高中物理选修33第十章 1 功和内能 2 热和内能.docx

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高中物理选修33第十章1功和内能2热和内能

1　功和内能

2　热和内能

[学习目标]　1.了解焦耳的两个实验的原理，知道做功和热传递的实质.2.知道做功和热传递是改变内能的两种方式，理解做功和热传递对改变系统内能是等效的，明确两种方式的区别.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：

系统只由于外界对它做功而与外界交换能量，它不从外界吸热，也不向外界放热．

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．

二、功和内能

1．内能

微观：

所有分子热运动的动能和分子势能之和．

宏观：

只依赖于热力学系统自身状态的物理量．

2．功和内能：

在绝热过程中，系统内能的增加量等于外界对系统做的功，即ΔU＝W.

3．

（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，系统的内能增加；系统对外界做功，系统的内能减少．

三、热和内能

1．热传递

（1）条件：

物体的温度不同．

（2）热传递：

热量总是从高温物体向低温物体传递．

2．热和内能

（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．

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）做功和热传递都可改变物体的内能，从效果上是等效的．（　√　）

（3）在绝热过程中，外界对系统做的功小于系统内能的增加量．（　×　）

（4）热传递只能发生在两个物体间，同一物体不能发生热传递．（　×　）

2．各种方法使物体的内能发生改变：

a.电炉通电后发热；b.一杯开水放在桌面上冷却；c.阳光照射下冰块融化；d.锯木头时，锯片发烫；e.人坐在火炉旁取暖；f.用打气筒给自行车打气后，打气筒变热．其中属于做功使物体内能改变的是________；属于热传递使物体内能改变的是________．

答案　adf　bce

一、功和内能

（1）在焦耳的许多实验中，有两个最具有代表性：

一个实验是让重物下落带动叶片搅拌容器中的水，引起水温上升；另一个实验是通过电流的热效应给水加热．焦耳的这两个实验说明了什么问题？

（2）如图1，在有机玻璃筒底放少量浸有乙醚的棉花，压下活塞，观察棉花的变化．

图1

①你能看到什么现象？

实验现象说明了什么？

②图中用力按压活塞时为什么一定要迅速？

答案　

（1）做功和热传递对改变物体的内能是等效的．

（2）①可以看到棉花燃烧．实验现象说明压缩空气做功，使空气内能增大，达到棉花的燃点后引起棉花燃烧．

②迅速按下活塞是为了减少热传递，尽量创造一个绝热条件．

1．做功与内能变化的关系

（1）做功改变物体内能的过程是其他形式的能（如机械能）与内能相互转化的过程．

（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，就有多少其他形式的能转化为内能，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，就有多少内能转化为其他形式的能，物体的内能就减少多少．

2．功与内能的区别

（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，只有内能变化越大时，相应地做功才越多．

特别提醒　

（1）外界对某一系统做功时系统的内能不一定增加，还要看该系统有没有向外放热，以及向外放热的多少．

（2）在绝热过程中，系统内能的增加量等于外界对系统所做的功．

例1

　如图2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（　　）

图2

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．

二、热和内能

（1）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？

（2）如图3所示是热传递的三种方式——传导、对流和辐射．

图3

①这三种方式在传递能量时有什么共同点？

②热传递和做功都可以改变物体的内能，这两种方式在改变物体内能时本质上又有什么不同？

答案　

（1）说明做功和热传递都能改变物体的内能．

（2）①三种方式都是热量从一个物体传递到另一个物体．

②热传递是内能在物体间（或一个物体的不同部分之间）转移，做功是其他形式的能和内能之间的转化．

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；系统向外界放出多少热量，系统的内能就减少多少．即ΔU＝U2－U1＝Q.

2．传热改变物体内能的过程是不同物体之间（或同一物体不同部分之间）内能转移的过程．

3．热传递与物体的内能的多少无关，只与两个物体（或一个物体的两部分）的温度差有关，热量总是从高温物体自发地传递到低温物体．

例2

　关于热传递，下列说法正确的是（　　）

A．热传递的实质是温度的传递

B．物体间存在温度差，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能量的转移，故A错误；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，它们之间便不会发生热传递，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热传递引起的，也可能是做功引起的，故D错误．

三、内能和相关概念的辨析

1．热量和内能

（1）内能是由系统的状态决定的，状态确定，系统的内能也随之确定．要使系统的内能发生变化，可以通过热传递和做功两种方式来完成．

（2）热量是热传递过程中的特征物理量，热量只是反映物体在状态变化过程中所转移的能量，是用来衡量物体内能变化的，有过程，才有变化，离开过程，毫无意义．

（3）对某一状态而言，只有“内能”，不存在“热量”和“功”．不能说一个系统中含有多少热量．

2．热量与温度

热量是系统的内能变化的量度，而温度是系统内大量分子做无规则运动剧烈程度的标志．

热传递的前提条件是两个系统之间要有温度差，传递的是热量而不是温度．

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，热量可以通过系统转化为功，功也可以通过系统转化为热量，但它们之间有着本质的区别．

4．改变内能的两种方式的比较

比较项目

做功

热传递

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不同部分之间内能的转移

相互联系

做一定量的功和传递相同量的热量在改变内能的效果上是相同的

例3

　关于内能、温度和热量，下列说法正确的是（　　）

A．物体的温度升高时，一定吸收热量

B．物体沿斜面下滑时，内能将增大

C．物体沿斜面匀速下滑时，内能可能增大

D．内能总是从高温物体传递给低温物体，当内能相等时热传递停止

答案　C

例4

　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，内能必定大

C．在热传递过程中，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．热量是热传递过程中内能转移的量度

答案　D

解析　物体的内能由温度、体积、物质的量及物态决定，不是只由温度决定，故选项A、B错误；在热传递过程中，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，故选项C错误；关于热量的论述，选项D是正确的.

