过程中能量的形式发生改变；传热是内能的转移，能量的形式不发生变化。两小球碰撞后粘在一起，温度升高，是机械能转化为内能，是利用做功的方式改变物体的内能，故A正确；冬天暖气为房间供暖，是通过传热的方式来改变物体的内能，故B错误；点燃的爆竹在空中爆炸，是化学能转化为内能，属于做功改变物体的内能，故C正确；车轮与地面摩擦生热，是机械能转化为内能，属于做功改变物体的内能，故D正确。 3．(多选)关于传热，下列说法正确的是(　　) A．传热中，热量一定从含热量多的物体传向含热量少的物体 B．两个物体间发生传热的条件是它们之间有温度差 C．在传热中热量一定从内能多的物体传向内能少的物体 D．内能相等的两个物体相互接触时，也可能发生传热 解析：选BD。热量的概念只有在涉及能量的转移时才有意义，不能说物体含有多少热量，A错误；物体间发生传热的条件是物体间存在温度差，B正确；在传热中，热量一定从温度高的物体传向温度低的物体，温度高的物体内能不一定多，故C错误，D正确。 4．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，所以热量和功都可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 解析：选D。热量是一个过程量，不能说物体含有多少热量，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，B错误；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，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。 5．(2024·黑龙江哈尔滨期末)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。现对活塞施加一竖直向下的压力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力，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 解析：选C。向下压活塞，活塞对气体做功，因为容器是绝热的，所以气体的内能增加，温度升高；再结合理想气体状态方程可知，气体的温度升高，体积减小，则压强增大，故C正确。 6．某驾驶员发现中午时车胎内的气压高于清晨时的，且车胎体积增大。若这段时间胎内气体质量不变且可视为理想气体，那么(　　) A．外界对胎内气体做功，气体内能减小 B．外界对胎内气体做功，气体内能增大 C．胎内气体对外界做功，内能减小 D．胎内气体对外界做功，内能增大 解析：选D。对车胎内的理想气体分析知，轮胎体积增大时气体对外做功；由于理想气体的分子势能可忽略，故轮胎内气体的内能只与分子的平均动能有关，分子平均动能的标志是温度，中午温度升高，内能增加，故D正确。 【综合提升题】 7．关于物体的内能和热量，下列说法中正确的是(　　) 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，内能必定大 C．在传热过程中，内能大的物体其内能将减小，内能小的物体其内能将增大，直到两物体的内能相等 D．热量是传热过程中内能转移的量度 解析：选D。物体的内能大小由温度、体积及物体的质量决定，同时也受物态变化的影响，不是只由温度决定，故A、B错误；在传热过程中，热量由高温物体传给低温物体，而与物体的内能大小无关，所以完全有可能是内能大的物体内能继续增大，内能小的物体内能继续减小，故C错误；关于热量的论述，D项是正确的。 8．(多选)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 解析：选AC。热平衡的条件是温度相等，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。 9．(多选)(2024·云南玉溪期末)如图所示，带有活塞的汽缸中密封着一定质量的理想气体(不考虑气体分子势能)，汽缸和活塞均具有良好的绝热性能。将一个热敏电阻(随温度升高，电阻变小)置于汽缸中，热敏电阻与汽缸外的欧姆表连接，汽缸固定不动，缸内活塞可自由移动且不漏气，活塞下挂一沙桶，沙桶装满沙子时活塞恰好静止。现将沙桶底部钻一小洞，细沙缓缓漏出。则下列说法正确的是(　　 ) A．外界对气体做功，气体的内能增大 B．气体对外界做功，气体的内能减小 C．气体的压强增大，体积减小 D．欧姆表的偏转角逐渐增大 解析：选ACD。在细沙缓慢漏出的过程中，沙桶对活塞向下的拉力逐渐减小，活塞向上运动，气体体积减小，压强增大，外界对气体做功，由于汽缸和活塞均具有良好的绝热性能，所以气体的内能增大，温度升高；热敏电阻的阻值随温度的升高而减小，则欧姆表的示数减小，偏转角逐渐增大，故A、C、D正确，B错误。 10．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：选C。胶塞冲出容器口，气体膨胀，对外做功。由于没来得及发生热交换，由W＝ΔU可知内能迅速减少，温度迅速降低，A、B、D错误，C正确。 11．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．筒内外无空气变换 解析：选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，筒内气体温度比外界低，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，所以再次打开开关时，筒内气体要流向筒外，故B正确。 【创新拔高题】 12．(多选)如图所示，绝热汽缸中间用固定栓将可无摩擦移动的导热隔板固定，隔板质量不计，左右两室分别充有一定量的氢气和氧气(视为理想气体)。初始时，两室气体的温度相等，氢气的压强大于氧气的压强，松开固定栓直至系统重新达到平衡，下列说法中正确的是(　　) A．初始时氢分子的平均动能大于氧分子的平均动能 B．系统重新达到平衡时，氢气的内能比初始时的小 C．松开固定栓直至系统重新达到平衡的过程中，有热量从氧气传递到氢气 D．松开固定栓直至系统重新达到平衡的过程中，氧气的内能先增大后减小 解析：选CD。温度是分子平均动能的标志，温度相同，分子的平均动能相同，初始时，两部分气体温度相同，故分子的平均动能相同，故A错误；松开固定栓直至系统重新达到平衡的过程中，先是氢气对氧气做功，氢气内能减少、温度降低，氧气内能增加、温度升高，由于存在温度差，故会发生传热，最后两者温度相同，故氧气内能又减小，等于初始值，所以两种气体的内能与初始时相同，故B错误，C、D正确。 $$