第3章 1 功、热和内能的改变-【步步高】2023-2024学年高二物理选择性必修第三册（人教版2019，津鲁琼云晋皖黑吉桂贵粤辽渝鄂冀湘甘赣豫新青藏宁蒙陕）

1　功、热和内能的改变 [学习目标]　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，明确两种方式的区别(重难点)。3.明确内能、功、热量、温度四个物理量的区别和联系。 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。 1．在焦耳研究功与热等效性的实验中，为什么要求盛水的容器采用绝热材料做外皮？ 答案　隔绝与外界热量的交换，使水温度的升高只由叶片搅拌引起。 2．在教材图3.1－1和图3.1－2 所示的两个实验中，各是什么形式的能转化为系统的内能？ 答案　(1)重物下落，减少的重力势能转为系统的内能；(2)重物带动发电机工作，将机械能转化为电能，发电机工作，将电能转化为液体的内能。 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？ 答案　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燃烧。 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，外界对物体做功，则W>0外界对物体做多少功，物体的内能就增加多少，物体对外界做功，则W<0，物体对外界做多少功，物体的内能就减少多少。 如图所示，用隔板将一绝热汽缸分成两部分，隔板左侧充有理想气体，右侧与绝热活塞之间是真空的。现将隔板抽开，气体会自发扩散至整个汽缸。待气体达到稳定后，缓慢推压活塞，将气体压回到原来的体积。假设整个系统不漏气，则气体自发扩散前后内能变化了吗？为什么？气体在被压缩的过程中内能如何变化？为什么？ 答案　气体向真空扩散过程中不对外做功，且又因为汽缸绝热，可知气体自发扩散前后内能不变； 气体在被压缩的过程中活塞对气体做功，因汽缸绝热，则气体内能增大。 例1　(多选)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 答案　AD 解析　气体膨胀，气体对外做正功，W<0，又因为气体与外界无热量交换，Q＝0，由此可知气体内能减小，ΔU<0，B错误，D正确；因忽略气体分子间的相互作用，没有分子势能，所以分子平均动能减小，A正确，C错误。 例2　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。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) 答案　1 030 J 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。 功与内能的区别 (1)功是过程量，内能是状态量。 (2)物体的内能大，并不意味着外界对它做功多，只有在绝热过程中，内能变化越大时相应做的功越多。 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 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。 1．如图所示是传热的三种方式——传导、对流和辐射。这三种方式在传递能量时有什么共同点？ 答案　三种方式都是热量从一个物体传递到另一个物体。 2．一根金属棒的温度升高了，也就是说它的内能增加了，你能判断出它是通过哪种方式增加内能的吗？为什么？ 答案　不能，因为做功和传热都能改变物体的内能。 (1)热量一定从内能多的物体传递给内能少的物体。(　×　) (2)做功和传热都可以改变物体的内能，从效果上是等效的。(　√　) (3)传热只能发生在两个物体间，同一物体不能发生传热。(　×　) 例3　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 C．用磨刀石磨刀时，刀片的温度升高，内能增加 D．打击铁钉，铁钉的温度升高，内能增加 答案　B 解析　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；打击铁钉，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。 例4　(多选)在外界不做功的情况下，物体的内能增加了50 J，下列说法正确的是(　　) 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 答案　BD 解析　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，B对；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，D对。 例5　对于热量、功和内能三个物理量，下列说法中正确的是(　　) A．热量和功与过程有关，而内能与状态有关 B．热量、功和内能的物理意义相同 C．热量和功都可以作为内能的量度 D．内能大的物体具有的热量多 答案　A 解析　热量和功是过程量，与过程有关，而内能是状态量，与状态有关，故A正确；热量、功和内能是三个不同的物理量，它们的物理意义不同，热量反映了物体内能的变化的多少，功是能量转化的量度，内能是物体内所有分子动能和势能之和，做功和热量都可以作为改变物体内能变化的量度，而不是内能的量度，故B、C错误；热量是过程量，不是状态量，不能说内能大的物体具有的热量多，故D错误。 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。只有在仅传热过程中，内能变化越大时，相应的传热才越多。 课时对点练 考点一　焦耳的实验 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 答案　AC 解析　该实验测定做功和内能变化的关系，故选项A正确；该实验是绝热过程，没有传热，水内能的改变是由于做功，故选项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，故选项B、D错误。 2．