功、热和内能的改变【课堂精讲+能力提升】 高中物理 备课精研（人教版2019选择性必修第三册）

第1节功、热和内能的改变第三章

人教版

选择性必修第三册焦耳的实验01功与内能的改变02热与内能的改变03典例分析04新课导入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？你能解释这个现象吗？分析：用活塞压缩空气对空气做功，空气内能增大，温度升高，达到燃点棉花燃烧。实验视频想一想冬天搓手可使双手变暖；向手吹气也可使双手变暖，是什么原因使温度发生了变化呢？改变系统的热力学状态的方法：做功和传热（热传递）

1818年12月24日生于英国曼彻斯特，起初研究电学和磁学,从1840年开始，英国物理学家焦耳进行了多种多样的实验，以求精确测定外界对系统做功和传热对于系统状态的影响，以及功与热的相互关系（热功当量）。这项研究工作为热力学第一定律和能量守恒定律的建立奠定了坚实的实验基础。焦耳在做热功当量实验热功当量实验传热做功实验视频焦耳的实验PART01⑴实验装置⑵实验原理重物下落带动轮叶旋转，通过搅拌对绝热容器内的液体做功，使液体升温，即状态发生变化.焦耳热功当量实验装置——对系统做机械功1、实验1⑶研究对象——热力学系统：容器中的水——封闭系统：与外界没有物质交换，但有能量交换。⑷状态变化过程系统状态变化过程中，（只由于外界对它做功而与外界交换能量）系统不从外界吸热，也不向外界放热。绝热过程：⑸焦耳的多次实验测量结论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，即系统状态的变化是相同的。焦耳实验⑴实验装置⑵实验原理让正在下降的重物带动发电机发电，电流通过浸在液体中的电阻丝，由电流的热效应给液体加热，使液体温度上升。对于同一个系统，如果过程是绝热的，那么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，即系统的状态就发生了同样的变化。⑶焦耳的多次实验测量结论焦耳热功当量实验装置——对系统做电功2、实验2实验1重物下落重力做功叶片搅拌容器中的水水与叶片摩擦而温度上升系统从状态1变为状态2T1T2实验2系统从状态1变为状态2T1T2电机发电电热丝发热发热丝对水加热温度上升重物下落重力做功做功的数量只由过程始末两个状态1、2决定，而与重物的质量、做功的次数无关。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1、2决定，而与做功的方式无关。3、焦耳的这些实验结论综上所述：在各种不同的绝热过程中，如果使系统从状态1变为状态2，所需外界做功的数量是相同的.也就是说，在各种不同的绝热过程中，要使系统状态发生变化，做功的数量只由始末两个状态决定，而与做功方式无关.

尽管第一个实验重物质量或下落高度可能不同，第二个实验各次通电时间和电流大小可能不同，做功方式及做功的具体过程也不同，但只要外界对系统做功的数值相同，系统上升的温度一定相同。始末状态，是不是似曾相识焦耳的实验结论

在热力学系统的绝热过程中，外界对系统所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。类比思考：哪些力做功仅由物体的起点和终点两个位置决定，与物体的运动路径无关？重力电场力重力做功对应重力势能电场力做功对应电势能（电能）★热功当量：做功和热传递对改变物体的内能是等效的。焦耳的实验结论任何一个热力学系统都必定存在一个只依赖于系统自身状态的物理量，这个物理量在初末两个状态间的差别与外界在绝热过程中对系统所做的功相联系.我们把这个物理量称为系统的内能。⑵微观定义（分子动理论对内能的定义）：物体中所有分子的热运动动能和分子势能的总和，叫做物体的内能。⑴宏观定义（热力学对内能的定义）：

任何一个热力学系统都必定存在一个只依赖于系统自身状态的一种能量，这种能量叫做系统的内能。微观：分子热运动的激烈程度、分子间距、分子数。系统的内能U宏观：温度、体积、物质的量（状态）。4、内能U如图所示是焦耳研究热与功之间关系的两个典型实验，下列说法正确的是(

)小试牛刀A．系统状态的改变只能通过传热来实现B．系统状态的改变只能通过做功来实现C．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C功与内能的改变PART02在热力学系统的绝热过程中，系统从状态1经过绝热过程达到状态2。ΔU=U2-U1ΔU=W系统内能增量外界对系统所做的功WQ=0U1U2对绝热系统做功：当系统从状态1经过绝热过程达到状态2时，内能的增加量△U=U2-U1就等于外界对系统所做的功W，即∆U=W。说明：内能与内能变化(1)物体的内能是指物体内所有分子热运动的动能和分子势能之和。(2)当物体温度变化时，分子平均动能变化。物体体积变化时，分子势能发生变化，即物体的内能是由它的状态决定的，且物体的内能变化只由初、末状态决定，与中间过程及方式无关。

