2024年高中物理新教材同步 选择性必修第三册 第3章 1 功、热和内能的改变

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20kg的绝热汽缸竖直放置，绝热活塞的质量为5kg，面积为0.1m2，处于静止状态时，被封闭气体的高度为50cm，现在活塞上方加一质量为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)答案1030J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。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．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50JD．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。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