如图所示是焦耳在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的方式无关，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 答案　C 解析　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，故选项C正确。 考点二　功与内能的改变 3．(多选)(2022·西安市高二月考)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 答案　ACD 解析　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，是化学能转化为了内能，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。 4.(2022·桂林市高二期中)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 答案　C 解析　向下压活塞，活塞对气体做功，气体的内能增加，温度升高，气体的体积减小，可得出气体的压强增大，故选项C正确。 5.如图所示，活塞将汽缸分成甲、乙两气室，汽缸、活塞(连同拉杆)是绝热的，且不漏气。以U甲、U乙分别表示甲、乙两气室中气体的内能，则在将拉杆缓慢向左拉的过程中(　　) A．U甲不变，U乙减小 B．U甲不变，U乙增大 C．U甲增大，U乙不变 D．U甲增大，U乙减小 答案　D 解析　由题意可知甲、乙两气室气体都经历绝热过程，内能的改变取决于做功的情况。对甲室内的气体，在拉杆缓慢向左拉的过程中，活塞左移，压缩气体，外界对甲室内的气体做功，内能增大；对乙室内的气体，活塞左移，气体膨胀，乙室内的气体对外界做功，内能减小，D正确。 考点三　热与内能的改变 6．关于传热，下列说法正确的是(　　) A．传热的实质是温度的传递 B．物体间存在温度差，才能发生传热 C．传热可以在任何情况下进行 D．物体内能发生改变，一定是吸收或放出了热量 答案　B 解析　传热的实质是物体间能量的转移，故A错误；传热的条件是物体间存在温度差，高温物体放出热量，低温物体吸收热量，若两物体温度相同，它们之间便不会发生传热，故B正确，C错误；物体吸收或放出热量，内能会发生变化，但内能变化不一定是传热引起的，也可能是做功引起的，故D错误。 7．(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 答案　AC 解析　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。 8．(2022·包头市第六中学高二期中)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 答案　D 解析　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。 9．(2022·湖北省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．筒内外无空气变换 答案　B 解析　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，所以再打开开关时，筒内气体要流向筒外，故B正确。 10．(多选)如图所示，一绝热容器被隔板K隔开成a、b两部分。已知a内有一定质量的稀薄气体，b内为真空。抽开隔板K后，a内气体进入b，最终达到平衡状态，不计分子间的势能。在此过程中下列说法正确的是(　　) A．气体对外界做功，内能减少 B．气体不做功，内能不变 C．气体压强变小，温度不变 D．单位时间内撞击容器壁的分子数减少 答案　BCD 解析　稀薄气体向b部分扩散没有对外界做功，W＝0，故选项A错误；绝热容器内的稀薄气体与外界不发生传热也没做功，所以气体内能不变，故选项B正确；根据题意知，气体体积增大，压强减小，气体的内能不变，则温度不变，故选项C正确；温度不变，分子的平均动能不变，压强减小，说明单位时间内和容器壁碰撞的分子数目减少，故选项D正确。 11．(多选)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 答案　ACD 解析　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，活塞在大气压的作用下向上运动，外界对气体做功，气体的内能增大，温度升高，体积减小，压强增大，由于热敏电阻的阻值随温度的升高而减小，则欧姆表示数减小，偏转角逐渐增大，故A、C、D正确，B错误。 12．(2022·邯郸市高二期末)某学生利用自行车内胎、打气筒、温度传感器以及计算机等装置研究自行车内胎打气、打气结束、突然拔掉气门芯放气与放气后静置一段时间的整个过程中内能的变化情况，车胎内气体温度随时间变化的情况如图所示。可获取的信息是(　　) A．从开始打气到打气结束的过程中由于气体对外做功，内能迅速增大 B．从打气结束到拔掉气门芯前由于气体对外做功，其内能缓慢减少 C．拔掉气门芯后，气体冲出对外做功，其内能急剧减少 D．放气后静置一段时间，由于再次对气体做功，气体内能增大 答案　C 解析　从开始打气到打气结束的过程外界对车胎内气体做功，内能增大，故A错误；从打气结束到拔掉气门芯前由于传热，车胎内气体内能减少，故B错误；拔掉气门芯后车胎内气体冲出对外界做功，气体内能急剧减少，故C正确；放气后静置一段时间，由于传热车胎内气体温度上升，故D错误。 13.如图所示的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后静止，物体下落高度为h，活塞下降高度为Δh。这一过程中，容器内空气内能的变化量为ΔU，外界对气体所做的功W与物体及活塞的重力势能变化量的关系是(重力加速度为g)(　　) A．Mgh＋mg·Δh＝ΔU＋W B．ΔU＝W，W＝Mgh＋mgΔh C．ΔU＝W，W＜Mgh＋mgΔh D．ΔU≠W，W＝Mgh＋mgΔh 答案　C 解析　绝热过程中ΔU＝W，但物体落在活塞上时，有一部分机械能在碰撞时转化为内能，这些内能没能被封闭气体吸收，因此W＜Mgh＋mgΔh，故C正确。 学科网（北京）股份有限公司 $$