如果一个热学过程的状态变化发生得极快、经历时间很短，系统与外界交换的热量就很少，即系统与外界来不及交换热量，这样的过程若不计传递的热，可以看成绝热过程。W>0，ΔU>0内能增加压燃实验1、外界对系统做功：取一个透明塑料瓶，向瓶内注入少量的水。将橡胶塞打孔，安装上气门嘴，再用橡胶塞把瓶口塞紧，并向瓶内打气，观察橡胶塞跳出时瓶内的变化。当橡胶塞跳出时，瓶内出现白雾。实验现象做一做

以瓶内气体为研究对象，橡胶塞跳出后，瓶内的气体迅速膨胀，系统对外做功，因此，气体的内能迅速减少，瓶内气体温度迅速下降，瓶内水蒸气液化，就会出现大量的雾状小水滴。W<0，ΔU<0内能减小热力学系统——瓶内气体状态变化过程——绝热过程

热学过程的状态变化发生得极快、经历时间很短，系统与外界交换的热量就很少，即系统与外界来不及交换热量，这样的过程若不计传递的热，可以看成绝热过程。ΔU=W气体膨胀，系统对外做功内能↓，温度↓，液化，雾状2、系统对外界做功：(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；物理量符号意义符号意义WΔU系统对外界做功外界对系统做功内能增加内能减少+ΔU>0－ΔU<0在绝热过程中，功是系统内能转化的量度：∆U=W说明：做功与内能变化的关系(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，只有内能变化较大时，对应着做功较多。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。注意：功和内能的区别小试牛刀对于热量、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A热与内能的改变PART03烤火取暖开火烧水太阳辐射火钳变红生活中常见的一些热现象两个温度不同的物体A、B相互接触时，温度低的物体B要升温，我们说，热从高温物体A传到了低温物体B。这个过程称之为热传递(传热)。单纯地对系统传热也能改变系统的热力学状态水壶温酒容器中的酒——封闭系统：与外界没有物质交换，但有能量交换。△U＝QQT1T2U1U2ΔU=U2-U1系统内能增量当系统从状态1经过单纯的传热达到状态2，内能的增量△U=U2-U1就等于外界向系统传递的热量Q，即在外界对系统不做功的情况下，外界传递给系统的热量等于系统内能的改变量。热量（Q）：是在单纯的传热过程中系统内能变化的量度.（过程量，国际制单位焦耳）1、定义：两个温度不同的物体互相接触时温度高的物体要降温，温度低的物体要升温，并将持续到系统间达到热平衡即温度相等为止，我们说热量从高温物体传到了低温物体，这个过程称之为热传递（传热）.2、发生条件：物体之间或物体的不同部分之间存在温度差。4、最终结果：5、实质：6、注意：两物体或物体的各个部分温度相同。（即达到热平衡）能量的转移，改变系统的内能。热传递传递的是热量，而不是温度。3、传递规律：从高温物体传向低温物体。经过一段时间热与内能的改变7、热传递有三种方式：热传导、热对流、热辐射热对流热传导热辐射热传导－－热沿着物体传递的热传递方式，不同物质传导热的能力各不相同，容易传导热的物体称之为热的良导体，所有金属都是热的良导体，不容易传导热的物体称之为热的不良导体，如空气、橡胶、绒毛、棉纱、木头、水、油等

热对流－－靠液体或气体的流动来传递热的方式，热对流是液体和气体所特有的热传递方式热辐射－－热从高温物体向周围以电磁波的形式沿直线射出去的方式，热辐射不依赖媒介质，可在真空中进行，温差越大，表面颜色越深，物体向外的热辐射能力越强说明:（1）像做功一样，热量的概念也只有在涉及能量的传递时才有意义.所以不能说物体具有多少热量，只能说物体吸收或放出了多少热量.

