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同步课堂高效讲义教师用书（人教版2019）

第三章　热力学定律 第1节　功、热和内能的改变 【课标解读】　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。 探究点一　焦耳的实验 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。 1．绝热过程：系统不从外界吸热，也不向外界放热，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，水由于摩擦而温度上升。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相同的。 (2)电流做功和内能：通过电流的热效应给液体加热，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相同的。 (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始末两个状态决定，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做的功相联系。我们把它称为系统的内能。 【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。 探究点二　功与内能的改变 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。 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，它等于外界对系统所做的功W，即ΔU＝W。 2．对“ΔU＝W”的理解 (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，则W>0，且外界对系统做多少功，系统的内能就增加多少；系统对外界做功，则W<0，且系统对外界做多少功，系统的内能就减少多少。 【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 探究点三　热与内能的改变 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。 1．传热：两个温度不同的物体相互接触时，热会从高温物体传到低温物体。 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 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＝Q。 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，系统的内能就增加多少，系统向外界放热，则Q<0，系统向外界放出了多少热量，系统的内能就减少多少。 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(如内能与机械能、内能与电能等)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。 【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。 学科网（北京）股份有限公司 $$