高中物理 第三章 热力学基础 第一讲 内能 功 热量教案 粤教版选修33Word下载.docx

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1.内能

（1）微观：

所有分子的动能和势能之和.

（2）宏观：

只依赖于热力学系统自身状态的物理量.

（3）状态量.

2.功和内能变化的关系

做功可以改变系统的内能，功是系统内能转化的量度，在绝热过程中：

（1）外界对系统做功，系统内能增加，即ΔU＝U2－U1＝W；

（2）系统对外界做功，系统内能减少，即ΔU＝W.

3.内能与机械能的区别和联系

（1）区别：

内能与机械能是两个不同的概念.

（2）联系：

在一定条件下可以相互转化，且总量保持不变.

例1

　如图1所示，活塞将气缸分成甲、乙两气室，气缸、活塞（连同拉杆）是绝热的，且不漏气，以E甲、E乙分别表示甲、乙两气室中气体的内能，则在将拉杆缓慢向外拉的过程中（　　）

图1

A.E甲不变，E乙减小B.E甲不变，E乙增大

C.E甲增大，E乙不变D.E甲增大，E乙减小

答案　D

解析　本题解题的关键是明确甲、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，在拉杆缓慢向外拉的过程中，活塞左移，压缩气体，外界对甲室气体做功，其内能应增大，对乙室内的气体，活塞左移，气体膨胀，气体对外界做功，内能就减少，故D选项正确.

借题发挥　

（1）压缩气体，外界对气体做功，内能增大，温度升高，柴油机就是利用这个原理点火的.

（2）在绝热过程中，末态内能大于初态内能时，ΔU为正，W为正，外界对系统做功，末态内能小于初态内能时，ΔU为负，W为负，系统对外界做功.

例2

　下列关于系统的内能的说法正确的是（　　）

A.系统的内能是由系统的状态决定的

B.分子动理论中引入的系统内能和热力学中引入的系统内能是一致的

C.做功可以改变系统的内能，但单纯地对系统传热不能改变系统的内能

D.气体在大气中绝热膨胀时对外做了功，但气体的内能不变

答案　AB

解析　系统的内能是一个只依赖于系统自身状态的物理量，所以是由系统的状态决定的，A对；

正因为内能是由系统的状态决定的，所以分子动理论中引入的内能和热力学中引入的内能是一致的，B对；

做功和热传递都可以改变系统的内能，C错；

气体绝热膨胀时对外界做了功，又因为与外界没有热交换，所以系统的内能要减小，故D错.

二、热和内能

1.传热和内能变化的关系

系统在单纯传热过程中，内能的增量ΔU等于外界向系统传递的热量Q，即ΔU＝Q.

2.区分三组概念

（1）内能与热量：

内能是状态量，可以说系统具有多少内能而不能说传递多少内能；

热量是过程量，不能说系统具有多少热量，只能说传递了多少热量.

（2）热量与温度

热量是系统的内能变化的量度，而温度是系统内部大量分子做无规则运动的激烈程度的标志.虽然热传递的前提是两个系统之间要有温度差，但是传递的是能量，不是温度.

（3）热量与功

热量和功，都是系统内能变化的量度，都是过程量，一定量的热量与一定量的功相当，功是能量变化的量度，但它们之间有着本质的区别.

例3

　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T＝

D.达到热平衡时，两者的温度相等

答案　AD

解析　一个系统在热交换的过程中，如果不与外界发生热交换，温度高的物体放出的热量等于温度低的物体吸收的热量，直到温度相等，不再发生热交换为止，而热量是热传递过程中内能的变化量，所以选项A和D都正确，选项B错误；

根据热平衡方程c铜m（T1－T）＝c铁m（T－T2），解得T＝

，由此可知选项C是错误的.

例4

　若对物体做1200J的功，可使物体温度升高3℃，改用传热的方式，使物体温度同样升高3℃，那么物体应吸收________J的热量，如果对该物体做3000J的功，物体的温度升高5℃，表明该过程中，物体应________（填“吸收”或“放出”）热量________J.

答案　1200　放出　1000

解析　做功和传热在改变物体内能上是等效的，因此物体用做功方式使温度升高3℃，如用吸热方式，也使温度升高3℃应吸收1200J的热量.

如对物体做功3000J，温度升高5℃，而物体温度升高5℃，需要的功或热量应为ΔE.

1200J＝cm×

3℃，ΔE＝cm×

5℃，

所以ΔE＝2000J.

Q＝ΔE－W＝－1000J，

因此物体应放出1000J的热量.

