第1节　功、热和内能的改变

第三章热力学定律第1节功、热和内能的改变

核心素养导学物理观念(1)了解焦耳的两个实验的原理。(2)会用功能关系构建内能的概念，能区分热量和内能的概念。(3)知道做功与传热在改变内能上的区别。科学思维理解做功与内能的改变和传热与内能的改变的关系。科学态度与责任体会焦耳实验探究过程对建立热力学规律的意义。一、焦耳的实验1．绝热过程系统只通过对外界做功或外界对它做功而与外界交换能量，它不从外界______，也不向外界_____。2．代表实验(1)重物下落带动叶片搅拌容器中的水，引起_________。(2)让下降的重物带动发电机发电，通过电流的________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___________无关。吸热放热水温上升热效应做功的方式二、功与内能的改变1．绝热过程中内能的变化量：等于外界对系统所做的功，即：ΔU＝W。2．在绝热过程中，外界对系统做功，系统的内能______，系统对外做功，系统的内能_____。3．如果一个热学过程的状态变化发生得极快、经历的时间很短，系统与外界来不及交换_____，这样的过程可以看成绝热过程。三、热与内能的改变1．传热(1)条件：物体的______不同。(2)过程：温度不同的物体相互接触时，温度高的物体要降温，温度低的物体要升温，___从高温物体传到低温物体。增加减少热量温度热2．热和内能的改变(1)单纯地对系统传热也能改变系统的___________，即传热能改变物体的_____。(2)热量：在单纯的传热过程中系统_________的量度。(3)单纯的传热过程中内能的变化ΔU＝____。3．改变内能的方式(1)两种方式：做功和传热。(2)两种方式的区别: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_____；传热只是不同物体(或一个物体的不同部分)之间内能的_____。热力学状态内能内能变化Q转化转移1．如何求得该装置机械能的减少量？提示：机械能的减少量由水的质量和升高的温度以及水的比热容求得。2．气体膨胀时与外界没有热交换的过程，称为绝热膨胀，那么气体在真空中和在大气中绝热膨胀时是否做功。如果做功，所需的能量从何而来？提示：(1)气体在真空中绝热膨胀的过程中，不受阻力，所以气体不做功。(2)气体在大气中绝热膨胀的过程中，气体对外界做功，所需能量来自气体的内能，因此在此过程中，气体的内能要减少。3．在寒冷的冬季，人们常常生火取暖，当双手靠近火源时，我们就会感受到手变暖和了，如图。请对以下说法作出判断：(1)烤火是通过热传递的方式增加手的内能。

()(2)手变暖和了，是内能较大的火源将内能传给了内能较小的人的缘故。

()(3)传热只能发生在两个温度不同的物体之间，同一物体，内部不发生传热现象。

()(4)该现象说明热传递可以改变物体的内能。

()√××√新知学习(一)|做功和内能变化的关系[任务驱动]幼儿园里一般都有滑梯，小朋友沿滑梯下滑时屁股通常会感到发热，这是为什么？

提示：小朋友沿滑梯下滑时克服摩擦力做功，内能增加。

[重点释解]1．功和内能的区别(1)功是过程量，内能是状态量。(2)在绝热过程中，做功一定能引起系统内能的变化。(3)系统的内能大，并不意味着做功多。在绝热过程中，只有内能变化越大时，对应着做功越多。2．功和内能的关系(1)做功可以改变系统的内能，功是系统内能转化的量度。在国际单位制中，内能和功的单位都是焦耳。(2)绝热过程中功和内能变化的关系当系统从某一状态经过绝热过程达到另一状态时，内能的改变量ΔU就等于外界对系统所做的功W，即ΔU＝U2－U1＝W。即在绝热过程中，外界对系统做功，系统的内能增加，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，系统的内能减少，系统对外界做多少功，系统的内能就减少多少。[典例体验][典例]如图所示，一个质量为20kg的绝热汽缸竖直放置，绝热活塞的质量为5kg，横截面积为0.1m2，处于静止状态时被封闭气体的高度为50cm。现在活塞上方加一15kg的物体，待稳定后，被封闭气体的高度变为40cm。求在这一过程中气体的内能增加了多少？(p0＝1.01×105Pa，g取10m/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)×10×0.1J＋1.01×105×0.1×0.1J＝1030J。[答案]

1030J/方法技巧/分析绝热过程的方法(1)在绝热的情况下，若外界对系统做正功，系统内能增加，ΔU为正值；若系统对外界做正功，系统内能减少，ΔU为负值。此过程做功的多少为内能转化的量度。(2)在绝热过程中，内能和其他形式的能一样也是状态量，气体的初、末状态确定了，即在初、末状态的内能也相应地确定了，内能的变化ΔU也确定了。而功是能量转化的量度，所以ΔU＝W，即W为恒量，这也是判断绝热过程的一种方法。[针对训练]1．如图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，气体内能增加B．外界对气体做功，气体内能减少C．气体对外界做功，气体内能增加D．气体对外界做功，气体内能减少解析：因为M、N内被封闭气体的体积减小，所以外界对气体做功，即W>0；又因气体不与外界发生热交换，即绝热过程，所以ΔU＝W>0，气体内能增加，A正确。答案：A2．如图几种情况，有关功与内能的说法中正确的是

(

)

A．图1中迅速下压活塞，棉花会燃烧起来，说明传热可以使物体的温度升高B．图2中重物下落带动叶片转动，由于叶片向水传递热量而使水的温度升高C．图3中降落的重物使发电机发电，电流对水做功使水的温度升高D．做功和传热都可以使物体的内能增加解析：图1中通过压缩活塞对空气做功，气体内能增加，温度升高，达到棉花着火点，使棉花燃烧，并非是传热使温度升高，故A错误；图2中重物下落带动叶片转动，由叶片对水做功而使水的温度升高，故B错误；图3中降落的重物使发电机发电，电流对电阻做功使电阻发热，然后电阻把热量传递给水，使水的温度升高，故C错误；做功和传热都可以使物体的内能增加，故D正确。答案：D