1．（功与内能的关系）（多选）通过做功改变物体内能的是（　　）

A．古人钻木取火

B．用火炉把水烧开

C．用打气筒打气，筒壁变热

D．瓶内的高压气体将瓶塞冲开，瓶内气体的温度降低

答案　ACD

2．（热和内能的关系）下列例子中通过热传递改变物体内能的是（　　）

A．用砂轮磨刀具的时候，刀具的温度升高

B．灼热的火炉使周围物体的温度升高

C．手感到冷时，搓搓手就会觉得暖和些

D．擦火柴时，火柴头上的易燃物质燃烧起来

答案　B

3．（温度、热量、功和内能的关系）关于温度、热量、功和内能，以下说法正确的是（　　）

A．同一物体温度高时，含有的热量多

B．物体的内能越大，含有的热量就越多，温度也越高

C．外界对系统做功W，内能必定增加

D．发生热传递的条件是两物体之间存在温度差

答案　D

解析　热量是物体间进行热传递时内能的转移，不能说物体含有多少热量，故A、B错；由于做功和热传递都可引起物体内能的变化，只根据做功无法准确判断物体内能的变化，故C错；物体间发生热传递的条件是存在温度差，故D对．

4．（温度、热量、功和内能的关系）（2019·长沙市模拟）下列说法正确的是（　　）

A．热量和功是由过程决定的，而内能是由物体状态决定的

B．外界对物体做功，物体的内能一定增大

C．物体吸收热量，温度一定升高

D．热量总是由内能大的物体流向内能小的物体

答案　A

解析　热量和功是过程量，内能是状态量，故A选项正确；引起物体内能的变化有做功和热传递两种途径，单就一个方面不足以断定其内能的变化，故B选项错误；在晶体熔化和液体沸腾过程中，物体要不断地吸收热量，但物体的温度不变，这时内能的增加主要表现在内部分子势能的增加，故C选项错误；两物体之间热量的流向只与它们的温度有关，与它们内能的大小无关，故D选项错误.

考点一　功与内能的关系

1．（多选）一定质量的气体封闭在绝热的汽缸内，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．气体分子密度

C．气体内能D．气体分子的平均动能

答案　BCD

解析　绝热过程外界对系统做功，气体内能增加，温度升高，分子平均动能增加．压缩气体，气体体积减小，而气体质量一定，故气体分子密度增大．

2.如图1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，外界对甲室内的气体做功，其内能应增大；对乙室内的气体，活塞左移，气体膨胀，乙室内的气体对外界做功，内能应减小．

3．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

答案　D

解析　中午，车胎体积增大，故胎内气体对外界做功，胎内气体温度升高，故胎内气体内能增大，D项正确．

考点二　热和内能

4．下列关于内能与热量的说法，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传向内能小的物体

D．热量自发地从温度高的物体传向温度低的物体

答案　D

5．（多选）关于热传递，下列说法正确的是（　　）

A．热传递中，热量一定从含热量多的物体传向含热量少的物体

B．两个物体间发生热传递的条件是它们之间有温度差

C．在热传递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，也可能发生热传递

答案　BD

解析　热量的概念只有在涉及热传递时才有意义，所以不能说物体含有多少热量，A错误；物体间发生热传递的条件是物体间存在温度差，B正确；在热传递中，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，C错误，D正确．

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

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50J，一定是吸收了50J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，物体分子的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，故C错，D对．

7．（多选）对于热量、功、内能三个量，下列说法正确的是（　　）

A．热量、功、内能三个量的物理意义是等同的

B．热量和功二者可作为物体内能大小的量度

C．热量、功和内能的国际单位都相同

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　CD

解析　热量、功和内能的国际单位都是焦耳，但热量、功和内能三个量的物理意义是不同的，热量和功是过程量，内能是状态量，热量和功二者可作为物体内能变化的量度而不是内能大小的量度．故A、B错误，C、D正确．

8．（多选）关于物体的内能，下列说法正确的是（　　）

A．夏天从室内冰箱里取一杯水去晒太阳，过一段时间水的温度升高，这是通过热传递的方式改变物体的内能

B．热传递可以改变物体的内能

C．做功可以改变物体的内能

D．一块0℃的冰熔化成0℃的水，内能减小

答案　ABC

解析　晒太阳使温度较低的水升温，是通过热传递的方式改变物体的内能，故选项A正确；物体吸收热量，内能增大，放出热量，内能减小，所以热传递可以改变物体的内能，故选项B正确；物体对外做功，其内能减小，外界对物体做功，物体的内能增大，所以做功可以改变物体的内能，故选项C正确；冰熔化成水，吸收热量，内能增大，故选项D错误．

9．如图2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2

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

答案　B

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．

10．

（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3所示．这是因为烧瓶里的气体吸收了水的____________，温度____________，体积________．

图3

（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）烧瓶内的气体要从热水中吸收热量，温度升高，体积增大．

（2）做功和热传递都可以改变物体的内能，且是等效的．