（2）物体从外界吸热，物体内能增加。物体对外界放热，物体内能减少。物理量符号意义符号意义QΔU系统吸收热量系统放出热量内能增加内能减少+ΔU>0－ΔU<0△U＝Q热量和热功当量水内能增加碳的内能减少做功使物体内能发生改变，内能的改变就用功的数值来量度。热传递使物体的内能改变，是物体间内能的转移（同种形式能量的转移），从微观角度，传热是在分子相互作用下，通过分子热运动的碰撞实现内能的转移。热传递使物体的内能发生改变，内能的改变用热量来量度。1、2、做功和热传递在本质上是不同的：做功使物体的内能改变，是其他形式的能量和内能之间的转化（不同形式能量间的转化）高温热源导热壁做功和热传递的区别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（机械能、电能等）与内能之间的转化（不同形式能量间的转化）不同物体间或同一物体不同部分之间内能的转移（同种形式能量的转移）相互联系做一定量的功或传递一定量的热量在改变内能的效果上是相同的（做功和热传递在改变物体的内能上是等效的）做功和热传递的区别改变内能的两种方式做功热传递对内对外吸热放热内能增加内能增加内能减少内能减少（外界对物体做功）（物体对外界做功）（物体从外界吸热）（物体对外界放热）改变内能的两种方式在寒冷的冬季，人们常常生火取暖，当我们双手靠近火源，双手立即就会感受到手变热了。思考一下内能的概念，你认为改变物体的内能有几种方式？提示：做功和热传递。议一议内能是一个状态量,一个物体在不同的状态下有不同的内能热量是一个过程量，与一段过程对应，它表示由于热传递而引起的变化过程中转移的能量，即内能的改变量.如果没有热传递，就没有热量可言，但此时仍有内能.内能是由系统状态决定的，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，可以通过热传递或做功两种途径来完成。而热量是传递过程中的特征物理量，和功一样，热量只是反映物体在状态变化过程中所迁移的能量，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。就某一状态而言，只有“内能”，根本不存在什么“热量”和“功”，因此，不能说一个系统中含有“多少热量”或“多少功”。内能与热量的区别从宏观看，温度表示的是物体的冷热程度；从微观看，温度反映了分子热运动的激烈程度，是分子平均动能的标志。物体的温度升高，其内能一定增加。但向物体传递热量，物体的内能却不一定增加(可能同时对外做功)。内能与温度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。【特别提醒】只要存在温度差，热传递过程就会进行，与原来物体内能的多少大小无关。热传递过程能量可以由内能大的物体传到内能小的物体上，也可以由内能小的物体传到内能大的物体上。某饮品的包装上标有该饮料具有1800kJ的热量，这种说法正确吗？像做功一样，热量的概念也只有在涉及能量的传递时才有意义所以不能说物体具有多少热量，只能说物体吸收或放出了多少热量热量只是反映物体在状态变化过程中所迁移的能量，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。

就某一状态而言，只有“内能”，根本不存在什么“热量”和“功”，因此，不能说一个系统中含有“多少热量”或“多少功”。

热量的辨析热传递过程能量一定是由内能大的物体传到内能小的物体上吗？只要存在温度差，热传递过程就会进行，从高温物体传到低温物体，与原来物体内能的多少大小无关。热传递过程能量可以由内能大的物体传到内能小的物体上，也可以由内能小的物体传到内能大的物体上。热和内能的反思对于某物体，是否其温度升高，内能就一定增加；是否向物体传递能量，物体的内能就一定增加，分别说明原因？通常情况下，对固体或液体，由于体积变化不明显，主要是通过温度的变化来判断内能是否改变。★★★物体的温度升高，其内能一定增加；但物体内能增加，温度不一定升高。特殊情况：例如晶体熔化时，内能增加，温度不变。一定质量的0℃的冰熔解成的0℃的水，虽然温度不变，但是因为吸收热量，所以其内能一定增大（分子势能增大）。从宏观看，温度表示的是物体的冷热程度；从微观看，温度反映了分子热运动的激烈程度，是分子平均动能的标志。物体的温度升高，其内能一定增加。但向物体传递热量，物体的内能却不一定增加（可能同时对外做功）。内能变化的判断下列事件中，物体的内能怎样改变（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（1）壶里的水被加热，其他物体的内能通过传热将热量传给了壶里的水，所以水的内能增加（2）烧红的铁棒比周围温度要高，所以要将热量传递为周围环境，而自身的内能减少问题与练习小试牛刀图为利用钨锅炼铁的场景．若铁的质量大于钨锅的质量，起始时铁的温度比钨锅的温度低，当它们接触在一起时，忽略它们和外界交换的能量，下列说法正确的是()A．达到热平衡时，钨锅的温度比铁的低B．热传递的过程中，铁从钨锅吸收热量C．达到热平衡时，钨锅内能的减少量小于铁内能的增加量D．达到热平衡时，由于铁的质量大于钨锅的质量，钨锅内能的减少量大于铁内能的增加量B小结(1)热传递过程具有一定的方向性。 (

)(2)在任何情况下，公式ΔU＝Q都适用。 (

)(3)温度高的物体含有的热量多。 (

)(4)热量一定从内能多的物体传递给内能少的物体。 (

)(5)做功和热传递都能改变物体的内能。 (

)(6)热传递改变内能的实质是能量的转移。 (

)√×××√√判一判典例分析PART04【例题1】如果一个系统达到了平衡态，那么这个系统各处的（）A.温度、压强、体积都必须达到稳定的状态不再变化B.温度一定达到了某一稳定值，但压强和体积仍是可以变化的C.温度一定达到了某一稳定值，并且分子不再运动，达到了“凝固”状态D.温度、压强稳定，但体积仍可变化A小试牛刀【例题2】下列说法正确的是（）A.放在腋下足够长时间的水银体温计中的水银与人体达到热平衡B.温度相同的棉花和石头相接触，需要经过一段时间才能达到热平衡C.若a与b、c分别达到热平衡，则b、c之间也达到了热平衡D.两物体温度相同，可以说两物体达到了热平衡ACD小试牛刀【例题3】关于温度与温标，下列说法正确的是()A.用摄氏温标和热力学温标表示温度是