新知学习(二)|功、内能、热量和温度的区别与联系[任务驱动]如图所示是传热的三种方式——传导、对流和辐射，请在图片基础上思考以下问题：(1)这三种方式在传递能量时有什么共同点？提示：热量从高温处向低温处传递。(2)传热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？提示：传热改变内能是能量的转移过程，做功改变内能是能量的转化过程。

[重点释解]1．内能与温度从宏观上看，温度表示的是物体的冷热程度；从微观上看，温度反映了分子热运动的剧烈程度，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)。2．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，可以通过传热和做功两种方式来完成。(2)热量是传热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”，根本不存在“热量”和“功”。不能说一个系统中含有多少热量。3．热量与温度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。4．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。5．改变内能的两种方式的比较比较项做功传热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，内能增加；物体放出热，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或传递一定量的热量在改变内能的效果上是相同的[典例体验][典例]

(多选)下列说法中正确的是

(

)A．做功和传热是改变物体内能的两种本质不同的物理过程，做功是其他形式的能和内能之间的转化，传热是物体内能的转移B．外界对物体做功，物体的内能一定增大C．物体向外界放热，物体的内能一定增大D．物体内能发生了改变，可能是做功引起的，也可能是传热引起的，还可能是两者共同引起的[解析]

做功和传热改变物体内能的本质不同，因为做功的过程一定是不同形式的能相互转化的过程，而传热是同种形式的能量(内能)在不同的物体之间或物体不同的部分之间传递或转移，A正确；物体内能的变化取决于做功和传热两种途径，单就一个方面的改变不足以断定其内能的变化情况，B、C错误，D正确。[答案]

AD/易错警示/传热、做功和内能的改变的认知误区(1)误认为有传热或做功时，内能一定变化。如果只是做功或只是进行传热都会改变物体的内能，但是如果做功的同时还有传热，则内能不一定会发生变化。(2)对做功与内能变化关系认识不清。在判断内能增加或减少时，一定要搞清是对内做功还是对外做功，是从外界吸收热还是向外界放出热。[针对训练]1．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，内能必定增加D．发生传热的条件是两物体之间存在温度差解析：热量是物体间进行传热时内能变化的量度，不能说物体含有多少热量，故A错误；物体的内能越大，温度不一定越高，故B错误；由于做功和传热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错误；物体间发生传热的条件是存在温度差，故D正确。答案：D

2．(2022·泰安高二检测)如图所示，太阳能热水器是一种能够将太阳

的光能转化为内能的装置。这种装置可以使装置内的水温度升高，

这种改变水的内能的方式是

(

)A．做功 B．热传递C．既有做功也有热传递

D．电流的热效应解析：太阳能热水器是通过吸收太阳光的热量，通过热传递的方式将水加热，故选B。答案：B一、好素材分享——看其他教材如何落实核心素养

物理观念——理想气体的内能1．(选自鲁科版新教材课后练习)

容器里有一定质量的理想气体，在保持体积不变时使其升温，气体的内能怎样改变？在保持温度不变时，把气体压缩，气体的内能改变吗？为什么？提示：一定质量的理想气体，不考虑分子势能，其内能只与温度有关，故温度升高时，其内能增大，温度不变时，气体的内能也不变。

科学思维——气体绝热过程分析2．(选自鲁科版新教材课后练习)(多选)用密封性好、充满气体的塑料袋包裹易碎品，如图所示。当充气袋四周被挤压时，假设袋内气体与外界无热交换，则袋内气体

(

)A．体积减小，内能增大B．体积减小，压强减小C．对外界做负功，内能增大D．对外界做正功，压强减小解析：袋内气体与外界无热交换时，气体内能的变化等于外界对气体所做的功，故充气袋四周被挤压时，体积减小，袋内气体对外界做负功，袋内气体压强增大，内能增大，故选项A、C正确，B、D错误。答案：AC

科学探究——观察容器中温度变化3．(选自粤教版新教材“观察与思考”)如图所示，在长圆柱形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，另一端用卡子卡住一个可移动的胶塞。用打气筒慢慢向容器打气，增大容器内的压强。当容器内的压强增大到一定程度时，打开卡子，气体冲开胶塞，可以从灵敏温度计观察到容器的温度会发生什么变化？请解释观察到的实验现象。提示：灵敏温度计的示数明显变小，说明气体对外做功，内能减少，温度降低。二、新题目精选——品立意深处所蕴含的核心价值1．如图所示，在大口的玻璃瓶内装一些水，然后用一个与打气筒相连

的活塞密闭瓶口，向瓶内打气，当打到某一状态时，瓶塞会跳起来

。当瓶塞跳起时，我们会看到瓶内出现了“白雾”。对于“白雾”

的形成，下列说法正确的是

(

)A．这些“白雾”是当瓶塞跳起后外界的水蒸气在瓶口遇冷形成的小水珠B．这是打气筒向瓶内打进去的水蒸气C．这是瓶内的水向外膨胀形成的水雾D．瓶内空气推动瓶塞做功，空气的内能减小，温度降低，使水蒸气液化形成小水滴解析：当用打气筒向瓶内打气时，外界对系统做功，使系统的内能增加，温度升高，压强增大，使瓶塞从瓶口中喷出。形成“白雾”的原因是：在瓶塞突然跳起时，瓶内气体对外做功，内能减少，温度下降，水蒸气有一部分液化成小水滴，故选项D正确。答案：D2