做功与内能的关系

1.在下述各种现象中，不是由做功引起系统温度变化的是（　　）

A.在阳光照射下，水的温度升高

B.用铁锤不断锤打铅块，铅块温度会升高

C.在炉火上烧水，水的温度升高

D.电视机工作一段时间，其内部元件温度升高

答案　AC

解析　阳光照射下水温升高是热辐射使水的温度升高，在炉火上烧水是热传导和对流使水的温度升高，用铁锤锤打铅块的过程，是做功的过程，铅块温度升高，是由于外界做功引起的.电视机工作时，电流通过各元件，电流做功使其温度升高.可见A、C不是由做功引起温度变化的，故选A、C.

2.一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

解析　绝热膨胀过程是指气体膨胀过程未发生热传递，膨胀过程气体体积增大，气体对外界做功W＜0.由ΔU＝U2－U1＝W可知，气体内能减小.由于气体分子间的势能忽略，故气体分子的平均动能减小.

传热与内能的关系

3.关于热传递，下列说法中正确的是（　　）

A.热传递的实质是温度的传递

B.物体间存在着温度差，才能发生热传递

C.热传递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　热传递的实质是物体间内能的转移，故A错；

热传递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，它们之间便不再发生热传递，即达到了热平衡，故B对、C错；

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热传递引起的，还可以通过做功的方式实现，故D错.

4.对于热量、功和内能，三者的说法正确的是（　　）

A.热量、功、内能三者的物理意义等同

B.热量、功都可以作为物体内能的量度

C.热量、功、内能的单位不相同

D.热量和功是由过程决定的，而内能是由物体状态决定的

解析　物体的内能是指物体内所有分子动能和分子势能的总和，而要改变物体的内能可以通过做功或热传递两种途径，这三者的物理意义不同，A错；

热量是表示在热传递过程中物体内能变化多少的，而功也是量度用做功的方式来改变物体内能多少的，B错；

三者单位都是焦耳，C错；

热量和功是过程量，内能是状态量，D正确.

（时间：

60分钟）

题组一　做功与内能的变化

1.用下述方法改变物体的内能，不属于做功的方式是（　　）

A.用锤子打铁时，铁块发热

B.用磨刀石磨刀时，刀发热

C.双手互搓，手发热

D.用天然气烧水

解析　A、B、C中的过程都是力对系统（铁块、刀、手）做功，内能增加和温度升高的过程.而D中的用天然气烧水则是通过热传导和热对流来实现水温升高的.

2.在给自行车轮胎打气时，会发现胎内空气温度升高，这是因为（　　）

A.胎内气体压强不断增大，而容积不变

B.轮胎从外界吸热

C.外界空气温度本来就高于胎内气体温度

D.打气时，外界不断地对胎内气体做功

解析　给自行车轮胎打气，人对胎内气体做功，气体内能增加，所以温度升高.

3.一定质量的气体封闭在绝热的气缸内，当用活塞压缩气体时，一定增大的物理量有（不计气体分子势能）（　　）

A.气体体积B.气体分子数

C.气体内能D.气体分子的平均动能

答案　CD

解析　绝热过程外力对系统做功，气体内能增加，温度升高，分子平均动能增加.

4.如图1所示为某种椅子与其升降部分的结构示意图，M，N两筒间密闭了一定质量的气体，M可沿N的内壁上下滑动.设筒内气体不与外界发生热交换，在M向下滑动的过程中（　　）

A.外界对气体做功，气体内能增大

B.外界对气体做功，气体内能减小

C.气体对外界做功，气体内能增大

D.气体对外界做功，气体内能减小

答案　A

解析　因为M、N内被封气体体积减小，所以外界对气体做功，又因气体与外界没有热交换即绝热过程，所以ΔU＝W，且ΔU>

0，气体内能增加，A正确.

5.如图2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，用打气筒通过气针慢慢向容器内打气，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（　　）

图2

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，内能增大

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，内能增大

答案　C

解析　打开卡子，胶塞冲出容器口后，密封气体体积增大，气体膨胀对外做功，气体内能减少，同时温度降低，温度计示数变小.

题组二　热传递与内能

6.热传递的规律是（　　）

A.热量从内能大的物体传给内能小的物体

B.热量从内能较小的物体传给内能较大的物体

C.热量从温度高的物体传给温度低的物体

D.热量从高温内能大的物体传给低温内能小的物体

解析　自发的热传递的方向是从温度高的物体传给温度低的物体，与物体的内能大小无关.

7.下列关于内能与热量的说法中，正确的是（　　）

A.马铃薯所含热量高

B.内能越大的物体热量也越多

C.热量自发地从内能大的物体流向内能小的物体

D.热量自发地从温度高的物体流向温度低的物体

解析　选项A是一种很常见的说法，在日常生活中似无须计较，但从物理学的角度来看，却有不妥，热量是过程量，不是状态量，不能像内能那样蕴含在物体中，选项A错；

说法B与说法A存在相同的错误，此外，物体的内能与热量之间，在数量上没有必然联系，选项B错；

两物体之间热量的流向只与它们的温度有关，与它们的内能无关，选项C错.

8.在一个完全真空的绝热容器中放入两个物体，它们之间没有发生热传递，这是因为（　　）

A.两物体没有接触

B.两物体的温度相同

C.真空容器不能发生热对流

D.两物体具有相同的内能

解析　发生热传递的条件是有温度差，而与物体内能的多少、是否接触周围的环境（是否真空）无关，故选项B正确，A、C、D错误.

题组三　综合题组

9.物体由大量分子组成，下列说法正确的是（　　）

A.分子热运动越剧烈，物体内每个分子的动能越大

B.分子间引力总是随着分子间距离的减小而减小

C.物体的内能跟物体的温度和体积有关

D.只有外界对物体做功才能增加物体的内能

解析　分子热运动越剧烈，分子的平均动能越大，但不一定是每个分子的动能都大，故A错；

分子间的引力和斥力都是随着分子间距离的减小而增大，故B错；

物体的内能由物质的量、物态、体积及温度决定，即所有分子动能和分子势能之和，故C正确；

物体内能的变化由做功和热传递共同决定，故D错.

10.如图3所示，A、B是两个完全相同的球，分别浸没在水和水银的同一深度处，A、B两球用同一种材料制成，当温度稍微升高时，球的体积会明显变大，如果开始水和水银的温度相同，且两液体温度同时缓慢升高到同一值，两球膨胀后，体积相等，则（　　）

图3

A.A球吸收的热量较多

B.B球吸收的热量较多

C.两球吸收的热量一样多

D.无法确定

解析　A、B两球升高同样的温度，体积变化又相同，则二者内能的变化相同，而B球是处在水银中的，B球膨胀时受到的压力大，对外做功多，因此B球吸收热量较多一些.

11.在外界不做功的情况下，物体的内能增加了50J，下列说法中正确的是（　　）

A.一定是物体放出了50J的热量

B.一定是物体吸收了50J的热量

C.一定是物体分子动能增加了50J

D.物体的分子平均动能可能不变

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，一定是吸收了相等能量的热量，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50J并不一定是分子动能增加了50J.物体的分子平均动能有可能不变，这时吸收的50J热量全部用来增加分子势能.

12.如图4所示的容器中，A、B中各有一个可自由移动的活塞，活塞下面是水，上面是大气，大气压恒定，A、B的底部由带阀门K的管道相连，整个装置与外界绝热.打开阀门前，A中水面比B中水面高，打开阀门后，A中的水逐渐向B中流，最后达到同一高度，在这个过程中（　　）

图4

A.大气压力对水做功，水的内能增加

B.水克服大气压力做功，水的内能减少

C.大气压力对水不做功，水的内能不变

D.大气压力对水不做功，水的内能增加

解析　

打开阀门K稳定后，容器A、B中的水面相平，相当于图中画斜线部分的水从A移到B，这部分水的重力势能减少了，即重力对水做了功，同时大气压力对A容器中的水做正功为p0SAhA，对B容器中的水做负功为p0SBhB，因为两部分水的体积相等，所以大气压力对水做的总功为零.由于容器绝热，系统与外界之间没有热交换，而重力对系统做正功，故水的内能增加.

13.

（1）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，如图5所示.这是因为烧瓶里的气体吸收了水的____________，温度____________，体积____________.

图5

（2）若只对一定质量的理想气体做1500J的功，可使其温度升高5K.若改成只用热传递的方式，使气体温度同样升高5K，那么气体吸收________J的热量.如果对该气体做了2000J的功，使其温度升高了5K，表明在该过程中，气体还________（选填“吸收”或“放出”）热量________J.

答案　

（1）热量　升高　增大

（2）1500　放出　500

解析　

（1）烧瓶和烧瓶内的气体要从热水杯中吸收水的热量，温度升高，体积增大.

（2）做功和热传递在改变物体内能上是等效的，因此对气体做功1500J使温度升高5K，

如用吸热方式，也使温度升高5K应吸收1500J的热量.

如果对气体做功2000J，温度升高5K，

则气体内能增加ΔU＝1500J，

由W＋Q＝ΔU，

知Q＝ΔU－W＝－500J，

因此，气体应放出热量500J.